Гидроаккумулирующие электростанции

Важным преимуществом гидроэнергетики является высокая маневренность гидроагрегатов – их можно запустить на полную мощность за короткое время (40…50 секунд). Тепловые и атомные станции этим свойством не обладают.

Агрегаты ГЭС, благодаря их высокой мобильности, идеально приспособлены для покрытия пиковых нагрузок. Работа ГЭС в пиковом режиме не связана с дополнительными потерями, технически надежна и экономически выгодна.

Высокая эффективность покрытия пиковых нагрузок установками ГЭС вызывает необходимость сооружать в районах страны с бедными гидроэнергетическими ресурсами так называемые гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС). ГАЭС предназначена для перераспределения во времени энергии и мощности в энергосистеме. В часы пониженных нагрузок ГАЭС работает как насосная станция. Она за счет потребляемой энергии перекачивает воду из нижнего бьефа в верхний и создает запасы гидроэнергии за счет повышения уровня верхнего бьефа. В часы максимальной нагрузки ГАЭС работает как гидроэлектростанция. Вода из верхнего бьефа пропускается через турбину в нижний бьеф, и ГАЭС вырабатывает и выдает электроэнергию в энергосистему. На рис. 3.6 представлены типовые схемы ГАЭС: а – когда в верхний бассейн нет естественного притока воды; б – когда к воде, перекачиваемой насосами в верхнее водохранилище, добавляется речной сток (такие совмещенные установки называются «ГЭС – ГАЭС»).

 

Рис. 3.6. Схемы гидроаккумулирующих станций:

а – ГАЭС, б – ГЭС – ГАЭС

1,3 – верхний и нижний бьефы, 2 – водовод, 4 – здание ГАЭС

Заряд – это подъем воды гидромашинами из нижнего водохранилища в верхнее водохранилище (ночью, в выходные и праздничные дни, когда в энергосистеме имеет место провал нагрузки). При этом срабатывается избыточная мощность тепловых и атомных станций. Разряд – это срабатывание запасенной мощности ГАЭС в часы максимума нагрузки или при авариях на других электростанциях или в сетях; при этом потенциальная энергия поднятой воды преобразуется в электрическую в гидротурбине, и при разряде возвращаются три единицы из четырех, затраченных при разряде. В процессе работы ГАЭС потребляет дешевую электроэнергию, а выдает более дорогую энергию в период пика нагрузки (за счет разности тарифов). Заполняя провалы нагрузки в энергосистеме, она позволяет работать агрегатам атомных и тепловых станций в наиболее экономичном и безопасном режиме, резко снижая при этом удельный расход топлива на производство 1 кВт·ч электроэнергии в системе.

Мощность N_H, кВт, затрачиваемая при заряде, когда ГАЭС работает в насосном режиме, определяется из соотношения

 

(3.15)

 

где H_н – подведенный напор (сумма статического напора и потерь), м;

– КПД насосного режима обратимой гидротурбины.

ГАЭС требуют меньших затрат на строительство и меньших затоплений, чем обычные ГЭС. Их стоимость зависит от напора. Под Москвой сооружена Загорская ГАЭС с напором 100 м, суммарная мощность 1200 МВт. На ней установлены 6 обратимых гидроагрегатов, развивающих в турбинном режиме мощность по 200 МВт. Как правило, пиковые ГАЭС рассчитаны на работу в турбинном режиме 4…6 часов в сутки. Суммарная мощность ГАЭС России 1,6 ГВт.

 

Энергия и мощность ГЭС

Численное значение энергии водотока определяют так. Водоток разбивают на ряд участков, начиная от истока до устья, и определяют полную энергию потока воды в начальном Э₁ и конечном Э₂ створах участка. Используя уравнение Бернулли, теряемая энергия на этом участке Э_уч равна разности Э₁ и Э₂:

Э_уч = Э₁ – Э₂ = . (3.16)

Средняя мощность водотока на данном участке

N_уч = , (3.17)

где H_уч – падение уровня водотока, м.

Для водотоков с р = 1000 кг/м³, g = 9,81 м/с² мощность N_уч в кВт приводится к удобному виду:

N_уч = 9,81QH_уч. (3.18)

Формулы (3.17) и (3.19) выражают теоретическую (потенциальную) энергию и мощность на рассматриваемом участке.

Теоретические гидроэнергетические ресурсы – это теоретические запасы, определяемые по формуле

, (3.19)

где Э – энергия, кВт·ч;

n – число участников;

Q_i – среднегодовой расход реки на i-м участке, м³/с;

H_i – падение уровня реки на этом участке, м.

Энергию, используемую ГЭС, можно определить по формуле (3.16) путем замены H_уч на напор Н, который равен

Н = Н_ст – h_пот.

Потери напора h_пот. обычно составляют 2…5 % от статического напора Н_ст.

Выработку энергии на ГЭС и мощность принято измерять на выводах гидрогенератора с учетом КПД гидротурбины и электрогенератора.

Мощность на валу гидротурбины, кВт

N_т = 9,81Q_тH , (3.20)

где Q – расход воды через гидротурбину, м³/с;

Н – напор турбины с учетом потерь;

– КПД турбины (у современных крупных гидротурбин = 0,93…0,96).

Электрическая мощность гидрогенератора

N_ген = N_т ; (3.21)

где – КПД гидрогенератора, обычно = 0,97.

Выработка электроэнергии ГЭС, кВт·ч за период времени Т, ч определяется по формуле

 

, (3.22)

где – мощность ГЭС в i-й момент времени.

В качестве расчетного периода Т рассматриваются час, сутки, неделя, месяц, год.

Электрическая мощность, подведенная к потребителю, меньше мощности, производимой гидроэлектростанцией, N_ГЭС. Сумму всех потерь можно оценить с помощью КПД системы передачи и преобразования , обычно = 0,92…0,93.

Установленная мощность ГЭС N_уст определяется как сумма номинальных (паспортных) мощностей установленных на ней генераторов. Она соответствует максимальной мощности, которую может развивать гидроэлектростанция.