Гидроэлектростанции Пермского края и Приволжья

Введение

Без сомнения, энергообеспечение – одна из наиболее актуальных проблем человечества. Мировые запасы нефти и газа стремительно уменьшаются и недалёк тот день, когда они будут полностью исчерпаны. Это понимают все, и поэтому с каждым годом всё большее число специалистов изучает возможности их равноценной замены. Сегодня существует несколько направлений альтернативной энергетики: использование солнечной энергии и энергии ветра, биоэнергетика, геотермальная энергетика.
Гидроэнергетика является ключевым элементом обеспечения системной надежности Единой Энергосистемы страны, располагая более 90% резерва регулировочной мощности [5].
Из всех существующих типов электростанций именно ГЭС являются наиболее маневренными и способны при необходимости существенно увеличить объемы выработки в считанные минуты, покрывая пиковые нагрузки.
Цель работы - приведение описания эксплуатируемых сегодня объектов исследования - ГЭС Пермского края и Приволжья с целью альтернативы замены органического топлива на традиционных ТЭЦ, ГРЭС и обеспечения возможности эффективного использования энергетического потенциала рек нашей страны.
Кроме своего прямого назначения - производства электроэнергии - гидроэнергетика решает дополнительно ряд важнейших для общества и государства задач. Прямая выгода от них включает создание систем питьевого и промышленного водоснабжения, развитие судоходства, создание ирригационных систем в интересах сельского хозяйства, рыборазведение, регулирование стока рек, позволяющее осуществлять борьбу с паводками и наводнениями, обеспечивая безопасность населения [6]. Каждая введенная в эксплуатацию гидроэлектростанция становится точкой роста экономики региона своего расположения, вокруг нее возникают производства, развивается промышленность, создаются новые рабочие места [1].

1. Основные типы гидроэнергетических установок (ГЭС, насосная станция – НС, ГАЭС, ПЭС)

Гидроэлектрические станции (ГЭС) – это гидроэнергетические установки, которые преобразуют в электрическую энергию механическую энергию водного потока реки. ГЭУ представляет собой совокупность гидротехнических сооружений, энергетического и механического оборудования.
Основными сооружениями ГЭС (рисунок 1) являются плотина, перегораживающая реку и создающая подъем уровня воды, и здание станции, в котором размещаются гидротурбины, генераторы электрического тока и другое основное и вспомогательное оборудование [7].

Рисунок 1 - Плотинная схема ГЭС: 1 - водохранилище; 2 - плотина; 3 - здание ГЭС
Вода под действием силы тяжести движется через гидротурбины и вращает их рабочие колеса. С валами рабочих колес жестко скреплены роторы генераторов электрического тока. При вращении роторов генераторы преобразуют механическую энергию водного потока в электрическую, которая затем передаётся в нагрузку. Гидротурбина вместе с соединенным с ней генератором образует гидроагрегат. Высокий КПД ГЭС (~ 90 %) обусловлен тем, что электроэнергия преобразуется из механической энергии непосредственно.
Приливные электростанции (ПЭС) – это гидроэнергетические установки, которые преобразуют в электроэнергию механическую энергию приливных колебаний уровня моря (рисунок 2 ). Морские приливные электростанции (ПЭС) используют приливные колебания уровня моря, которые обычно происходят два раза в сутки.
В некоторых пунктах обжитых морских побережий приливные колебания достигают 8—10 м. Наибольшая величина прилива 19,6 м наблюдается в заливе Фанди (Канада).
Во Франции построена ПЭС Ране мощностью 240 МВт. Во времена СССР около Мурманска построена оригинальная опытная Кислогубская ПЭС небольшой мощности.


Рисунок 2 - Схема ПЭС: а - план; б - цикл прилива; в - цикл отлива
ПЭС (рисунок 2) удобно строить, если на побережье имеется достаточных размеров залив, соединенный с морем нешироким проливом. Этот пролив перегораживают плотиной и сооружают при ней ПЭС. Когда наступает прилив или отлив, между морем и заливом образуется перепад уровней воды. Гидроагрегаты ПЭС работают и при движении воды из моря в отгороженный плотиной бассейн, и при движении воды из бассейна в море. В настоящее время ПЭС не получили широкого распространения из-за их дороговизны и малого количества удобных для строительства заливов.
Гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС) – это гидроэнергетические установки, на которых перекачивают воду из нижнего бассейна в высоко расположенный верхний бассейн с последующим использованием потенциальной энергии этой воды для выработки электроэнергии. Схема ГАЭС, поясняющая принцип работы, представлена на рисунке 3.
ГАЭС в ночные часы суток за счет электроэнергии, получаемой из энергосистемы, перекачивает насосами воду из нижнего бассейна в верхний (цикл заряда). Днем и особенно вечером, когда электропотребление в системе увеличивается, вода из верхнего бассейна пропускается через турбины в нижний бассейн (цикл разряда). При этом ГАЭС вырабатывает и отдает электроэнергию в систему.

Рисунок 3 - Схема ГАЭС: 1 - верхний бассейн; 2 - напорный трубопровод; 3 - здание ГАЭС; 4 - нижний бассейн
Таким образом, функционально ГАЭС выполняет в энергосистеме роль аккумулятора огромной энергоемкости, запасающего и хранящего энергию в виде потенциальной механической энергии воды. Вследствие неизбежных потерь энергии в процессе ее преобразования ГАЭС отдает в систему 70-75 % электрической энергии, получаемой ею из системы. Тем не менее, эти станции выгодны, поскольку аккумулируют более дешевую, а иногда и "бросовую" электроэнергию в ночные часы, в период малой нагрузки системы, а отдают более дорогую энергию в часы "пик" нагрузки. ГАЭС существенно улучшают технические условия работы тепловых и атомных электростанций и позволяют снизить их удельный расход топлива на выработку 1кВт.ч электроэнергии. ГАЭС обычно строят около мощных тепловых и атомных электростанций.
Гидроэнергетическая установка, предназначенная для перекачки воды с низких отметок на высокие и для перемещения воды в удаленные пункты, называется насосной станцией (НС). На НС устанавливаются насосные агрегаты, у которых на одном валу находится насос и электрический двигатель. НС является потребителем электрической энергии.
НС имеют большое распространение. Они применяются для комму-нально-бытового и промышленного водоснабжения, для водоснабжения ТЭС, в ирригационных системах для подачи воды на поля, расположенные на высоких отметках или в удаленных районах, на судоходных каналах, пересекающих высокие водоразделы, и т. д.
Крупнейшая насосная станция — Каховская с суммарной подачей воды 530 м3/с, расчетным напором 25 м и суммарной мощностью элек-тродвигателей 168 МВт.
Насосные станции канала Иртыш — Караганда рассчитаны на подъем воды на 418 м и суммарную подачу 76 м3/с на расстояние 458 км. Их суммарная мощность 350 МВт.


2. Основные понятия и законы гидростатики и гидродинамики

Жидкость может течь – изменять свою форму, не изменяя объёма. При течении слои жидкости движутся относительно друг друга. Способность жидкости течь определяется её коэффициентом вязкости η (греч. "эта") [8]. Силы упругости в жидкости и газе называют давлением и измеряют в Па.
P=F/S (1)
Гидростатическое давление жидкости – давление, вызванное действием силы тяжести.
р=р0+ρgh (2)
Закон Паскаля – давление, производимое внешними силами на покоящуюся жидкость (или газ, но не твёрдое тело) передаётся во все стороны одинаково (рисунок 4).

Рисунок 4 - Закон Паскаля
Закон Архимеда – на тело, погружённое в жидкость или газ, действует выталкивающая сила, равная весу жидкости или газа в объёме погружённой части тела (рисунок 5).

Рисунок 5 - Закон Архимеда
Уравнение неразрывности несжимаемой жидкости. Объёмная скорость жидкости равна отношение объёма жидкости, протекающей через поперечное сечение трубки к времени, за которое это произошло

. Объёмная скорость численно равна объёму жидкости, протекающей через поперечное сечение трубки за одну секунду (рисунок 6).
w = A1·v1 =A2·v2 (3)

Рисунок 6 - Уравнение неразрывности
Причинами движения жидкости являются действующие на нее силы: объемные или массовые силы (сила тяжести, инерционные силы) и поверхностные силы (давление, трение). В отличие от гидростатики, где основной величиной, характеризующей состояние покоя жидкости, является гидростатическое давление, которое определяется только положением точки в пространстве, т.е., р=f(x,y,z) в гидродинамике основными элементами, характеризующими движение жидкости, будут два: гидродинамическое давление и скорость движения (течения) жидкости.
Уравнение Бернулли (рисунок 7) [9]:
р+1/2·ρ·v2+ρgy=const (4)


Рисунок 7 - Уравнение Бернулли
3. Принципиальные схемы создания гидравлического напора с помощью гидросооружений
Наиболее эффективное использование энергии водотока возможно при концентрации перепадов уровней воды на сравнительно коротком участке. При наличии естественного водопада решение этой задачи упрощается, однако подобные условия встречаются очень редко. Для использования падений рек, распределенных по значительной длине водотока, прибегают к искусственному сосредоточению перепада [8]. Такое сосредоточение может быть осуществлено различными способами, показанными на рисунке 8.

Рисунок 8 - Принципиальные схемы гидроэлектростанций.
I - приплотинная; II - деривационная
Плотинная схема (рисунок 8 - I) создания напора, т.е. концентрации перепада в наиболее удобном для использования месте, предусматривает подпор уровня реки путем создания плотины. Образующееся при этом водохранилище используется в качестве регулирующей емкости, позволяющей периодически создавать запасы воды и более полно использовать энергию водотока.
Деривационная схема (рисунок 8 - II) позволяет получить сосредоточенный перепад путем отвода воды из естественного русла по искусственному водоводу, имеющему меньший продольный уклон, чем уклон русла. Благодаря этому уровень воды в конце водовода оказывается выше уровня воды в реке. Этой разностью уровней и создается напор гидроэлектростанции.
ГЭС, у которых напор частично создается с помощью плотины достаточно большой высоты и частично с помощью деривации, называют смешанными (смешанная схема энергоиспользования реки).
Выбор схемы энергетического использования водотока - плотинной, деривационной, смешанной - определяется падением реки, расходом воды, топографическими и инженерно-геологическими уровнями русла, поймы и долины [7]. Виды различного рода использования энергетический гидропотенциал показаны на рисунке 9.

Рисунок 9 - Принципиальные схемы создания напора
4. Энергия речного водотока. Теоретические и экономические гидроэнергетические ресурсы
ГЭС вырабатывает электроэнергию в результате преобразования энергии водного потока. Реки, спускаясь с гор и возвышенностей к морям и озерам, обладают постоянно возобновляемой природой энергией. В естественных условиях эта энергия тратится на преодоление сил трения при взаимодействии потока с руслом, на преодоление порогов и других препятствий, перемещение наносов [7].
Территория, с которой стекает вода в реку, называется водосборным бассейном данной реки. Линия, проходящая по повышенным местам и отделяющая друг от друга соседние бассейны, называется водораздельной линией.
К водосборному бассейну моря относят водосборные бассейны всех рек, впадающих в данное море.
Количество воды, протекающей через поперечное сечение водотока в 1 с, называется расходом воды Q (м3/с или л/с).
Хронологический график изменения расходов воды во времени называется гидрографом. Его строят по результатам регулярных измерений расходов воды в реке.
Суммарный объем воды, прошедший через поперечное сечение водотока от какого-либо начального момента времени t0 до некоторого конечного tк, называется стоком W.
Величина стока реки за сутки, месяц или любой другой промежуток времени, в течение которого расход воды Q, м3/с сохраняет постоянное значение, равна W= Qt, где t – число секунд в данном промежутке времени.
Энергию водотока за время t на выделенном участке реки между сечениями 1-1 и 2-2 (рисунок 10) можно определить как разность энергии потока в этих сечениях на основании уравнения Бернулли:
Эв=ρgW(Z1-Z2+p1/ρg- p2/ρg+a1V12/2g- a2V22/2g) (5)
где Эв – энергия водотока на выделенном участке, Дж;
 t – время, с; 
g – 9,81 – ускорение свободного падения м/с2;
ρ – плотность жидкости, кг/м3 (для водотоков с чистой пресной водой ρ=1000 кг/м3); 
W – объем стока воды, м3; 
Z1 и Z2 – геометрическая высота над плоскостью сравнения в сечениях 1-1 и 2-2, м; 
P1 и P2 – давление в сечениях 1-1 и 2-2, Па; 
V1 и V2 – средняя скорость воды в сечениях 1-1 и 2-2, м/с;
 a – коэффициент кинетической энергии (Кориолиса).

Рисунок 10 - Схемы естественных водоемов
Учитывая, что в естественных условиях разность кинетической энергии в сечениях 1-1 и 2-2  a1V12/2g- a2V22/2g крайне незначительна, ею можно пренебречь. Тогда для водотоков с чистой пресной водой энергию и мощность водотока можно определить по формулам
Эв = 9,81·W·Hв (6)
Эв = Nв·t  (7)
Гидроэнергетические ресурсы подразделяют на потенциальные (теоретические), технические и экономические. Потенциальные гидроэнергетические ресурсы — это теоретические запасы, определяемые по формуле:
Nв = 9,81·Q·Hв, (8)
где напор на выделенном участке Hв = Z1 – Z2 равен разности уровней (падению уровня) свободной поверхности водотока на выделенном участке реки; 
Q – средний расход реки на выделенном участке, м3/с; 
Nв – средняя мощность водотока за время t на выделенном участке, кВт.
Οʜᴎ подсчитываются в предположении, что весь сток будет использован для выработки электроэнергии без потерь при преобразовании гидравлической энергии в электрическую, ᴛ.ᴇ. коэффициент полезного действия η = 1.
Технические гидроэнергетические ресурсы всегда меньше потенциальных, так как они учитывают потери: напоров - гидравлические в водоводах, бьефах, на неиспользуемых участках водотоков; расходов - испарение из водохранилищ, фильтрацию, холостые сбросы и т.п.; энергии в оборудовании.
Οʜᴎ характеризуют техническую возможность получения энергии на современном этапе.
Экономические гидроэнергетические ресурсы — это часть технических ресурсов, которую по современным представлениям целесообразно использовать в обозримой перспективе. Οʜᴎ существенно зависят от прогресса в энергетике, удаленности ГЭС от места подключения к энергосистеме, обеспеченности рассматриваемого региона другими энергетическими ресурсами, их стоимостью, качеством и т.п. Экономические гидроэнергетические ресурсы переменны во времени и зависят от многих изменяющихся факторов. Сегодня в мире наблюдается тенденция роста оценки экономических гидроэнергетических ресурсов [6].


5. Напоры и их понятие об их расчете для гидроэлектрических станций
Статический напор Нст равен разности отметок верхнего и нижнего бьефа, м [5,6]:
Нст=Vвб - Vнб (9)
где верхний бьеф (ВБ) и нижний бьеф (НБ) – соответственно участки реки выше водоподпорного сооружения ГЭС и ниже здания ГЭС.
Напор брутто Hбр равен разности удельных энергий потока в верхнем бьефе в сечении 1–1 перед входом в водоприемник ГЭС и в нижнем бьефе в сечении 2–2 за отсасывающими трубами гидротурбин (рисунок 11), м:
Нбр =Нст+ a1V12/2g- a2V22/2g (10)

Рисунок 11 - Схема определения напоров ГЭС

На ГЭС часть энергии идет на гидравлические потери при движении воды в ее проточном тракте.
Напор нетто Н, используемый гидротурбиной, равен разности напора брутто и гидравлических потерь напора hпот (по длине и местных) в водоприемнике, подводящих и отводящих водоводах (каналах, туннелях, трубопроводах) ГЭС.

Напор нетто, действующий непосредственно на турбину, составляет:
Н=Нст – hпот (11)
На ГЭС с активными ковшовыми турбинами с выпуском воды из сопла в атмосферу имеются дополнительные потери напора hд.
Расчетный напор Нр равен минимальному напору, при котором обеспечивается установленная мощность ГЭС.
6