2. Гидравлические электрические станции (гэс).

Основой изучения работы ГЭС, преобразующих энергию воды в электрическую энергию, является наука, называема я гидравликой. ГЭС преобразуют энергию водяных потоков в электрическую энергию. Первичными двигателями на этих станциях служат гидравлические турбины, приводимые в движение потоком воды. Они вращают ротор генераторов. Плотина создает необходимый напор – разность уровней между участком реки выше плотины – это верхний бьеф и участком реки ниже плотины – нижний бьеф.

Приближенно, мощность ГЭС Р (кВт), определяется расходом воды Q(м3/с), высотой между уровнем воды в верхнем и нижнем бьефе Н (м)

(12-2)

η –коэффициент полезного действия

Напор Н увеличивают в равнинных реках с помощью плотины (рис.146 а), а в горных местностях строят специальные обводные каналы, называемые деривационными (рис.146 б).

а б

Рис. 146 Схема создания напора с помощью плотины(а).Схема деривационной ГЭС(б).

В ковшовой турбине (рис. 147) потенциальная энергия гидростатического давления в сопле полностью превращается в кинетическую энергию движения воды (рис.147а). Рабочее колесо турбины выполняется в виде диска (рис. 147б), по окружности которого расположены ковшеобразные лопасти. Вода, огибая поверхности лопастей, меняет направление движения. При этом возникают центробежные силы, действующие на поверхности лопастей, и энергия движения воды преобразуется в энергию, вращения колеса турбины. Если скорость движения воды, вытекающая из турбины равна нулю, то вся кинетическая энергия превращается в механическую энергию турбины.

Внутри сопла расположена, регулирующая игла, перемещением которой меняется выходное сечение сопла, а следовательно, и расход воды.

Рис. 147 Схема работы активной турбины: 1- верхний бьеф, 2- водовод, 3 – сопло, 4 – рабочее колесо, 7- лопасти ковша.

Гидротурбина, гидравлическая турбина, водяная турбина, ротационный двигатель – преобразует механическую энергию воды в энергию вращения вала. На валу турбины находится ротор генератора. Основным рабочим органом турбины, в котором происходит преобразование энергии, является рабочее колесо (рис.148). Вода подводится к рабочему колесу через сопла. Регулирование мощности осуществляется поворотом лопаток турбины.

Рис. 148 Схема активной гидротурбины: а) рабочее колесо, б) сопла.

Рис. 149 Схема плотинной ГЭС

На ГЭС (рис.149) турбина и генератор связаны общим валом. Частоты их вращения не могут выбираться произвольно. Они зависят от числа пар полюсов ротора генератора и частоты переменного тока, которая должна соответствовать стандартной. Чтобы получить скорости агрегатов близкие к оптимальным, при больших напорах воды, используют турбины с малым значением быстроходности.

Гидрогенератор Красноярской ГЭС (всего генераторов 12шт) ( технические данные)

Диаметр ротора – 16,1 м. Длина сердечника ротора – 1,75м.

Число полюсов – 64шт (р=32). Скорость ротора – 93,8об/мин.

Мощность одного генератора -500МВт. Выходное напряжение – 15,8КВ.

Коэффициент мощности –cosφ=0,85. КПД – 98,2%

Масса генератора – 1650тонн

ГЭС исключительно экономична в эксплуатации. Цена 1КВт-часа в 5-6 раз дешевле, чем на ТЭС.

Крупнейшие ГЭС России-

Усть – Илимская (р. Ангара)– 4320МВт; Братская (р.Ангара) – 4500МВт;

Красноярская (р.Енисей) – 6000МВт; Саяно – Шушенская (р.Енисей) – 6400Мвт.

В приплотинных ГЭС здание, в котором размещаются гидрогенераторы, строится вблизи плотины на берегу или же в самом теле плотины. У деривационных ГЭС плотина перегораживает реку на некотором расстоянии от здания станции, и вода подается в турбины через водоводные каналы.

Характерным для ГЭС является непостоянство стока вода в течение года, а следовательно и вырабатываемой гидроэнергии. Для регулирования стока сооружают искусственное водохранилище выше гидростанции по течению реки. Возможно регулирование суточное – в часы малой нагрузки генераторов (например, ночью) вода накапливается в водохранилище, в часы большой нагрузки накопленный запас воды расходуется. Регулирование стока может быть и годовым (накопление воды во время паводка) и даже многолетним. Оно тем совершеннее, чем больше объем водохранилища. Вода из водохранилища может использоваться для орошения засушливых территорий, а подъем воды, создаваемый плотиной вплоть до верховий реки, существенно улучшает условия для судоходства.