Гидроаккумулирующие электростанции /гаэс/

Гидроаккумулирующая электростанция (схема):

а — вертикальный разрез; б — план: 1 — верхний аккумулирующий бассейн; 2 — водоприёмник; 3 — напорный водовод; 4 — здание электростанции; 5 — нижнее питающее водохранилище; 6 — плотина с водосбросом; 7 — нормальный подпорный уровень воды; 8 — уровень сработки.

Назначение - перераспределение электроэнергии, вырабатываемой другими ГЭС во времени и в соответствии с требованиями потребителей.

Принцип действия основан на ее работе в двух режимах:

• насосном

• турбинном

В насосном производится перекачка воды в вышерасположенный бассейн. В турбинном выработка энергии для подачи потребителю в часы пик.

Различают три схемы аккумулирования:

1. Простого аккумулирования – чистые ГАЭС - без притока в бассейн.

2. Смешанного типа - или ГЭС-ГАЭС, с притоком в верхний бассейн.

3. ГАЭС в системе переброски стока или ГАЭС с неполной высотой подкачки в бассейн или канал на водоразделе. Здесь раздельное расположение насосной и гидроэлектрической станций (раздельная схема).

В соответствии с периодом сработки и наполнения бассейна их именуют: ГАЭС суточного, недельного или сезонного аккумулирования.

Возможны различные варианты гидросилового оборудования:

1. Четырехмашинная схема (двигатель, насос, турбина, генератор)

2. Трехмашинная схема (двигатель-генератор, насос, турбина)

3. Двухмашинная схема (двигатель-генератор, обратимая гидромашина)

Работа ГАЭС: предназначена для работы в составе энергосистемы с другими ГЭС или с ТЭС и АЭС.

0 6 12 18 24

Суммарные колебания нагрузок ТЭС и АЭС достигает 40-50% от макс. и с ростом бытовых потребностей еще более. Поэтому:

• повышается удельные затраты топлива

• ускоряется износ и сокращение сроков амортизации оборудования

• увеличиваются затраты времени на ремонт

Работа в турбинном режиме повышает пиковые нагрузки. В то время как работа в насосном режиме загружает генераторы ТЭС и АЭС. Тем самым уменьшаются колебания нагрузки всей энергосистемы (это «трехчасовая зона» 1.5-3.0 часа) – пиковая нагрузка.

Возможна работа в восьмичасовой зоне, т.е. полупиковая часть графика (5-8 часов), это в случае если самая острая часть графика обеспечивается работой каких-либо других электростанций.

Отсюда следует возможность использования ГАЭС в аварийно-резервном режиме. Ввиду вероятности аварий на энергосистемах и ответственности таких происшествий теперь строят ГАЭС независимо от энергетической необходимости (текущей). При возникновении аварийных ситуа­ций ГАЭС включают на полную мощность в течение нескольких секунд для обеспечения энергоснабжения всей системы и обеспечения аварийных работ.

Количество ГАЭС в мире достигает около 300 шт и к I990 г их суммарная мощность достигнет 100 млн кВт. Их доля в энергосистемах США 5.6% и 4% в Западной Европе. Их единичные мощности достигают 2000 МВт. Уже проектируются на 3000-3500 МВт.

Большинство ГАЭС используют напоры 200-300 м., а в отдельных случаях 800-900 м, ГАЭС с подземными напорами достигают 1200-1500 м.

Приливные электрические станции (ПЭС)

Силы притяжения Земля-Луна-Солнце и центробежные силы создают периодические колебании уровня моря. Максимальные значения уровня в открытом океане порядка 2 метров, в заливах значительно больше: зaлив Фанди в Северной Америке - 19,6 м, в устье р. Северн /Англия/-16,З м, во Франции и Германии 14,7. В СССР В Пянжинской губе Охотского моря - II м, в Мезенском заливе Белого моря -10,2 м.

Если отделять залив от моря, то в определенные промежутки времни уровни воды в заливе будут отличаться от уровня моря.

Принцип работы:

Пусть турбины работают при течении воды из бассейна. В момент времени Та водопропускные отверстия открываются, вода поступает в бассейн, турбины стоят. В момент Тб отлив уже начался – уровни одинаковые – затворы закрываются. В Тв турбины начинают работать (при мин. Н).В Тг турбины останавливаются - уровень почти равен морю. В Та – начало цикла наполнения. Это однобассейновая схема ПЭС одностороннего действия.

Недостаток - выработка энергии только Тв, Тг, а остальное – ожидание.

При двухстороннем действии - энергия вырабатывается и при наполнении бассейна.

Возможна насосная подкачка воды при обратимых агрегатах. Главное препятствие - прерывистость во времени 12ч.55мин, т.е. сдвиг во времени каждые сутки 50 мин. Предлагают схемы с двумя, тремя и более бассейнами ,но это очень дорого, т.е. они неконкурентноспособны.

Сейчас только две :

• у нас - Кислогубская 1,14- км кв.

• Во Франции - Ране в устье Роны (Ла-Манш)

Гидротехнические затворы

Гидротехнический затвор, как указывалось, является по­движной водонепроницаемой конструкцией, перекрывающей как водосливные, так и донные отверстия плотин, водосбросов, водо­спусков и водозаборных сооружений. Затворы служат для регу­лирования уровня воды в н. б., пропуска расходов воды, нано­сов, льда и различных плавающих тел из в. б. в н. б. Основное требование, предъявляемое к гидротехническому затвору-— готовность всегда к действию, т. е. к полному или частичному покрытию или закрытию перекрываемого отверстия.

Для большинства гидротехнических затворов характерны следующие конструктивные элементы.

Обшивка — обычно непосредственно воспринимает давление поды к передает его с помощью вспомогательной балочной сети па несущую конструкцию. В простейших затворах обшивка от­сутствует, в других типах она сама является несущей конструк­цией. Выполняют обшивку обычно из листовой стали.

Несущая конструкция передает псе давление воды на опорные части затвора и состоит из горизонтальных балок-ри­гелей.

Опорные части затвора — передают давление воды ста по­стоянные неподвижные части плотины (бычки, устои, флютбет) и обеспечивают правильное движение затвора в процессе манев­рирования им.

Уплотняющие устройства — служат для предотвращения уте­чек воды из в. б. в п .6. через зазоры между затворами и непод­вижными частями гидротехнического сооружения или между затворами (при сдвоенных затворах).

Связи жесткости — обеспечивают пространственную неизме­няемость конструкции затвора.

Подвесные устройства — предназначаются для соединения затвора с тягами подъемного механизма, а также подцепами для временной подвески затвора на неподвижных частях соору­жения.

В состав устройств, обеспечивающих закрытие водопропуск­ных отверстий гидротехнических сооружений, входят также подъемные механизмы—краны или лебедки (включая тяги и противовесы) в гидротехнических затворах с механическим при­водом или аппарат управления в затворах-автоматах гидравлического действия и служебный мост для размещения подъемных механизмов и обеспечения эксплуатационных нужд.

Конструкции гидротехнических затворов разделяют по ряду следующих основных признаков;

— по месту расположения в сооружении или по виду пере­крываемых отверстий различают поверхностные, перекрываю­щие отверстия водосливных плотин, водозаборных и других гид­ротехнических сооружений, и глубинные, перекрывающие глу­бинные отверстия тех же сооружений;

— по назначению и условиям работы затворы делят на основные, постоянно работающие при эксплуатации гидротех­нических сооружений для управления уровнями и расходами воды, для пропуска судов, леса, льда, наносов; ремонтные, уста­навливаемые на период осмотра и ремонта основных затворов •или подводных элементов водопропускных устройств (труб, тун­нелей и т. п.); аварийные, применяемые для быстрого перекры­тия отверстий в случае аварии основного затвора; аварийные, выполняющие функции ремонтных и называемые аварийно-ре­монтными; строительные, используемые для временного перекры­тия водосбросных отверстий в период строительства сооружения;

-- по виду движения различают затворы с поступательным линейным перемещением вверх и вниз (шандоры, плоские скользящие, катковые и колесные, двигающиеся на специальных катках или колесах), с вращательным движением вокруг горизонтальной оси (сегментные, секторные, крышевидные, клапанные мостовые), с вращательным движением вокруг вертикальной оси (порота судоходных шлюзов, вертикальные цилиндрические пли бочарные затворы), с комбинированным (вращательно-поступательным) движением (вальцовые, т. е. цилиндрические затворы), свободно плавающие затворы;

-- по способу передачи гидростатического давления па по­стоянные части напорных гидротехнических сооружений гидро­технические затворы делят на передающие давление воды на быки и устои (шапдоры, все плоские затворы, сегментные и цилиндрические затворы), передающие давление на всю напорно-водосливную часть плотины (секторные, сегментные — опускные, крышевядпые, клапанные—плоские поворотные за­творы и др.), передающие давление воды на напорно-водослив­ную и водобойную части плотины (мостовые, плоские поворот­ные и плавучие-—батопорты--затворы);

— по способу маневрирования затворы бывают с ручным маневрированием (опускаются и поднимаются вручную), с ме­ханическим подъемом с помощью лебедок с электроприводом или ручных, портальных (козловых) и мостовых кранов с элек­троприводом, гидравлического действия, для маневрирования которыми используется действующее па них гидростатическое давление;

— в зависимости от материала, из которого их изготовляют.

Тип гидро­технического затвора выбирают в зависимости от размеров водопропускных отверстий, их назначения и условий работы. Вода с помощью затворов поверхностного типа может пропускаться, из-под затвора, поверх него, одновременно из-под затвора и по­верх него, а также при полностью поднятом затворе.

Размеры гидротехнических затворов назначают исходя из размеров прямоугольных водопропускных отверстий, сообра­зуясь с типовыми размерами их ширин.

Пропускная способность водосбросных отверстий всех гидро­технических сооружений определяется гидравлическим расчетом на основании данных, полученных в результате гидрологических и водохозяйственных расчетов.

Водосбросные отверстия обычно рассчитывают на максимальный расход паводка или половодья. На основании многолетнего изучения расходов и частоты паводков или путем определяют расчетную величину расхода наибольший расход реки, который, по всей вероят­ности, не будет превзойден за время эксплуатации сооружения. Рассчитав, какая часть расхода в момент прохождения наиболь­шего паводка (половодья) пойдет на наполнение водохрани­лища и какая будет использована в это время в водохозяйствен­ных целях (гидроэнергетика, шлюзование, орошение, водоснаб­жение), находят величину сбросного расхода, который надо пропустить через водосбросное сооружение. Пропускная способ­ность водосбросов должна быть не меньше, чем найденная вели­чина сбросного расхода.

Выбор расчетной обеспеченности сбросного расхода, определение его величины и гидравлический расчет водосбросных отверстий являются ответственнейшим этапом проектирования. В нем большая роль принадлежит гидрологу.

Водосливные отверстия в зависимости от соотношения на­пора на их пороге и ширины последнего рассчитывают как водо­сливы с широким порогом или практического профиля (поли­гональный, криволинейный).

Максимальный напор на пороге водосливных отверстий не должен быть значительным (больше 10 м), чтобы не создавать большой удельный расход и не вызывать на водосливной части пульсаций, влекущих за собой появление вибрационных сил, отрицательно действующих на тело бетонных плотин.

В русловых водохранилищах ширина водосливного фронта F водосбросных отверстий плотин, если они предназначены и для сброса льда, принимается не меньше 50—/Ч)% ширины зеркала реки в в. б. Для того чтобы упростить и облегчить конструкцию затворов и их подъемных механизмов, иметь возможность про­пускать через плотину различные расходы воды при данном подпорном уровне, не срабатывая при этом значительно запасов воды в водохранилище, пропускать через плотину лед в пе­риод ледохода, не допуская при этом ледяных заторов и опас­ных навалов льда, водосливной фронт плотины разбивают с по­мощью бычков на отдельные отверстия. Минимальная ширина каждого из отверстий плотины па средних и больших реках, необходимая для беспрепятственного пропуска льда, в южных районах не менее 10 м, а в северных районах не менее 25 м.

Задача выбора числа и размеров водосбросных отверстий и типа затворов решается путем технико-экономического сравне­ния ряда вариантов, основанного на всестороннем учете гидро­логических особенностей используемой реки.

Силы и нагрузки, действующие па гидротехнические заторы, определяют в соответствии с рекомендациями СНиП и ГОСТ 3154-46, сообразуясь с которыми выполняют и расчеты их прочности.

Для предотвращения обмерзания гидротехнических затворов п уплотняющих устройствах устраивают электрообогрев. Этим обеспечивается постоянная готовность затворов к действию.

Для уменьшения или снятия нагрузки от статического давле­ния ледяного покрова перед затворами зимой искусственно образуют полыньи путем подачи в воду сжатого воздуха по всей ширине водопропускных отверстий на уровне их порога. Сжатый воздух вызывает движение наверх более теплой массы воды из глубоких слоев и таким образом предотвращает пере­охлаждение ее верхних слоев.

Важной задачей эксплуатации гидротехнических затворов является выбор такого режима маневрирования ими при сбросах воды, при котором всегда обеспечивается режим затопленного гидравлического прыжка и исключается размыв русла. Эта задача решается расчетным путем, с последующей проверкой результатов в гидравлической лаборатории на модели водо­сброса (водоспуска).