2.6. Принципиальные схемы работы ГАЭС

Гидроаккумулирующие электростанции перераспределяют во времени электроэнергию, вырабатываемую ТЭС и АЭС, работающими в базисном режиме, в соответствии с графиком нагрузки энергосистемы.

ГАЭС характеризуются работой в двух режимах: насосном и турбинном (генераторном). В насосном режиме вода из нижнего водоема перекачивается гидроагрегатами ГАЭС в верхний водоем. В насосном режиме ГАЭС обычно работает в ночной период, когда в связи со снижением нагрузки в энергосистеме имеется избыток электроэнергии, которую и потребляет ГАЭС (заполняет провальную часть суточного графика нагрузок). В турбинном режиме вода из верхнего водоема сбрасывается в нижний через агрегаты ГАЭС, а вырабатываемая электроэнергия подается в энергосистему потребителям. В турбинном режиме ГАЭС работают в периоды максимальной нагрузки в энергосистеме (обычно в часы вечернего и утреннего пиков в суточном графике нагрузок).

В современных энергосистемах, в которых основными энергоисточниками являются атомные и тепловые станции с крупными агрегатами, ГАЭС обеспечивают надежную и эффективную работу энергосистем за счет заполнения провальной части суточного графика нагрузок, обеспечивая работу агрегатов ТЭС и АЭС в базисном режиме с почти постоянной во времени мощностью; покрытия пиковой части суточного графика нагрузок; выполнения функций аварийного и частотного резерва энергосистем благодаря высокой маневренности и быстродействию.

Из всех предложенных способов аккумулирования энергии в области электроэнергетики (аккумулирование теплоты, вырабатываемой реакторами АЭС, в специальных резервуарах горячей воды или пара; воздушно-аккумулирующие газотурбинные электростанции с закачкой компрессорами воздуха под большим давлением в специальные подземные резервуары; механическое

аккумулирование энергии с использованием маховиков, разгоняемых до очень больших скоростей и помещенных в герметический корпус, где поддерживается вакуум, и др.) в настоящее время широко используется гидравлическое аккумулирование на ГАЭС, которое прошло многолетнюю проверку и является высокоэффективным.

Широкое строительство ГАЭС началось во второй половине XX в., когда стали вводиться в эксплуатацию тепловые и атомные электростанции с крупными агрегатами. Уже в 1970 г. мощность ГАЭС составила 16 млн. кВт, в 1985 г. – более 40 млн. кВт, а в 2000 г. в мире эксплуатировалось более 350 ГАЭС суммарной мощностью порядка 125 млн. кВт.

По схеме аккумулирования ГАЭС подразделяются на следующие типы (рис. 2.8):

ГАЭС простого аккумулирования, или «чистые» ГАЭС, характерным признаком которых является практически полное отсутствие притока воды в верхний водоем (рис. 2.8, а). Такая схема используется на большинстве ГАЭС, например на Киевской мощностью 230 МВт, Ладингтон (США) – 1872 МВт (рис. 2.9), строящейся Днестровской – 2270 МВт (рис. 2.10), Загорской (Россия) – 1200 МВт (рис. 2.11), Динорвик (Англия) – 1800 МВт, Tianhuangping (Китай) – 1836 МВт (рис. 2.12).

ГАЭС смешанного типа, или ГЭС-ГАЭС, с притоком воды в верхний водоем, при сработке которого в турбинном режиме обеспечивается дополнительная выработка электроэнергии (см. рис. 2.8, б).

ГАЭС с неполной высотой подкачки воды в верхний водоем. Такие ГАЭС используются при переброске стока из одной реки в другую путем закачки воды насосной станцией в верховой водоем на водоразделе и сброса ее через агрегаты ГЭС в низовой водоем на другой реке (см. рис. 2.8, в), а также при устройстве на реке двух рядом расположенных водохранилищ с перекачкой воды агрегатами ГАЭС из верхнего водохранилища на реке в самый верхний водоем, размещенный на более высоких отметках, и сбросом воды через агрегаты ГАЭС в нижнее водохранилище на реке.

Существенным преимуществом ГАЭС простого аккумулирования является возможность их строительства не только на крупных реках с использованием уже существующих водохранилищ в качестве нижнего водоема, но и вдали от крупных рек на небольших реках, где имеются благоприятные топографические условия для создания напора, вблизи от крупных ТЭС и АЭС, что позволяет повысить надежность их работы в энергосистеме, снизить затраты на сооружение ЛЭП.

Рис. 2.8. Принципиальные схемы ГАЭС: а – простого аккумулирования; б – смешанного типа; в – с неполной высотой подкачки воды; 1 – плотина; 2 – верхнее водохранилище; 3 – нижнее водохранилище; 4 – водохранилище; 5 – ГАЭС; 6 – ГЭС-ГАЭС; 7 – ГЭС; 8 – насосная станция

Рис. 2.10. Схема Днестровской ГАЭС, ГЭС 1 и ГЭС 2

Рис. 2.9. ГАЭС Ладингтон, США. Общий вид

По длительности цикла аккумулирования (периоду сработки и наполнения водоемов) ГАЭС подразделяются так:

ГАЭС суточного аккумулирования, которые применяются наиболее часто и характеризуются суточным циклом наполнения и сработки водоема.

По длительности работы в турбинном режиме их подразделяют на пиковые с работой в турбинном режиме до 5 часов в сутки и полупиковые с работой от 5 до 15 часов в сутки. Пиковые и полупиковые ГАЭС в насосном режиме работают в основном в период ночного провала в графике нагрузок в течение 6–7 часов в сутки.

ГАЭС недельного аккумулирования характеризуются закачкой в выходные дни дополнительного объема воды в верхний водоем (что позволяет в условиях снижения потребления электроэнергии в энергосистеме в эти дни уменьшить разгрузку ТЭС), который используется в рабочие дни в турбинном режиме для покрытия пиковой части суточных графиков нагрузки. При таком режиме работы требуется увеличение емкости водоемов для размещения дополнительного объема воды.

ГАЭС с сезонным циклом аккумулирования характеризуется тем, что в летний период, когда потребление электроэнергии снижается, закачивается дополнительный объем воды в верхний водоем и за счет этого в осенне-зимний период максимума нагрузки в энергосистеме увеличиваются мощность и выработка ГАЭС. Такой режим применяется крайне редко, так как требует большой емкости водоемов.

На ГАЭС применяются следующие схемы основного гидросилового оборудования:

Четырехмашинная схема, при которой имеются два отдельных агрегата – насосный и турбинный, т.е. четыре машины (насос, двигатель, турбина и генератор). Такая схема позволяет использовать преимущества работы насоса и турбины в наиболее благоприятном режиме (более высокие к.п.д. и др.), однако требует больших дополнительных капиталовложений и применяется крайне редко даже в условиях высоких напоров. Примером использования четырехмашинной схемы является ГАЭС Райсек-Крайцек (Австрия) с максимальным напором 1772 м, где установлены ковшевые турбины и многоступенчатые насосы.

Трехмашинная схема состоит из одного агрегата, включающего одну обратимую электромашину (двигатель-генератор) и две гидравлические машины – насос и турбину, с одинаковым направлением вращения в турбинном и насосном режимах. Такая схема позволяет достичь высоких к.п.д. насоса и турбины и получила распространение при высоких напорах (обычно более 300 м) с применением ковшевых турбин, например ГАЭС Вальдек II (ФРГ) мощностью 440 МВт с напором в турбинном режиме 320 м.

Трехмашинная схема применена на ГАЭС Россхаг (Австрия) с высоконапорными радиально-осевыми турбинами (напор 672 м), на ГАЭС Сан-Фиорино (Италия) с четырехступенчатыми насосами (напор 1350 м).

Двухмашинная схема состоит из одного агрегата, включающего две обратимые машины: двигатель-генератор и насос-турбину. Преимуществами двухмашинной схемы по сравнению с трехмашинной являются сокращение общей длины агрегата более чем на 30%, соответственно уменьшение габаритов здания ГАЭС и общее снижение капиталовложений в гидросиловое оборудование и строительную часть. Недостатком объединения в одной обратимой гидромашине насоса и турбины является снижение к.п.д. в связи с несовпадением зон оптимальных к.п.д. в турбинном и насосном режимах. Кроме того, в двухмашинной схеме направление вращения в турбинном и насосном режимах противоположное, из-за чего осложняется перевод из одного режима в другой и несколько снижается маневренность.

Рис. 2.12. ГАЭС Tiahuangping с подземным зданием, Китай. Общий вид

Рис. 2.11. Схема Загорской ГАЭС, Россия

Двухмашинная схема получила самое широкое распространение в мире. Такая схема применена на крупнейших ГАЭС: Ладингтон (США) мощностью 1872 МВт с напором 108 м, Бас Каунтри (США) – 2100 МВт с напором 384 м, Tianhuangping (Китай) – 1836 МВт с напором 570 м, Динорвик (Англия) – 1800 МВт с напором 505 м, Кайшядорской (Литва) – 1600 МВт с напором 111 м, Загорской (Россия) – 1200 МВт с напором 113 м, а также на строящихся в Украине Ташлыкской – 900 МВт с напором 83 м и Днестровской – 2270 МВт с напором 152 м. На всех этих ГАЭС применены обратимые радиально-осевые гидромашины.