Раздел 2. Гидроэнергетические ресурсы, их использование. Принципиальные схемы, параметры, режимы работы ГЭС и ГАЭС

Усі основні типи ГЕС і їх споруди застосовуються на ГАЕС. При цьому до складу споруд ГАЕС додатково входить нижня водойма, що має необхідну корисну ємність.

ГАЕС із гребельною схемою (з русловими й пригребельними будинками), при яких греблі на річках утворюють верхню і нижню водойми, характерні для ГЕС–ГАЕС, тому що використовують приплив води у верхню водойму. ГАЕС Трумен (США) з русловим будинком має потужність 160 МВт при напорі 24 м.

Останнім часом розглядається ефективність будівництва низьконапірних ГЕС–ГАЕС із використанням оборотних капсульних агрегатів. Дослідження з роботою капсульних агрегатів у насосному режимі були проведені на Київській ГЕС (див. мал. 4.17).

Дериваційні ГАЕС одержали найзначніше поширення. У багатьох випадках в якості низової водойми використовуються природні існуючі водойми (озера, морські затоки) або створювані водоймища. Так, для Київської ГАЕС використовується Київське водосховище, для Кайшядорської ГАЕС (Литва) – Каунаське водоймище, для споруджуваної Дністровської ГАЕС – спеціально створене водоймище на р. Дністер, те ж на Загорській ГАЕС. Мал. 4.48. Дамба верхового водоймища Дністровської ГАЕС: 1 – упорна призма з каменю; 2 – залізобетонна плита по фільтруючому шару із щебеню і піску; 3 – екран із суглинку; 4 – насип з піску; 5 – насип з різнорідного ґрунту; 6 – трубчастий дренаж

Мал. 4.49. Схема протифільтраційних і дренажних заходів верхньої водойми Дністровської ГАЕС: 1 – екран із суглинку; 2 – дренажна штольня; 3 – пригребельний трубчастий дренаж; 4 – скидання із дренажів

 Мал. 4.50. Водоприймач і напірні трубопроводи Київської ГАЕС

Верхові водойми ГАЕС виконуються на високих позначках у ряді випадків шляхом огородження території дамбами (мал. 4.48). При цьому параметри верхової водойми визначаються необхідним корисним обсягом, глибиною спрацювання води, рельєфом місцевості й геологічними умовами. Для запобігання фільтрації з верхової водойми, зсувних явищ на берегових схилах звичайно по дну водойми й обгороджувальним укосам дамб виконують непроникний екран із природних ґрунтів (глин, суглинків) або штучних матеріалів (асфальтобітумних покриттів, полімерних плівок, бетону й ін.) і систему дренажів у зоні водойми й на схилах (мал. 4.49).

Мал. 4.51. Загальний вигляд споруд Загорської ГАЕС

Мал. 4.52. Поперечний розріз по спорудам Дністровської ГАЕС: 1 – напівпідземний будинок ГАЕС із розміщенням кожного агрегату в шахті (колодязі); 2 – водоприймач; 3 – напірний тунель; 4 – ВРП; 5 – низова водойма

Підведення води від водоприймача до будинку ГАЕС здійснюється, як і на ГЕС, напірними водоводами: металевими – Київська ГАЕС (мал. 4.50) або сталезалізобетонними – Загорська (мал. 4.51) і Кайшядорська ГАЕС; напірними тунелями (споруджувані Ташлицька та Дністровська ГАЕС). На мал. 4.52 дано розріз по трасі тунелів Дністровської ГАЕС.

ГАЕС із підземними басейнами поки що не одержали практичного застосування. У їх складі в якості нижньої водойми передбачається використовувати розташовані глибоко під землею штучні підземні виробки в скельних породах. Напір на таких ГАЕС може скласти 1000 м і більше.

Ефективність ГАЕС залежить від сукупності основних факторів, включаючи природні умови (у першу чергу топогеологічні умови майданчика, що визначають напір, потужність, довжину водоводів, сейсмічність та ін.); можливість використання існуючих водоймищ; розміщення в центрі навантажень енергосистеми; типи й параметри електростанцій енергосистеми; наявність ЛЕП для видачі потужності; параметри устаткування; к.к.д. циклу акумулювання.

Мал. 4.53. Поперечний розріз по будинку ГАЕС Ладингтон (США): 1 – двигун-генератор; 2 – оборотна гідромашина; 3 – камера компенсаторів трубопроводу; 4 – трансформатор; 5 – паз ремонтного затвора; 6 – паз ґрат; 7 – кран

Збільшення напору в цілому є позитивним чинником, дозволяючи зменшити обсяг водойм, габарити будинку ГАЕС, однак може призвести до подовження водоводів. ГАЕС будують як при високих, так і середніх напорах. Так, ГАЕС Гранд Мезон (Франція) потужністю 1,8 млн. кВт має напір 905 м, а ГАЕС Ладингтон (США) потужністю 2,06 млн. кВт – 107,7 м (мал. 4.53).

Як правило, сучасні ГАЕС прагнуть розмістити ближче до центру навантажень енергосистеми, у багатьох випадках поруч із потужними ТЕС і АЕС так, що ГАЕС стають їх супутниками. Наприклад, Ташлицька ГАЕС розташована поруч із Південно-Українською АЕС.

На ГАЕС верхня і нижня водойми розраховані на розміщення гідроакумулюючої ємкості. Крім того, в одній з водойм (звичайно розташованій на річці) передбачається ємкість для компенсації втрат води на випар і фільтрацію з водойм.

У будинку ГАЕС за допомогою гідросилового, електричного, механічного й допоміжного устаткування, систем керування електрична енергія, що забирається з мережі, перетворюється в механічну енергію води, яка акумулюється у верхній водоймі, а потім відбувається зворотне перетворення механічної енергії води в електричну енергію, видавану в енергосистему споживачам.

Будинки ГАЕС виконуються аналогічно будинкам ГЕС русловими, пригребельними, береговими, відкритими, підземними й напівпідземними, але мають відмінні риси, пов'язані зі складом і типом основного гідросилового устаткування, яке може виконуватися по двохмашинній, трьохмашинній і чотирьохмашинній схемам.

Будинки ГАЕС із оборотними гідроагрегатами, що складаються з насос-турбіни й двигуна-генератора (двохмашинна схема), одержали найбільш широке застосування. У таких будинках для забезпечення роботи в насосному режимі потрібне збільшення негативної висоти всмоктування НS насос-турбіни, тобто більше заглиблення робочого колеса під рівень нижнього б'єфа, що при відкритому розташуванні будинку призводить до необхідності додаткового його заглиблення в основу й збільшення висоти, але практично не впливає на конструкцію підземного будинку.

На мал. 4.53 наведений поперечний розріз по будинку ГАЕС Ладингтон (США), на мал. 4.52 – по Дністровській ГАЕС.

Мал. 4.54. Поперечний розріз по будинку ГАЕС при трьохмашинній схемі з ковшовими турбінами: 1 – машинний зал; 2 – приміщення трансформаторів; 3 – мостовий кран; 4 – відвідний від турбін лоток; 5 – підвідний до насосів водовід; 6 – багатоступінчасті насоси; 7 – ковшова турбіна; 8 – двигун-генератор; 9 – приміщення кульових затворів; 10 – кульові затвори

 Кайшядорська (Круонісська) ГАЕС (Литва)

Будинки ГАЕС із трьохмашинними агрегатами, що складаються з насоса, турбіни й двигуна-генератора, звичайно застосовуються при напорах більше 300 м з використанням ковшових і радіально-осьових турбін. У таких будинках насоси завжди розміщуються нижче турбін, завдяки чому забезпечується більша негативна висота всмоктування насосів. На мал. 4.54 наведено поперечний розріз по підземному будинку з ковшовими турбінами, робочі колеса яких розташовані вище максимального рівня води у безнапірному відвідному тунелі. Нижче ковшових турбін розташовані багатоступінчасті насоси й приміщення для їх обслуговування.

Будинки ГАЕС із чотирьохмашинними агрегатами, що складаються з насоса, турбіни, двигуна й генератора, застосовуються вкрай рідко при високих напорах, що пов'язане зі збільшенням габаритів будинку, відповідно обсягів робіт і вартості.

Будівництво Загорської ГАЕС-2 (вигляд на полки напорних водоводів з котлована будівлі ГАЕС-2), Росія 

Будівництво Загорської ГАЕС-2 ведеться на річці Кунья в Сергієво-Посадському районі Московської області поблизу діючої Загорської ГАЕС. Проектна потужність – 840 МВт. Першу чергу Загорської ГАЕС-2 (420 МВт) планують ввести в експлуатацію в 2012 р., повністю будівництво передбачається завершити в 2014 р.