Розділ 2. Гідроенергетичні ресурси, їх використання. Принципові схеми, параметри, режими роботи ГЕС і ГАЕС

Гідроакумулюючі електростанції перерозподіляють у часі електроенергію, що виробляється ТЕС і АЕС, які працюють у базовому режимі, у відповідності з графіком навантажень енергосистеми.

ГАЕС характеризуються роботою у двох режимах: насосному та турбінному (генераторному). У насосному режимі вода з нижньої водойми перекачується гідроагрегатами ГАЕС у верхню водойму. У насосному режимі ГАЕС зазвичай працює у нічний період, коли в зв'язку зі зниженням навантаження в енергосистемі є надлишок електроенергії, яку й споживає ГАЕС (заповнює провальну частину добового графіку навантажень). У турбінному режимі вода з верхньої водойми скидається у нижню через агрегати ГАЕС, а вироблювана електроенергія подається в енергосистему споживачам. У турбінному режимі ГАЕС працюють у періоди максимального навантаження в енергосистемі (зазвичай у години вечірнього та ранкового піків у добовому графіку навантажень).

У сучасних енергосистемах, в яких основними енергоджерелами є атомні та теплові станції з великими агрегатами, ГАЕС забезпечують надійну та ефективну роботу енергосистем за рахунок заповнення провальної частини добового графіку навантажень, забезпечуючи роботу агрегатів ТЕС і АЕС у базовому режимі з майже постійною у часі потужністю; покриття пікової частини добового графіку навантажень; виконання функцій аварійного й частотного резерву енергосистем завдяки високій маневреності й швидкодії.

З усіх запропонованих способів акумулювання енергії в області електроенергетики (акумулювання тепла, виробленого реакторами АЕС, у спеціальних резервуарах гарячої води або пари; газотурбінні електростанції, повітряноакумулюючі, із закачкою компресорами повітря під великим тиском в спеціальні підземні резервуари; механічне акумулювання енергії з використанням маховиків, які розганяються до великих швидкостей та влаштованих в герметичний корпус, де підтримується вакуум, та ін.) наразі використовується гідравлічне акумулювання на ГАЕС, що пройшло багаторічну перевірку і є високоефективним.

Широке будівництво ГАЕС почалося в другій половині XX ст., коли стали вводитись в експлуатацію теплові та атомні електростанції з великими агрегатами. Вже у 1970 р. потужність ГАЕС склала 16 млн. кВт, у 1985 р. – більш 40 млн. кВт, а у 2000 р. у світі експлуатувалося більше 350 ГАЕС сумарною потужністю біля 125 млн. кВт.

За схемою акумулювання ГАЕС підрозділяються на наступні типи (мал. 2.8):
Мал. 2.8. Принципові схеми ГАЕС: а – простого акумулювання; б – змішаного типу; в – з неповною висотою підкачування води; 1 – гребля; 2– верхнє водоймище; 3 – нижнє водоймище; 4 – водоймище; 5 – ГАЕС; 6 – ГЕС–ГАЕС; 7 – ГЕС; 8 – насосна станція

Мал. 2.9. ГАЕС Ладингтон, США. Загальний вигляд

Мал. 2.10. Схема Дністровської ГАЕС, ГЕС 1 і ГЕС 2

ГАЕС простого акумулювання, або «чисті» ГАЕС, характерною ознакою яких є практично повна відсутність припливу води у верхню водойму (мал. 2.8, а). Така схема використовується на більшості ГАЕС, наприклад на Київській потужністю 235 МВт, Ладингтон (США) – 1872 МВт (мал. 2.9), Дністровській – 2270 МВт (мал. 2.10), Загорській (Росія) – 1200 МВт (мал. 2.11), Динорвик (Англія) – 1800 МВт, Tianhuangping (Китай) – 1836 МВт (мал. 2.12).

ГАЕС змішаного типу, або ГЕС–ГАЕС, із припливом води у верхню водойму, при спрацюванні якої у турбінному режимі забезпечується додаткове вироблення електроенергії (див. мал. 2.8, б).

ГАЕС із неповною висотою підкачування води у верхню водойму. Такі ГАЕС використовуються при перекиданні стоку з однієї ріки в іншу шляхом накачування води насосною станцією у верхову водойму на вододіл та скидання її через агрегати ГЕС у низову водойму на іншій річці (див. мал. 2.8, в), а також при влаштуванні на річці двох поряд розташованих водоймищ із перекачуванням води агрегатами ГАЕС із верхнього водоймища на річці в найвищу водойму, розміщену на більш високих відмітках, і скиданням води через агрегати ГАЕС у нижнє водоймище на річці.

Істотною перевагою ГАЕС простого акумулювання є можливість їх будівництва не тільки на великих річках з використанням уже існуючих водоймищ як нижньої водойми, але й вдалині від великих річок на невеликих річках, де є сприятливі топографічні умови для створення напору, поблизу від великих ТЕС і АЕС, що дозволяє підвищити надійність роботи в енергосистемі, знизити витрати на спорудження ЛЕП.

За тривалістю циклу акумулювання (періоду спрацювання та наповнення водойм) ГАЕС підрозділяються так:

ГАЕС добового акумулювання, які застосовуються найчастіше та характеризуються добовим циклом наповнення та спрацювання водойми.

За тривалістю роботи у турбінному режимі їх підрозділяють на пікові з роботою у турбінному режимі до 5 годин на добу й напівпікові з роботою від 5 до 15 годин на добу. Пікові та напівпікові ГАЕС у насосному режимі працюють в основному у період нічного провалу в графіку навантажень протягом 6–7 годин на добу.

ГАЕС тижневого акумулювання характеризуються накачуванням у вихідні дні додаткового обсягу води у верхню водойму (що дозволяє в умовах зниження споживання електроенергії в енергосистемі в ці дні зменшити розвантаження ТЕС), яка використовується в робочі дні у турбінному режимі для покриття пікової частини добових графіків навантаження. При такому режимі роботи потрібне збільшення ємності водойм для розміщення додаткового обсягу води.

ГАЕС із сезонним циклом акумулювання характеризується тим, що у літній період, коли споживання електроенергії знижується, накачується додатковий обсяг води у верхню водойму й за рахунок цього в осінньо-зимовий період максимуму навантаження в енергосистемі збільшуються потужність і вироблення ГАЕС. Такий режим застосовується вкрай рідко, тому що вимагає великої ємності водойм.

На ГАЕС застосовуються наступні схеми основного гідросилового устаткування:

Чотирьохмашинна схема, при якій є два окремі агрегати – насосний і турбінний, тобто чотири машини (насос, двигун, турбіна та генератор). Така схема дозволяє використовувати переваги роботи насоса та турбіни в найбільш сприятливому режимі (більш високі к.к.д. та ін.), однак вимагає більших додаткових капіталовкладень і застосовується вкрай рідко навіть в умовах високих напорів. Прикладом використання чотирьохмашинної схеми є ГАЕС Райсек–Крайцек (Австрія) з максимальним напором 1772 м, де встановлені ковшові турбіни та багатоступінчасті насоси.

Трьохмашинна схема складається з одного агрегату, що включає одну оборотну електромашину (двигун-генератор) і дві гідравлічні машини – насос і турбіну, з однаковим напрямком обертання в турбінному й насосному режимах. Така схема дозволяє досягти високих к.к.д. насоса та турбіни і одержала поширення при високих напорах (звичайно більше 300 м) із застосуванням ковшових турбін, наприклад ГАЕС Вальдек II (ФРН) потужністю 440 МВт із напором у турбінному режимі 320 м.

Трьохмашинна схема застосована на ГАЕС Россхаг (Австрія) з високонапірними радіально-осьовими турбінами (напір 672 м), на ГАЕС Сан-Фіорино (Італія) із чотириступінчастими насосами (напір 1350 м).

Двохмашинна схема складається з одного агрегату, що має дві оборотні машини: двигун-генератор і насос-турбіну. Перевагами двохмашинної схеми в порівнянні із трьохмашинною є скорочення загальної довжини агрегату більш ніж на 30%, відповідно зменшення габаритів будинку ГАЕС і загальне зниження капіталовкладень у гідросилове устаткування та будівельну частину. Недоліком об'єднання в одній оборотній гідромашині насоса та турбіни є зниження к.к.д. у зв'язку з розбіжністю зон оптимальних к.к.д. у турбінному та насосному режимах. Крім того, у двохмашинній схемі напрямок обертання в турбінному та насосному режимах протилежний, через що ускладнюється перевід з одного режиму в інший і трохи знижується маневреність.

Мал. 2.11. Схема Загорської ГАЕС, Росія

Мал. 2.12. ГАЕС Tiahuangping з підземним будинком, Китай. Загальний вигляд

Двохмашинна схема одержала найширше поширення у світі. Така схема застосована на найбільших ГАЕС: Ладингтон (США) потужністю 1872 МВт із напором 108 м, Бас Каунтрі (США) – 2100 МВт із напором 384 м, Tianhuangping (Китай) – 1836 МВт із напором 570 м, Динорвик (Англія) – 1800 МВт із напором 505 м, Кайшядорській (Литва) – 1600 МВт із напором 200 м, Загорській (Росія) – 1200 МВт із напором 113 м, а також на споруджуваній в Україні Ташлицькій – 900 МВт із напором 83 м і Дністровській – 2270 МВт із напором 152 м. На всіх цих ГАЕС застосовані оборотні радіально-осьові гідромашини.