Гидростанции и турбины

Гидроэнергетике, на наш взгляд, сегодня уделяют незаслуженно мало внимания - несмотря на то, что ГЭС относятся к сверхпопулярным ныне возобновляемым источникам энергии и при этом с успехом держат базовую нагрузку в электрических сетях. Редакция «Энерговектора» решила восполнять очевидный пробел, начав с рассказа об основах гидроэнергетики.

Согласно классификации по установленной мощности, ГЭС делятся на мощные (250 МВт и выше), средние (до 25 МВт) и малые (до 5 Мвт). По идеологии построения принято деление на следующие три вида.

Русловые ГЭС

На равнинных реках при небольшом напоре воды сооружают русловые гидроэлектростанции (рис. 1.). У русловой ГЭС здание с размещёнными в нём гидроагрегатами служит продолжением плотины и вместе с ней создаёт напорный фронт. При этом с одной стороны к зданию примыкает нижний бьеф, а с другой - верхний. Для русловых ГЭС характерны напоры воды до 30-40 м.

В зависимости от назначения гидроузла в его состав также могут входить судоходные шлюзы и судоподъёмник, рыбопропускные сооружения, водозаборные системы для ирригации и водоснабжения. Иногда единственным сооружением, пропускающим воду, является здание ГЭС.

Приплотинные ГЭС

При высоких напорах воды, превышающих 30-40 м, нецелесообразно нагружать здание ГЭС гидростатическим давлением воды. В этом cлучае применяют приплотинные ГЭС, у которых напорный фронт на всём протяжении перекрывается плотиной, а здание ГЭС распологается за ней и примыкает к нижнему бьефу (рис. 2).

Между верхним и нижним бьефами приплотинных ГЭС располагают гидравлические трассы, включающие глубинный водоприёмник с мусорозадерживающей решёткой, турбинный водовод, спиральную камеру, отсасывающую трубу.

В состав гидроузла могут входить судоходные сооружения и рыбоходы, а также дополнительные водосбросы.

Деривационные ГЭС

Деривация - это искусственный водовод, выполняемый в виде открытого канала, туннеля или трубопровода. На реках с большими уклонами, в горных и предгорных районах, чаще всего сооружают именно деривационные ГЭС (рис. 3). Напор воды в них создаётся за счёт использования естественного перепада уровней водотока.

Состав основных сооружений для деривационных ГЭС существенно иной, чем для плотинных. Из деривации вода по напорным трубопроводам поступает к турбинам ГЭС. В ряде случаев для смягчения возможных гидравлических ударов сооружают уравнительный резервуар. Деривация может быть напорной и безнапорной. Во втором случае она используется для наполнения напорного бассейна.

Водяные турбины

Основной рабочий орган гидротурбины - это рабочее колесо. Оно преобразует энергию потока во вращательное движение. По принципу действия гидротурбины делятся на активные и реактивные. В активных гидротурбинах к рабочему колесу вода подводится через сопла, в реактивных - через направляющий аппарат. В активной гидротурбине вода перед рабочим колесом и за ним имеет одинаковое давление, равное атмосферному (но разные скорости движения). В реактивной гидротурбине давление воды перед рабочим колесом больше атмосферного, а за ним может быть как больше, так и меньше его.

Большинство гидротурбин - реактивные, из активных широкое распространение получили только ковшовые, использующиеся в специфических условиях - при очень высоких напорах.

Следующий способ классификации гидротурбин - по ориентации вала. Чаще всего встречаются гидротурбины с вертикальным валом. По ряду причин технического и экономического характера горизонтальное расположение вала применяется в первую очередь на малых ГЭС.

На практике наиболее широко используют классификацию по конструкции рабочего колеса. По этому признаку различают осевые турбины (пропеллерные, поворотно-лопастные, двухперовые), радиально-осевые, диагональные и ковшовые.

Рабочее колесо пропеллерной турбины напоминает гребной винт судна, укреплённый на вертикальном валу. Оно состоит из толстой втулки, к которой жёстко прикреплены несколько лопастей («крыльев»).

Пропеллерные водяные турбины быстроходны, просты и дёшевы, а потому широко применяются на малых ГЭС. Однако у них есть существенный недостаток: при снижении расхода воды КПД турбины существенно падает. Этого недостатка лишены поворотно-лопастные турбины.

Поворотно-лопастная турбина, как можно понять из названия, имеет лопасти, которые могут поворачиваться с помощью специального механизма, находящегося во втулке рабочего колеса. При регулировании расхода воды их поворачивают одновременно с лопатками направляющего аппарата, чтобы поддерживать оптимальный угол набегания воды на вращающиеся лопасти и, следовательно, высокий КПД (рис. 4).

Поворотно-лопастные турбины обычно применяются при малых напорах и относительно больших расходах воды, что характерно для крупных российских равнинных ГЭС. Турбины такого типа установлены, например, на Цимлянской ГЭС.

Радиально-осевая турбина используется при больших напорах и напоминает колесо старой водяной мельницы, заключённое в спиральную камеру.

Мировой рекордсмен

Крупнейшей гидроэлектростаницией в мире по всем показателям считается ГЭС «Санься» («Три ущелья») в Китае. Станция, строительство которой началось в 1992 г. и было полностью завершено в 2012 г., расположена в провинции Хубэй, на реке Янцзы (рис. 5). В состав сооружений ГЭС входят: гравитационная бетонная плотина длиной 2309 м и высотой 181 м, три приплотинных здания ГЭС (левобережное с 14 гидроагрегатами, правобережное с 12 гидроагрегатами, а также подземное правобережное с 6 гидроагрегатами), двухниточный пятиступенчатый судоходный шлюз, а также судоподъёмник.

Мощность ГЭС, равная 22,4 ГВт, складывается из мощностей 32 радиально-осевых гидроагрегатов мощностью по 700 МВт (из расчёта на напор 80,6 м). На станции также имеются два гидрогенератора мощностью по 50 МВт, предназначенные для собственных нужд.

Напорный уровень в течение года изменяется от 79 до 109 м, максимум достигается в сезон летних муссонов. Проход судов через пятиступенчатый шлюз занимает около четырёх часов. Для пассажирских судов массой до 3000 т предусмотрен сухой судоподъёмник, справляющийся с задачей за 30 мин.