Водная энергия и схемы её использования

Уровень воды в реках переменный. Они стекают в Мировой океан, и уровень воды в верховьях рек выше, чем в низовьях. Перепад уровней свободной поверхности реки между двумя поперечными сечениями реки называют напором. Если некоторое сечение реки (створ) перегородить плотиной, то напор (перепад уровней) сосредоточится в створе плотины. Поток выше плотины называют верхним бьефом (ВБ), ниже плотины - нижним бьефом (НБ).

Разделив мысленно реку в нескольких створах плотинами, можно по формулам получить энергетический потенциал реки в данном створе, а просуммировав по всем створам, оценить энергетический потенциал реки.

На гидроэлектростанции большая часть воды не сбрасывается из верхнего бьефа в нижний «вхолостую», а перетекает через специальные устройства, подводящие её к турбинам. Турбина, вращаемая потоком, переводит гидравлическую энергию в механическую энергию вращения рабочего колеса турбины. Рабочее колесо турбины соединено валом с ротором генератора. В генераторе происходит преобразование механической энергии в электрическую.

Примечания:

1. Выше дана упрощенная схема подсчета энергетического потенциала реки, мощности и выработки энергии ГЭС в некотором створе с расходом Q и напором Н. Реальные расчеты несколько сложнее, так как:
- не весь напор реки удаётся использовать для получения электрической энергии, часть напора теряется при движении воды от водозабора до турбины;
- часть энергии теряется в гидроагрегате, турбина и генератор имеют свои КПД (коэффициенты полезного действия);
- не весь расход реки удается пропустить через турбины, в периоды большой приточности (высоких паводков и половодий) часть воды не удается удержать и пропустить через турбины, поскольку емкость водохранилища ограничена, и часть воды приходится сбрасывать вхолостую;
- речной сток неравномерен и меняется; в маловодные годы он меньше, в многоводные - больше, а зависимости (2.2), (2.3) записаны в предположении, что расход постоянен.

2. Если при подсчете по формулам время измерять в секундах, массу в кг, объём в м3, как это было указано выше, то мощность получим в ваттах, а выработку энергии в джоулях. В водноэнергетических расчетах удобнее измерять время в часах, и мощность в киловаттах, энергию в киловатт-часах (1 кВтч = 3,6 106 Дж). Формула при этом примет вид: N = 9,81 QH. Выше рассматривался плотинный вариант использования водной энергии, когда сосредоточенный подпор создается только плотиной. Возможна также и иная, деривационная схема. Деривация (лат.) - отвод воды от главного русла реки в сторону. При деривационной схеме из некоторого верхового створа реки с отметкой свободной поверхности УВБ забирается часть воды со среднегодовым расходом Qd и по деривационным каналам, туннелям, трубопроводам подводится к некоторому низовому створу реки с отметкой свободной поверхности УНБ.
Возможна третья, смешанная плотинно-деривационная схема, когда подпор частично создается плотиной, частично деривацией, имеющей начало в створе плотины. Более подробно типы ГЭС будут рассмотрены в главе 4.

Водноэнергетические расчеты позволяют определить основные параметры ГЭС, ее мощность, характер изменения мощности гидростанции во времени при разных режимах работы, количество вырабатываемой ею электроэнергии и, наконец, нахождение зависимости этих энергетических показателей от различных факторов - отметки подпора воды, объёма водохранилища и т.п.

Чтобы рационально использовать водные ресурсы, уметь более точно, чем было показано выше, определять энергетический потенциал водотока, запроектировать и построить ГЭС, необходимо более глубокое изучение явлений и процессов, которые возникают и протекают в водных объектах и привлечение для водноэнергетических расчетов и расчетов сооружений более сложного расчетного аппарата (расчетная схема - условное изображение сооружения, принимаемое для выполнения его расчета, чтобы существенно его упростить, принципиально не искажая действительной картины работы сооружения). Однако приведенные элементарные зависимости позволяют выполнить предварительные водноэнергетические расчеты и дать «прикидочные» оценки энергетического потенциала водотока.

На основании полученных данных для использования энергетической отдачи водотока выполняются водноэнергетические расчеты.

Следовательно, для определения мощности ГЭС должны быть предварительно найдены значения используемого ею расхода и действующего на ней напора, а также значения КПД установленных на ГЭС турбин и генераторов.

Как правило, ГЭС проектируется с устройством водохранилища, которое как мы видели, регулирует сток реки. Поэтому пределы мощности ГЭС определяются не только внешними, не зависящими от неё условиями (потребителем электроэнергии, ролью в энергосистеме и т.п.), но эти пределы зависят от принятого режима регулирования стока. В связи с этим для ГЭС, имеющих водохранилища, ставится дополнительная задача отыскания такого режима регулирования стока из неограниченно большого числа возможных вариантов, который давал бы нам больший энергетический эффект и не только на самой ГЭС, но и для энергетической системы в целом. При этом одной из важных задач является расчет режимов уровней в нижнем бьефе ГЭС и влияния их на прибрежные территории.

Таким образом, в содержание водноэнергетических расчётов входит прежде всего определение количественного значения тех элементов, от которых зависит мощность ГЭС и установление её режима работы (режим (лат.) - управление, т.е. наилучшее удовлетворение требований энергосистемы и водопользователей).

Из общего состава водноэнергетических расчётов должны выделяться те, непосредственным результатом которых являются не значения энергетических показателей ГЭС (мощность, энергия), а значения расхода, объёма и уровня водохранилища и т.п. Такого рода расчёты называются водохозяйственными. Надо особо отметить, что до последнего времени при определении режима ГЭС водохозяйственные расчёты не имели самостоятельного значения и подчинялись основной задаче нахождения энергетических показателей ГЭС. Время показало, что водохозяйственные расчёты должны приобрести равное с водноэнергетическими расчётами значение, когда это касается образования водохранилищ комплексного назначения и влияния уровней воды нижнего бьефа.

Примером перспективного направления по уменьшению влияния на прибрежные территории нижнего бьефа ГЭС является применение контр-регулирующих гидроузлов, располагающихся ниже крупной гидростанции. Контррегулирующий гидроузел позволяет сильно сглаживать колебания уровня в реке, когда крупная ГЭС ведет глубокое регулирование нагрузки в энергосистеме.

В.И. Брызгалов, Л.А. Гордон, "Гидроэлектростанции", Красноярск, 2002г.