Гидроаккумулирующие электростанции

     ГАЭС  сезонного аккумулирования закачивают воду в аккумулирующие бассейны в сезон малого энергопотребления или при наличии избыточных водных ресурсов.

     Применение  ГАЭС с длительным циклом регулирования  может быть целесообразным в энергосистемах, в которых преобладают малорегулированные ГЭС, а также в составе комплексных водохозяйственных схем.       

   По схеме основного гидросилового оборудования:

1. четырех машинная схема, имеющая отдельные насосный и турбинный агрегаты, т. е. четыре машины (двигатель, насос, турбина и генератор);
2. трехмашинная схема (двигатель-генератор, насос и турбина);
3. двухмашинная схема (двигатель-генератор и обратимая гидромашина).

     Классификация ГАЭС по напорам:

     По  напорам ГАЭС можно условно разделить на низконапорные ( до 60-80 м), средненапорные (от 80 до 200-250 м) и высоконапорные ( свыше 250 м).

     Напор ГАЭС существенно влияет и на технико-экономические  показатели, поскольку он определяет ( при равной мощности и продолжительности  цикла работы установки) объем используемой воды и, следовательно, полезные объемы бассейнов, диаметры водоводов, габариты оборудования и машинных залов.

     Минимальные напоры, используемые для целей гидроаккумулирования, не превышают несколько метров и  имеют место на приливных электростанциях.        

      ГАЭС предназначены для работы в составе энергосистемы совместно с другими гидроэлектростанциями или совместно с одной-двумя ТЭС или АЭС.  
      

     1.4 Технологические схемы

 

    Гидроаккумулирующие электростанции разделяют на ГАЭС чистого аккумулирования и ГАЭС смешанного типа. Последние в свою очередь, можно разделить на ГЭС-ГАЭС (сочетание речной и гидроаккумулирующей станций) (рис.3). 

      
 
 
 
 
 
 

    1 - объем воды, используемый  для производства  электроэнергии за  один рабочий цикл  установки; 2 – объем воды, закачиваемый за один рабочий цикл установки. (Потери воды на фильтрацию, испарение не учтены). 

    Рисунок 3 - Диаграмма соотношения объемов воды, проходящих через агрегаты, для различных типов гидравлических станций 

    Работа  ГАЭС чистого, или простого, аккумулирования, верхний бассейн которых не имеет притока воды, происходит на одном и том же объеме воды, перекачиваемом из нижнего бассейна и в срабатываемом в турбинном режиме из верхнего бассейна в нижний (рис.4). Лишь небольшие потери воды происходят в результате испарения и инфильтрации.

       

     а- с искусственными верхним и нижним бассейнами и наземным расположением сооружений; б – то же с  подземным расположением  сооружений; в –  с использованием существующего водоема  в качестве нижнего  бассейна; 1 – верхний бассейн; 2 – нижний бассейн; 3 – ГАЭС. 

     Рисунок 4 -  ГАЭС чистого  аккумулирования 

    Когда в верхний бассейн имеется  приток воды и ГАЭС может работать в турбинном режиме не только за счет насосной подкачки, но и на естественном стоке, такие установки представляют собой соединение обычной ГЭС и ГАЭС и называются ГАЭС смешанного типа, или ГЭС – ГАЭС (рис. 5).

      
 
 
 
 
 
 
 
 

    а – плотинная; б  – деривационная; в – в схеме  переброски стока; 1 – верхний бассейн; 2 – ГЭС – ГАЭС; 3 – нижний бассейн. 

    Рисунок  5 - ГАЭС смешанного типа 

    В некоторых случаях ГАЭС смешанного типа могут действовать при неполной высоте подкачки (рис. 6). При этом забор воды насосами может осуществляться не из нижнего бассейна ГАЭС, а из водотока или водоема, расположенных на более высоких отметках. Такие установки обычно применяются в схемах переброски стока. Характерным для их является раздельное расположение насосной станции и гидроэлектростанции. Обычно ГАЭС смешанного типа представляют собой обширные гидротехнические комплексы, включающие многочисленные водохранилища, туннели, насосные станции и т.д.

      
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    1 – водохранилище; 2 – насосная станция; 3 – аккумулирующий бассейн; 4 – ГАЭС. 

    Рисунок 6 -  ГАЭС с неполной высотой подкачки 

    Особый  интерес представляют ГАЭС смешанного типа в составе энергетических комплексов, включающих наряду с гидравлическими  тепловые или атомные электростанции (рис. 7).

          

    1 – верхний бассейн  (пруд-охладитель); 2 – нижний бассейн  (водохранилище); 3 - верхний  бассейн (водохранилище); 4 – верхний бассейн. 

    Рисунок 7 -  Схемы энергетических комплексов, включающих ГАЭС

     1.5 Гидросиловое оборудования

 

    По  количеству машин различают четырех-, трех- и двухмашинную схему агрегатов ГАЭС (рис.8).

          

     а – четырехмашинная; б – трехмашинная с вертикальными  агрегатами; в –  то же с горизонтальными  агрегатами; г –  двухмашинная;  1 –  электродвигатель; 2 – генератор; 3 –  обратимая электрическая машине; 4 – обратимая гидромашина; 5 – гидротурбина; 6 – насос; 7 – муфта сцепления. 

     Рисунок 8 - Схемы гидросилового оборудования ГАЭС

    Четырехмашинные схемы (рис. 8,а) превосходят остальные по количеству оборудования и требует соответственно больших объемов машинных залов, подводящих и отводящих водоводов и т.д. Подобные схемы могут рассматриваться главным образом только при раздельном расположении насосной и турбинной частей установки. В остальных случаях четырехмашинные схемы, как правило, не применяются и вытесненены значительно более рациональными трех- и двухмашинными схемами.

    Трехмашинная  схема имеет общий двигатель-генератор , турбину и насос (рис.8, б). Трехмашинные агрегаты могут изготовляться как с горизонтальным, так и с вертикальным валом.

    Трехмашинная  схема до недавнего времени была наиболее распространенной. Преимущества этой схемы: возможность подбора  турбины и насоса с наиболее благоприятными энергетическими показателями; совмещение электрических машин в единый обратимый двигатель-генератор, что не связано со значительными конструктивными осложнениями; неизменность направления вращения, что облегчает смену режимов и упрощает конструкцию подпятника.

    Недостатком трехмашинной схемы является высокая  стоимость ( по сравнению с двухмашинной) из-за наличия двух отдельных гидравлических машин (турбины и насоса) с индивидуальным подводом и отводом воды, а также отдельными запорными устройствами.

    Двухмашинную  схему оборудования, при которой на ГАЭС устанавливаются гидроагрегаты, состоящие каждый из обратимой гидромашины (насосотурбины) и реверсивной электромашины, следует считать наиболее совершенной и экономичной (рис. 8, г).Как правило, двухмашинные обратимые агрегаты имеют вертикальное расположение вала. Работа в турбинном и насосном режимах происходит при противоположном направлении вращения. Применение обратимых гидроагрегатов, исключающих ( по сравнению с трехмашинной) из состава оборудования турбину с ее трубопроводами и муфтой, существенно уменьшает объем строительных работ по зданию ГАЭС и упрощает конструктивную схему ГАЭС. Хотя стоимость обратимой гидромашины  на 40 – 50 % выше стоимости обычной гидротурбины тех же параметров и к.п.д. несколько снижается при работе в обоих режимах, общая стоимость ГАЭС при применении обратимых агрегатов существенно ниже.

     1.6 Компоновочные решения ГАЭС

 

    Взаимное  расположение основных сооружений ГАЭС определяет различные компоновочные  решения. Эти компоновки могут различаться  по расположению здания ГАЭС ( наземное, подземное и полуподземное) и  водоводов ( наземное и подземное), по использованию в качестве верхнего и нижнего бассейнов естественных (а также ранее созданных искусственных) водоемов или специально создаваемых водохранилищ, по схеме создания напора установки( плотинная, деривационная смешанная), по расположению бассейнов ГАЭС ( поверхностное или подземное). В зависимости от природных факторов, строительно-хозяйственных условий,  требований энергосистем и т.д.в различных странах выработались характерные традиционные компоновочные решения ГАЭС.

    Компоновки с искусственно созданными бассейнами на поверхности земли.

    Выбор расположения верхнего бассейна во многом зависит от его основных параметров: полезной емкости и площади акватории. Эти параметры рассматриваются  и выбираются на основании технико-экономического сопоставления вариантов.

    Верхние бассейны ГАЭС чистого аккумулирования  целесообразно создавать на участках территории с относительно ровным рельефом. Бассейны обычно сооружают в полувыемках-полунасыпях, что является экономически наиболее эффективным. Плановое очертание бассейнов по возможности должно быть близким к окружности, поскольку это сокращает периметр бассейна и снижает его стоимость за счет  уменьшения объемов насыпи, крепления откосов, дренажных устройств и т.д.

    Использование существующих водоемов в качестве бассейнов ГАЭС.

    На  сооружение верхних бассейнов затрачивается  до 30 % стоимости строительно-монтажных  работ по возведению основных сооружений. Поэтому использование существующих водоемов в качестве верхних бассейнов  может существенно улучшить технико-экономические показатели ГАЭС в целом. Важным положительным фактором при использовании существующих водоемов для целей гидроаккумулирования является повышение турбулентности водного потока при прохождении его через агрегаты ГАЭС и как следствие повышение аэрации и самоочищающей способности водотока.

    Компоновки  с подземным или  полуподземным расположением  зданий ГАЭС.

    Подземное и полуподземное расположение зданий ГАЭС обычно связано с туннельными  подводящими ( отводящими) водоводами. Такие компоновки получают в настоящее время все более широкое распространение. Этому способствует следующие преимущества подземного и полуподземного расположения зданий ГАЭС по сравнению с их наземным размещением:

    - повышение энергетических показателей за счет снижения потерь напора и улучшения работы агрегатов в переходных режимах благодаря сокращению длины подводящих водоводов, а также за счет возможности установки наиболее совершенного гидросилового оборудования, отличающегося значительным заглублением под уровень нижнего бьефа по условиям кавитации;

    - возможность более свободного выбора планового размещения сооружений;

     - максимальное сохранение естественного ландшафта и сокращение площади отчуждаемых земель;

     - снижение эксплуатационных расходов из-за большей долговечности подземных сооружений, в особенности водоводов, по сравнению с открытыми стальными трубопроводами;

     - исключение необходимости в защите зданий ГАЭС и водоводов от  лавин, камнепадов, а также от других воздействий.

    Подземное расположение основных сооружений ГАЭС связано, однако, с рядом осложнений при их строительстве и эксплуатации:

     - требуется проведение особо тщательной геологической разведки, так как неточные данные по инженерно-геологическим условиям могут привести к значительным непредвиденным затратам;

     - подземные строительно-монтажные работы требуют рабочей высокой квалификации;

     - необходимость создания нормальных условий для эксплуатационного персонала ( вентиляция, освещение, кондиционирование воздуха) приводит к некоторому увеличению стоимости эксплуатации подземных ГАЭС

    Компоновки  с подземными бассейнами.

    Устройство  искусственных нижних бассейнов  на большой глубине может быть оправдано тогда, когда отсутствует  естественные перепады рельефа,  необходимые  для создания эффективных ГАЭС, и имеются благоприятные геологические условия для устройства крупных подземных сооружений.

 

    

    Глава 2. Системное значение ГАЭС

    2.1 Энергетическая безопасность страны и роль ГАЭС в повышении живучести электроэнергетических систем

     Термин  «энергетическая безопасность» означает состояние защищенности жизненно важных «энергетических интересов» личности, общества и государства от различных угроз независимо от их характера. Подобные интересы сводятся к бесперебойному обеспечению потребителей экономически доступными топливно-энергетическими ресурсами приемлемого качества: в нормальных условиях – к обеспечению в полном объеме обоснованных потребностей; в чрезвычайных ситуациях –к гарантированному обеспечению минимально необходимого объема первоочередных, наиболее важных потребностей.