Книга адресована специалистам-гидроэнергетикам, персоналу гаэс, проектировщикам, преподавателям и студентам гидроэнергетических специальностей. Может быть полезна также специалистамэнергетикам

Рис. 8.3. Варианты компоновок гидроузлов ГАЭС и энергокомплексов с подземными машинными зданиями:
а – «наземно-подземный» энергокомплекс; б – «морской-островной» энергокомплекс; в – «морской-береговой» энергокомплекс; г – подземный гидроузел ГАЭС Каплина (Югославия):
1 и 2 – верхнее и нижнее водохранилища; 3 – машинное здание ГАЭС; 4 и 5 – верхнее и нижнее водозаборно-выпускные сооружения; 6 – уравнительный резервуар;
7 – напорные водоподводяще-отводящие водоводы; 8 – АЭС
Наземные машинные здания ГАЭС мало отличаются от анало гичных зданий ГЭС и они, как правило, применяются при компо новках, предусматривающих наземное (открытое) расположение напорных трубопроводов. Примером могут служить машинные здания Загорской ГАЭС в России, Круонисской ГАЭС в Литве и др.
Машинные здания полуподземного (заглубленного) типа применяются в случае заглубления напорных трубопроводов относительно земной поверхности и при необходимости обеспечения превышения уровня воды в нижнем бьефе над рабочим колесом насосотурбины для ослабления кавитационных процессов.
Более подробная информация о конструкциях машинных зданий ГАЭС приведена в гл. 9.
Напор, расход воды, потребление и выработка электроэнергии ГАЭС за отдельные интервалы времени зависят от принятой продолжительности цикла аккумулирования, а в пределах этого цикла – от величины включенной мощности и продолжительности ее работы в режимах заряда и разряда каждого цикла аккумулирования. В процессе работы ГАЭС в любом из активных (турбинном или насосном) режимов, в отличие от обычной ГЭС, происходит непрерывное изменение напора. Эти изменения обусловлены одновременностью сработки одного и наполнения другого бассейна в каждом режиме работы. Наибольшие изменения напора характерны для ГАЭС, бассейны которых имеют сравнительно небольшую площадь водной поверхности при значительных глубинах бассейнов.
Как указывалось выше, по длительности цикла аккумулирования различают ГАЭС с суточным, недельным и сезонным (годичным) аккумулированием.
ГАЭС чаще всего строятся для суточного аккумулирования электроэнергии. При суточном аккумулировании ГАЭС в турбинном режиме работает в часы повышенных нагрузок энергосистемы или в случае ее привлечения к оперативному резервированию. Длительность работы ГАЭС в турбинном режиме (в пересчете на одновременную работу всех агрегатов) обычно составляет 4–5 ч, а в насосном режиме – 6–8 ч. В остальное время суток в большинстве случаев в зависимости от режимов энергосистемы целесообразна работа ГАЭС в режиме СК – с целью регулирования напряжения и снижения потерь в электрических сетях. При этом ГАЭС представляет собой быстродействующий резерв активной мощности энергосистемы.
Недельное аккумулирование с повышенной выработкой электроэнергии в рабочие дни требует большой емкости бассейнов ГАЭС и поэтому оказывается возможным и целесообразным только в тех случаях, когда имеются благоприятные топографические условия для создания бассейнов необходимого объема.
Снижение электропотребления в нерабочие сутки улучшает условия заряда ГАЭС и делает ее в этом режиме более востребованной, так как вместе с уменьшением максимума дневной нагрузки увеличивается ее ночной провал, и сведение баланса мощности и энергии в это время вызывает еще большие затруднения, чем в часы минимума нагрузки рабочих суток.
Кроме улучшения условий заряда ГАЭС в ночное время выходных суток иногда имеется возможность осуществлять заряд также и в часы дневного снижения нагрузки между ее утренними и вечерними пиками. При этом в выходные и праздничные дни, как правило, уменьшается время использования ГАЭС в турбинном режиме, вплоть до того, что разряд вообще может не производиться. Покрытие же пиковой нагрузки в эти дни может осуществляться за счет гидроагрегатов ГЭС и увеличения нагрузки включенного теплового оборудования.
Накопленная за выходные дни электроэнергия может дополняться зарядом ГАЭС в ночные часы рабочих дней, что приводит к возможности сочетания недельного и суточного циклов аккумулирования. Если заряд ГАЭС в выходные дни ведется ночью и днем с перерывом на время прохождения максимума нагрузки, то общее время заряда может составить 40–50 ч. При этом разряд ГАЭС за каждый из пяти рабочих дней достигнет 5–6 ч в сутки, что вполне сопоставимо со временем разряда ГАЭС суточного регулирования.
Режим работы и соответствующие требования к емкости бассейнов ГАЭС недельного регулирования различаются следующим образом:
с зарядом в течение трех ночей – с пятницы на субботу, воскресенье и понедельник и частичным подзарядом в ночное время рабочих дней. Этот дополнительный подзаряд не требует дополнительной емкости бассейнов, так как вода частично срабатывается в дневное время рабочих суток; заряд ГАЭС осуществляется в указанные три ночи и дневное
время выходных дней недели. При этом по условиям энергосистемы возможен и круглосуточный заряд, чему способствуют большая плотность графиков нагрузки и нецелесообразность остановки части оборудования базовых ТЭС на выходные дни; объем перекачиваемой воды в верхний аккумулирующий бассейн в ночное время на субботу и воскресенье частично срабатывается в часы максимальной нагрузки выходных дней. Это сокращает требуемую емкость бассейнов, но при этом сокращается и энергия, запасаемая на рабочие дни недели.
Если для суточного цикла аккумулирования мощность обору дования ГАЭС при заряде обычно оказывается большей, чем в тур бинном режиме, вследствие ограниченного времени для заряда, то при недельном аккумулировании эти мощности могут быть равными или даже большего значения в турбинном режиме, что приводит к соответствующему увеличению вытесняемой мощности альтернативной пиковой станции.
Зимний и летний режимы работы ГАЭС недельного аккумулирования могут значительно отличаться вследствие различия графиков нагрузки, состава включенного оборудования и других условий. Зимой ГАЭС с недельным аккумулированием целесообразно использовать с суточным подзарядом в рабочие дни, так как это приводит к увеличению вытесняемой мощности и соответствующей экономии топлива. Летом же суточный подзаряд ГАЭС, наоборот, может привести к перерасходу топлива. По этой же причине ГАЭС суточного аккумулирования летом может оказаться более выгодным использовать в режиме недельного аккумулирования, то есть с зарядом в выходные и с разрядом в рабочие дни, но с пониженной мощностью и суточной выработкой электроэнергии.
Примером «чистой» ГАЭС сезонного регулирования (аккумулирования) может служить сравнительно небольшая, но очень важная в технологическом отношении Ставропольская ГАЭС в составе Куршавского каскада гидроузлов. Мощность Ставропольской ГАЭС составляет 19 МВт, количество обратимых гидроагрегатов – 6, напор – 29,5 м. Одновременно эта ГАЭС является примером комплексного использования как в целях электроэнергетики, так и в качестве одного из основных звеньев мелиоративной системы.
В месяцы половодья и больших расходов воды часть стока р. Кубань с помощью обратимых гидроагрегатов ГАЭС, работающих в насосном режиме, перекачивается в специальный бассейн, запасая воду для маловодного периода. При этом одновременно обеспечивается нормальный расход воды по Большому Ставропольскому каналу и работа каскада небольших ГЭС, построенных по трассе канала. В маловодный период запасенный объем воды из бассейна расходуется для обеспечения нормальных расходов по каналу и работы нижележащих ГЭС; обратимые агрегаты ГАЭС при этом работают в турбинном режиме. Таким образом, благодаря сезонному режиму работы Ставропольской ГАЭС обеспечивается круглогодичное функционирование канала и каскада ГЭС.
Применение гидроаккумулирования на обычных ГЭС с водохранилищами длительного регулирования также дает возможность увеличить цикл аккумулирования до нескольких месяцев и целого сезона, поэтому целесообразно в данном контексте более подробно рассмотреть возможности совмещения ГЭС и ГАЭС.
В качестве интервалов времени для расчета регулирования стока с применением гидроаккумулирования могут быть приняты недели или месяцы – в соответствии с изменениями стока, требованиями энергосистемы к режиму работы ГЭС–ГАЭС, забором воды из верхнего бьефа для неэнергетических потребителей, а также необходимых размеров ее попусков в нижний бьеф, например, по требованиям обеспечения судоходства и т. д. Насосный режим работы комплекса ГЭС–ГАЭС может вообще не применяться, например, во время половодья, когда все агрегаты станции вынуждены работать круглосуточно в турбинном режиме. И, наоборот, если водохранилище верхнего бьефа не удается заполнить весной до отметки НПУ или оно частично сработано в летнее время, то до наступления зимнего максимума насосный режим является основным источником воды для работы станции в турбинном режиме при заполнении водохранилища в это время за счет естественной приточности. Особенно эффективным может быть использование гидроаккумулирования для сезонного регулирования на ГЭС, работающих в каскаде (например, Волжско-Камский каскад), так как эти ГЭС имеют водохранилища длительного регулирования.
Как известно, в состав потребителей пресной воды из водохранилищ, создаваемых при строительстве объектов гидроэнергетики, кроме собственно энергетики могут входить и другие ведомства, использующие воду для различных целей: водоснабжение, орошение, речной транспорт, рыбоводство, борьба с наводнениями, благоустройство населенных мест и использование акваторий для отдыха населения. Все эти участники водохозяйственных комплексов предъявляют различные, зачастую противоречивые требования к режиму использования водохранилищ. На некоторых участников водопользования накладываются определенные ограничения как по количеству, так и режиму использования воды. В результате этого гидро- энергетика часто несет значительные финансовые потери. Эти потери в перспективе могут возрастать вследствие увеличения отбора воды из рек и водохранилищ и соответствующего снижения выработки электроэнергии и вытесняющей мощности ГЭС, особенно в Европейской части страны.
Снижение влияния ограничений, накладываемых другими участниками водохозяйственного комплекса на работу ГЭС, с соответствующим повышением мощности и выработки электроэнергии, возможно путем использования оборотной воды для гидроэнергетики, то есть применения гидроаккумулирования. При этом оно может повысить эффективность не только ГЭС, но и других потребителей воды.
Помимо решения энергетических задач водохранилищ комплекс ного использования гидроаккумулирование может быть полезно также для очистки воды и улучшения санитарного состояния окружающей среды.
Для этих целей могут быть реализованы различные схемы совмещения ГЭС с ГАЭС. Рассмотрим в качестве примера одну из них.
В русле реки создается сравнительно небольшое водохранилище, которое используется в качестве нижнего бассейна ГАЭС. Для гарантированного обеспечения таких потребителей воды, как водоснабжение или орошение, возводятся дополнительные водохранилища, располагаемые на возвышенных террасах реки. Эти водохранилища являются верхними аккумулирующими бассейнами ГАЭС и служат как для гидроаккумулирования, так и для регулирования стока. Они заполняются во время половодья путем подъема воды из реки агрегатами ГАЭС, работающими в насосном режиме, а во время межени снабжают водой ее потребителей и используются для гидроаккумулирования, в том числе сезонного цикла. Преимущества такой схемы состоят в следующем: строительство верхнего и сравнительно небольшого по площа-
ди пойменного водохранилища значительно дешевле, чем создание большого водохранилища в долине реки, требующего возведения плотины, затопления ценных земель и т. д. Для верхнего водохранилища проще выбрать место, где оно может быть создано с помощью обвалования без плотин и водосбросов при сравнительно большой глубине и меньшей площади затопления; вода в верхнем водохранилище является более чистой, так как
в него не попадают сточные воды. При этом чередование турбинного и насосного режимов увеличивает содержание кислорода в воде, что способствует ее самоочищению; заполнение верхнего водохранилища во время половодья при условии высокой производительности насосного режима уменьшает вынужденные расходы воды через водосбросы плотины. Это снижает стоимость плотины и является одной из мер борьбы с затоплениями как в верхнем бьефе при необходимости его форсировки, так и в нижнем бьефе гидроузла при пропуске максимальных расходов.
Если гидроаккумулирование с помощью речных водохранилищ имеет только энергетическое назначение, то его цикличность ограничивается суточными и недельными интервалами времени. Но если гидроаккумулирование имеет комплексное назначение и, соответственно, увеличенную емкость обоих водохранилищ, то цикл гидроаккумулирования совместно с регулированием стока может увеличиваться до сезонных интервалов.
В качестве примера использования гидроаккумулирования для очистки воды приведем основные данные построенной в США ГЭС–ГАЭС Уоллейс комплексного назначения.
Строительство ГЭС–ГАЭС Уоллейс начато в 1971 г. на р. Окони у оз. Синклер, которое интенсивно загрязняется сточными водами. Верхним бассейном служит водохранилище, создаваемое железобетонной гравитационной плотиной. От створа гидроузла до озера, используемого в качестве нижнего бассейна, проложен соединительный канал длиной 6100 м.
Установленная мощность станции 324 МВт, среднегодовая выработка электроэнергии 341 млн кВт·ч, в том числе 213 млн кВт·ч – за счет гидроаккумулирования. В здании станции установлены два обычных гидроагрегата с пропеллерными турбинами мощностью 58,2 МВт при напоре 27 м и четыре обратимых гидроагрегата с радиально-осевыми гидромашинами высокой быстроходности при диаметре рабочего колеса 6,98 м и мощностью турбинного режима для того же напора по 54,5 МВт. Мощность обратимых гидроагрегатов в насосном режиме составляет по 61,8 МВт при напоре 29,9 м.
Многолетний опыт эксплуатации этой станции подтвердил предположение проектировщиков о хорошем перемешивании воды в водохранилище и эффективной ее очистке, в том числе и в акватории озера.