Принцип роботи. Принцип роботи ГЕС досить простий

Принцип роботи ГЕС досить простий. Ланка гідротехнічних споруд забезпечує необхідний напір води, що надходить на лопасті гідротурбіни, яка приводить в дію генератори, що виробляють електроенергію.

Необхідний напір води утворюється за допомогою будівництва греблі, і як наслідок концентрації річки в певному місці, або деривації - природним потоком води.

Залежно від тиску води, в гідроелектростанціях застосовуються різні види турбін. Для високонапірних — ковшові і радіально-осьові турбіни з металевими спіральними камерами. На середньонапірних ГЕС встановлюються поворотнолопастні і радіально-осьові турбіни, на низьконапірних — поворотнолопастні турбіни в залізобетонних камерах. Принцип роботи всіх видів турбін подібний — вода, що подається під тиском (напір води), надходить на лопасті турбіни і вони починають обертатися. Механічна енергія, таким чином, передається на гідрогенератор, який і виробляє електроенергію. Турбіни розрізняються деякими технічними характеристиками, розраховані на різні тиски води, а також камерами — залізними або залізобетонними.

Кількість годин використання установленої потужності в році характеризує ступінь нерівномірності роботи протягом року й доби. При роботі ГЕС в основному у режимі покриття пікової зони графіку навантажень Т≤ 2000 год, а в напівпіковій зоні Т зростає до 4000 год.

Втрати напору на ГЕС орієнтовно можуть становити 1–5%, причому вони менші при гребельній схемі й безнапірній деривації та збільшуються при напірній деривації.

Коефіцієнт корисної дії гідросилового устаткування (гідроагрегата) орієнтовно може скласти 90–94% залежно від типу та характеристик турбіни й генератора. У цілому на ГЕС потенційна енергія водотоку перетворюється в електричну з високим к.к.д. на рівні 86–93%.

Режим експлуатації ГЕС в енергосистемах характеризується роботою з повною потужністю безупинно протягом доби зазвичай лише у період паводків, а в інші сезони року ГЕС працює у режимі покриття пікової частини графіку навантажень у середньому 3–5 год на добу, у режимі покриття напівпікової частини – 5–15 год на добу, а також використовується в якості аварійного й частотного резервів. За необхідності забезпечення постійних санітарно-екологічних та інших пусків частина агрегатів ГЕС працює безупинно.

Найбільш ефективне використання водних і гідроенергетичних ресурсів досягається при будівництві на річках каскадів ГЕС, що утворюють єдиний водогосподарський комплекс. Принцип утворення на річках каскадів ГЕС є основоположним у всіх країнах. Група ГЕС, розташованих за течією річки на деякій відстані одна від одної та пов'язаних між собою загальним водогосподарським режимом, утворює каскад. Головним завданням каскадів ГЕС є комплексне використання водних ресурсів. Створення каскадів ГЕС забезпечує більш повне регулювання стоку й використання гідроенергетичних ресурсів, дозволяє в максимальній мірі погодити інтереси гідроенергетики та інших учасників виробничо-господарського комплексу (ВГК), хоч ускладнюється їх взаємодія в умовах комплексного використання водосховищ каскаду. Однак, з іншого боку, полегшується подолання протиріч між ними, завдяки чому досягається збільшення потужності й виробітку ГЕС, можливість роботи ГЕС у піковій зоні відповідно до графіка навантажень у зв'язку з усуненням ряду обмежень по режиму допусків і рівнів у нижньому б'єфі та ін.

Дніпро є найбільшою річкою України та третьою за величиною річкою Європи. Дніпровський каскад гідроелектростанцій складається з шести ГЕС: Київської, Канівської, Кременчуцької, Дні­­про­­дзержинської, Дніпровської і Каховської. Разом із Київською гідроакумулюючою станцією (ГАЕС) та Дністровською ГЕС (потужність 702МВт) во­­ни входять до Об’єднаної енер­­госисте­­ми України. Площа водозбору до створу нижнього ступеня каскаду – Каховської ГЕС – становить 482 тис. км². Основні характеристики каскаду дано в таблиці 4.1. Дніпровський каскад (рис. 4.5) має велике значення для народного господарства України. Його водойми, і в першу чергу Кременчуцьке та Каховське, забезпечують сезонне регулювання стоку р. Дніпро. Корисний обсяг водойм становить 34% середньобагаторічного стоку Дніпра. ГЕС каскаду, сумарна потужність яких становить 3, 67 млн. кВт, а вироблення електроенергії – близько 90% вироблення всіх ГЕС України, відіграють найважливішу роль в Об'єднаній енергосистемі України, покриваючи пікову частину графіка навантажень і забезпечуючи функції аварійного та навантажувального резерву.

Таблиця 4.1. Основні характеристики водойми і ГЕС Дніпровського каскаду

Рис. 4.5 - Дніпровський каскад ГЕС (поздовжній профіль)

Робота ГЕС в енергосистемах. Робота ГЕС в енергосистемі має певні особливості, викликані залежністю від річкового стоку та від режимів роботи водойми комплексного призначення, а також обмеженнями за умовами нижнього б'єфа та охорони навколишнього середовища. Водойми ГЕС залежно від корисної ємності можуть здійснювати добове, тижневе, сезонне та багаторічне регулювання. При цьому у несприятливий за водністю рік (зазвичай у якості розрахункового приймається маловодний рік з 90–95% забезпеченості) ГЕС повинні забезпечити розрахункову гарантовану енерговіддачу для покриття своєї зони графіка навантажень енергосистеми.

Водойма добового регулювання дозволяє перерозподілити природний добовий стік для забезпечення нерівномірного режиму роботи ГЕС із метою покриття пікової частини графіку навантажень.

В умовах зниження електричних навантажень в енергосистемі у вихідні дні при тижневому регулюванні зменшуються потужність і вироблення електроенергії ГЕС, а невикористаний стік акумулюється у водоймі й використовується у робочі дні тижня, забезпечуючи підвищення енерговіддачі ГЕС.

При сезонному і багаторічному регулюванні водойми в маловодний період ГЕС забезпечує покриття пікової частини добового графіку навантажень за рахунок природного припливу води у водойму протягом доби та спрацювання корисного обсягу, раніше накопиченого водоймою.

У паводковий період для максимального енергетичного використання води й зменшення її холостих скидань зазвичай всі агрегати ГЕС працюють із повною потужністю безупинно, виробляючи максимально можливу кількість електроенергії без ведення добового регулювання, покриваючи базову частину графіка навантажень енергосистеми. Це дозволяє одержати в цілому економію палива, хоч у даний період частина ТЕС змушені працювати у нерівномірному режимі, у тому числі у піковій частині графіка навантажень.

На ГЕС із водосховищем, що має значну корисну ємність, доцільно розміщувати аварійний резерв системи із тривалим часом роботи. На ГЕС також розміщуюють навантажувальний резерв системи для підтримки частоти в енергосистемах. Наприклад, в ОЕС України ГЕС Дніпровського каскаду, Дністровська ГЕС є аварійним резервом, однак комплексне використання їх водойм накладає певні обмеження на режими роботи ГЕС в якості резерву ОЕС. Тому їх використання в аварійних ситуаціях може заподіяти збитки іншим галузям, у першу чергу рибному господарству.

Більшість ГЕС також працюють у режимі синхронного компенсатора для вироблення реактивної потужності.

Робота об'єднаних енергосистем з більшою питомою вагою ГЕС залежить від регулювання стоку водойми, а також від регулювання енерговіддачі при спільній роботі в енергосистемі каскадів ГЕС внаслідок природної асинхронності стоку річок.

ГЕС є важливим системоутворюючим фактором. Створення великих каскадів ГЕС і високовольтних ліній електропередачі для видання їх потужності у багатьох випадках ставали основою утворення об'єднаних енергосистем.

Робота ГЕС характеризується високою надійністю, імовірність аварійних ситуацій на ГЕС значно нижча, ніж на ТЕС, в яких аварійні ситуації пов'язані з використанням у технологічному циклі надзвичайно високих температур і тисків, більшими запасами палива й ін.