§ 7. Гидроэлектростанции
Гидроэлектростанции используют энергию массы воды при ее падении с высоты. При этом гидроэлектростанции, построенные на реках, используют энергию лишь некоторого их участка. Например, Куйбышевская гидроэлектростанция использует энергию Волги от Чебоксар до Куйбышева, являясь шестой ступенью Волжского каскада.
Энергетический баланс гидроэлектростанций в процентах от энергии падающей воды характеризуется потерями в гидротехнических сооружениях (около 4%), потерей в гидротурбине (6%), потерей в гидрогенераторе (3%) и полезным выходом энергии в сеть (87%).
Мощность гидроэлектростанций зависит от высоты падения воды и от ее расхода, т. е. количества воды, проходящей через турбину в единицу времени. В соответствии с этим гидроэлектростанции подразделяются на деривационные и плотинные.
Деривационные гидроэлектростанции строятся на горных реках Кавказа, Средней Азии, Алтая. При сравнительно небольшом расходе воды и большой высоте падения, доходящей до 400 м, эти станции бывают достаточно мощными.
В деривационных ГЭС вода после плотины отводится к трубопроводам турбин через открытые каналы или через водоводы в виде туннелей или трубопроводов. Для уменьшения гидравлического удара такие устройства снабжаются уравнительным резервуаром — демпфером, который снижает избыточные давления.
Плотинные ГЭС используют напор воды, создаваемый плотиной между верхним и нижним бьефами. В этих ГЭС напор воды значительно меньше, чем в деривационных, а необходимая мощность получается за счет большого расхода воды.
Плотинные ГЭС бывают русловые, когда здание ГЭС является составной частью плотины, и приплотинные, когда здание ГЭС строится отдельно от плотины в низовой ее части (рис. 7-1).
Для уменьшения стоимости строительства плотин на широких равнинных реках советскими гидроэнергетиками созданы гидроэлектростанции совмещенного типа. На этих ГЭС только часть плотины выполняется из железобетона, береговые же плотины и дамбы выполнены земляными. Так, например, построены Куйбышевская, Волгоградская и Горьковская ГЭС.
Преимущество гидроэлектростанций по сравнению с тепловыми состоит в том, что стоимость электроэнергии на них мала и они не истощают природные ресурсы.
К недостатку гидроэлектростанций относятся: высокая стоимость и большой срок их сооружения, а также возможность их сооружения лишь в тех местах, где имеются водные энергетические ресурсы, а не там, где сосредоточены потребители электроэнергии.
§ 8. Режим работы электростанций
В работе электрических станций характерной особенностью является полное равенство между энергией, вырабатываемой станциями, и энергией, потребляемой электроустановками и включающей все виды потерь. Иными словами, генераторы электростанций должны вырабатывать в любой момент такую активную мощность, которая покрывала бы сумму активных нагрузок потребителей, включая потери активной энергии на нагрев проводов и стальных сердечников, и такую реактивную энергию, которая соответствовала бы энергии магнитных и электрических полей во включенных электрических цепях.
Рис. 7-1. Разрез по зданию Волжской ГЭС им. В. И. Ленина
1 — сороудерживающие сооружения; 2 — краны обслуживания; 3 — выводы на открытую подстанцию 600 кВ; 4 — мостовой кран машинного зала; 5 — гидрогенератор; 6 — трансформатор; 7 — помещения электрооборудования
Рис. 8-1. Пример суточного графика активных нагрузок:
а — построенного по точкам; б — ступенчатого
Рис. 8-2. Примеры годовых графиков:
а — изменения суточных максимальных нагрузок; б — по продолжительности нагрузки
Изменение активных и реактивных нагрузок по времени суток и в зависимости от сезона происходит по закономерности, характерной для каждой группы потребителей. В соответствии с этим достаточно строгая закономерность изменения нагрузок по времени наблюдается и в энергосистемах. Эти зависимости обычно выражают в виде графиков нагрузок, которые строятся для активных (КВт) и реактивных (квар) нагрузок. По продолжительности графики бывают суточными и годовыми.
Суточный график нагрузок строят в соответствии с показаниями электроизмерительных приборов (рис. 8-1,а). Однако для простоты построения и удобства пользования строят графики ступенчатой формы (рис. 8-1,б). Построение ступенчатого графика ведут таким образом, чтобы площадь, заключенная между кривой и осью абсцисс этого графика, наиболее полно выражала среднее значение электроэнергии, выработанной электростанцией в течение суток.
Годовые графики обычно строят по месяцам года, отражают они максимальные суточные нагрузки в каждом месяце (рис. 8-2,а).
Пользуясь подобными графиками, можно определить, какое число агрегатов должно находиться в работе по месяцам года, и в соответствии с этим составлять планы капитальных ремонтов оборудования.
Годовой график по продолжительности нагрузок позволяет определить суммарную длительность работы установки в течение года при различных нагрузках (рис. 8-2,б). В этом графике площадь, ограниченная кривой и осью абсцисс, выражает годовое количество электроэнергии в КВт-ч.
Годовые графики по продолжительности обычно используются для технико-экономических расчетов при определении параметров оборудования станций, подстанций и сетей.
Изучение графиков нагрузок позволяет определить ряд величин и коэффициентов, характеризующих технико-экономическую целесообразность установки и облегчающих расчеты.
Коэффициент нагрузки или коэффициент заполнения графика характеризует неравномерность загрузки оборудования
(8-1)
или после умножения числителя и знаменателя на число часов работы Т установки за рассматриваемый период (сутки, год)
(8-2)
где Рср и Рмакс — соответственно средняя и максимальная мощности за рассматриваемый период Т; А — энергия за тот же период.
Вместо коэффициента нагрузки работу установки характеризуют иногда продолжительностью использования максимальной нагрузки, получаемой из соотношения
(8—3)
Здесь Тмакс — время, в течение которого при максимальной нагрузке Рмакс могло бы быть выработано или потреблено количество энергии, равное действительной при Рср за полное время Т.
На основании формул (8-2) и (8-3) можно написать
откуда
(8-4)
Коэффициент использования установленной мощности характеризует степень использования оборудования:
Степень использования оборудования можно также характеризовать продолжительностью использования установленной мощности Туст По аналогии с выражением (8-3) можно написать
(8-10)
