Принципові схеми роботи ГАЕС

Гідроакумулюючі електростанції перерозподіляють у часі електроенергію, що виробляється ТЕС і АЕС, які працюють у базовому режимі, у відповідності з графіком навантажень енергосистеми. ГАЕС характеризуються роботою у двох режимах: насосному та турбінному (генераторному). У насосному режимі вода з нижньої водойми перекачується гідроустановками ГАЕС у верхню водойму. У насосному режимі ГАЕС зазвичай працює у нічний період, коли в зв'язку зі зниженням навантаження в енергосистемі є надлишок електроенергії, яку й споживає ГАЕС (заповнює провальну частину добового графіку навантажень). У турбінному режимі вода з верхньої водойми скидається у нижню через агрегати ГАЕС, а вироблена електроенергія подається в енергосистему споживачам. У турбінному режимі ГАЕС працюють у періоди максимального навантаження в енергосистемі (зазвичай у години вечірнього та ранкового піків у добовому графіку навантажень).

У сучасних енергосистемах, в яких основними енергоджерелами є атомні та теплові станції з великими агрегатами, ГАЕС забезпечують надійну та ефективну роботу енергосистем за рахунок заповнення провальної частини добового графіка навантажень, забезпечуючи роботу агрегатів ТЕС і АЕС у базовому режимі з майже постійною у часі потужністю; покриття пікової частини добового графіка навантажень; виконання функцій аварійного й частотного резерву енергосистем завдяки високій маневреності й швидкодії.

З усіх запропонованих способів акумулювання енергії в області електроенергетики (акумулювання тепла, виробленого реакторами АЕС, у спеціальних резервуарах гарячої води або пари; газотурбінні електростанції, повітряноакумулюючі, із закачкою компресорами повітря під великим тиском в спеціальні підземні резервуари; механічне акумулювання енергії з використанням маховиків, які розганяються до великих швидкостей та влаштованих в герметичний корпус, де підтримується вакуум, та ін.) наразі використовується гідравлічне акумулювання на ГАЕС, що пройшло багаторічну перевірку і є високоефективним.

Широке будівництво ГАЕС почалося в другій половині XX ст., коли стали вводитись в експлуатацію теплові та атомні електростанції з великими агрегатами. Вже у 1970 р. потужність ГАЕС склала 16 млн. кВт, у 1985 р. – більш 40 млн. кВт, а у 2000 р. у світі експлуатувалося більше 350 ГАЕС сумарною потужністю біля 125 млн. кВт.

За схемою акумулювання ГАЕС підрозділяються на наступні типи (мал. 4.6):

- ГАЕС простого акумулювання, або «чисті» ГАЕС, характерною ознакою яких є практично повна відсутність припливу води у верхню водойму (рис. 4.6, а). Така схема використовується на більшості ГАЕС, наприклад на Київській потужністю 235МВт, Дністровській – 2270МВт (рис. 4.7).

- ГАЕС змішаного типу, або ГЕС–ГАЕС, із припливом води у верхню водойму, при спрацюванні якої у турбінному режимі забезпечується додаткове вироблення електроенергії (див. рис. 4.6, б).

- ГАЕС із неповною висотою закачування води у верхню водойму. Такі ГАЕС використовуються при перекиданні стоку з однієї ріки в іншу шляхом накачування води насосною станцією у верхову водойму на вододіл та скидання її через агрегати ГЕС у низову водойму на іншій річці (див. рис. 4.6, в), а також при влаштуванні на річці двох поряд розташованих водоймищ із перекачуванням води агрегатами ГАЕС із верхньої водойми на річці в найвищу водойму, розміщену на більш високих відмітках, і скиданням води через агрегати ГАЕС у нижню водойму на річці.

Рис. 4.6 - Принципові схеми ГАЕС: а – простого акумулювання; б – змішаного типу;

в – з неповною висотою закачування води; 1 – гребля; 2– верхня водойма; 3 – нижня водойма;

4 – природна водойма; 5 – ГАЕС; 6 – ГЕС–ГАЕС; 7 – ГЕС; 8 – насосна станція

Рис. 4.7 - Схема Дністровської ГАЕС, ГЕС 1 і ГЕС 2

Істотною перевагою ГАЕС простого акумулювання є можливість їх будівництва не тільки на великих річках з використанням уже існуючих водойм як нижньої водойми, але й вдалині від великих річок на невеликих річках, де є сприятливі топографічні умови для створення напору, поблизу від великих ТЕС і АЕС, що дозволяє підвищити надійність роботи в енергосистемі, знизити витрати на спорудження ЛЕП.

За тривалістю циклу акумулювання (періоду спрацювання та наповнення водойм) ГАЕС поділяються на:

- ГАЕС добового акумулювання, які застосовуються найчастіше та характеризуються добовим циклом наповнення та спрацювання водойми. За тривалістю роботи у турбінному режимі їх поділяють на пікові з роботою у турбінному режимі до 5 годин на добу й напівпікові з роботою від 5 до 15 годин на добу. Пікові та напівпікові ГАЕС у насосному режимі працюють в основному у період нічного провалу в графіку навантажень протягом 6–7 годин на добу.

- ГАЕС тижневого акумулювання характеризуються накачуванням у вихідні дні додаткового обсягу води у верхню водойму (що дозволяє в умовах зниження споживання електроенергії в енергосистемі в ці дні зменшити розвантаження ТЕС), яка використовується в робочі дні у турбінному режимі для покриття пікової частини добових графіків навантаження. При такому режимі роботи потрібне збільшення ємності водойм для розміщення додаткового об’єму води.

- ГАЕС із сезонним циклом акумулювання характеризується тим, що у літній період, коли споживання електроенергії знижується, накачується додатковий об’єм води у верхню водойму й за рахунок цього в осінньо-зимовий період максимуму навантаження в енергосистемі збільшуються потужність і вироблення ГАЕС. Такий режим застосовується вкрай рідко, тому що вимагає великої ємності водойми .

На ГАЕС застосовуються наступні схеми основного гідросилового устаткування:

- чотирьохмашинна схема, при якій є два окремі агрегати – насосний і турбінний, тобто чотири машини (насос, двигун, турбіна та генератор). Така схема дозволяє використовувати переваги роботи насоса та турбіни в найбільш сприятливому режимі (більш високі к.к.д. та ін.), однак вимагає більших додаткових капіталовкладень і застосовується вкрай рідко навіть в умовах високих напорів. Прикладом використання чотирьохмашинної схеми є ГАЕС Райсек–Крайцек (Австрія) з максимальним напором 1772м, де встановлені ковшові турбіни та багатоступінчасті насоси.

- трьохмашинна схема складається з одного агрегату, що включає одну оборотну електромашину (двигун-генератор) і дві гідравлічні машини – насос і турбіну, з однаковим напрямком обертання в турбінному й насосному режимах. Така схема дозволяє досягти високих к.к.д. насоса та турбіни і одержала поширення при високих напорах (більше 300м) із застосуванням ковшових турбін, наприклад ГАЕС Вальдек II (ФРН) потужністю 440МВт із напором у турбінному режимі 320м. Трьохмашинна схема застосована на ГАЕС Россхаг (Австрія) з високонапірними радіально-осьовими турбінами (напір 672м), на ГАЕС Сан-Фіорино (Італія) із чотириступінчастими насосами (напір 1350м).

- двохмашинна схема складається з одного агрегату, що має дві оборотні машини: двигун-генератор і насос-турбіну. Перевагами двохмашинної схеми в порівнянні із трьохмашинною є скорочення загальної довжини агрегату більш ніж на 30%, відповідно зменшення габаритів будинку ГАЕС і загальне зниження капіталовкладень у гідросилове устаткування та будівельну частину. Недоліком об'єднання в одній оборотній гідромашині насоса та турбіни є зниження к.к.д. у зв'язку з розбіжністю зон оптимальних к.к.д. у турбінному та насосному режимах. Крім того, у двохмашинній схемі напрямок обертання в турбінному та насосному режимах протилежний, через що ускладнюється перевід з одного режиму в інший і трохи знижується маневреність.
Двохмашинна схема одержала найширше поширення у світі. Така схема застосована на найбільших ГАЕС: Ладингтон (США) потужністю 1872МВт із напором 108м, Бас Каунтрі (США) – 2100МВт із напором 384м, а також на Ташлицькій – 900МВт із напором 83м і Дністровській – 2270МВт із напором 152м. На всіх цих ГАЕС застосовані оборотні радіально-осьові гідромашини.

Робота ГАЕС в енергосистемах. Тільки ГАЕС завдяки властивій їм багатофункціональності, беручи участь у регулюванні потужності, здатні забезпечити підвищення навантажень ТЕС і АЕС у провальній частині добового графіку навантажень, тобто штучно збільшити базову частину графіку навантажень і зменшити його нерівномірність, виконуючи функцію споживача-регулятора; покриття пікової або напівпікової частини графіка навантажень, служити швидкодіючим аварійним і навантажувальним резервом системи.

Феномен ГАЕС полягає в тому, що її регулююча потужність в енергосистемі відповідає сумі встановлених потужностей у турбінному та насосному режимах, яка становить діапазон потужностей станції, тобто ГАЕС може здійснювати подвійне регулювання.

Режим роботи ГАЕС за наявності замкнутої системи циркуляції води між верхньою і нижньою водоймами практично не залежить від стоку ріки.

ГАЕС виконують функції регулювання в енергосистемі у самому широкому значенні з максимальним використанням їх переваг швидкодії й високої готовності до пуску. Тому вони експлуатуються у різних режимах з багаторазовими пусками й зупинками протягом доби, виконуючи роль маневреної потужності при вході й виході з піків, компенсатора реактивної потужності, засобу заповнення нічних провалів, аварійного й частотного резерву. Так, з урахуванням сучасних вимог для забезпечення стабільної роботи енергосистеми розрахункова кількість пусків на ГАЕС Blenheim Cilboa потужністю 1, 04 млн. кВт (США) становить 6000 на рік.

Використання ГАЕС в якості аварійного й частотного резервів енергосистеми стає однією з її найважливіших функцій. У випадку аварії в енергосистемі з великими генеруючими джерелами, лініями електропередач швидке включення ГАЕС у турбінний режим або перемикання ГАЕС із насосного режиму в турбінний компенсують потужності, втрачені енергосистемою, і дозволяють виключити аварійне відключення споживачів. Саме ГАЭС разом з ГЕС значною мірою у важких аварійних ситуаціях дозволяють не допустити «розвалу» енергосистеми.

На ряді ГАЕС у верхніх водоймах додатково резервується аварійний запас води, розрахований на роботу протягом 1, 5–3 год.

При роботі ГАЕС у режимі тижневого регулювання у вихідні дні, коли навантаження зменшується і ТЕС і АЕС вимушено знижують потужність, за рахунок роботи ГАЕС у насосному режимі розвантаження ТЕС і АЕС може бути зменшене. Додатковий обсяг води, закачаний ГАЕС у верхню водойму у вихідні дні, використовується в робочі дні для покриття пікової частини графіка навантажень.

Характер режимів роботи ГАЕС змінюється протягом року, виходячи зі зміни добових графіків навантажень енергосистеми в різні сезони року.

Саме висока економічна ефективність, підвищення надійності роботи енергосистем при використанні ГАЕС, у тому числі забезпечення нормативних вимог до якості електроенергії (частота, напруга), недопущення аварійного відключення споживачів, послужили основою для їх широкого будівництва.

В останнє десятиліття в багатьох країнах (США, Канаді, країнах Західної Європи й ін.) відбулася лібералізація ринку електроенергії. При цьому зростає роль ГАЕС у забезпеченні стійкості роботи енергосистем за рахунок резервування потужності, регулювання частоти, напруги. У ряді країн (Японія, Італія) потужність ГАЕС в енергосистемах становить більше 10% установленої потужності всіх електростанцій.