Наиболее эффективное использование энергии водотока возможно при концентрации перепадов уровней воды на относительно коротком участке. Для использования падения уровней рек, распределенных по значительной длине водотока, прибегают к искусственному сосредоточению перепада различными способами.
Различают три основные схемы:
1. Плотинная, при которой напор создается плотиной;
2. Деривационная, где напор создается с помощью деривации (отведения), выполняемой в виде канала, туннеля или трубопровода;
3. Комбинированная, в которой напор создается плотиной и деривацией.
В плотинной схеме создается подпор уровня водотока сооружением плотины. Образующееся при этом водохранилище используется как регулирующая емкость, позволяющая периодически накапливать запасы воды и более полно использовать энергию водотока.
В гидроузлах по плотинной схеме различают русловые и приплотинные здания станций. В первом случае здание входит в состав водонапорных сооружений и воспринимает давление воды со стороны верхнего бьефа. Размеры здания, его высота определяются напором, обычно они строятся при небольших напорах – до 40 м (каскад Волжских ГЭС).
На гидростанциях с приплотинным зданием оно располагается за плотиной и не воспринимает давление воды. На крупных ГЭС такого типа напор доходит до 300 м (Красноярская ГЭС).
Деривационная схема позволяет получить сосредоточенный перепад путем отвода воды из естественного русла по искусственному водоводу, имеющему меньший продольный уклон. Поэтому уровень воды в конце водовода выше уровня воды в реке; эта разность уровней воды и является напором ГЭС. В зависимости от типа искусственных водоводов (деривации) различают ГЭС с напорной и безнапорной деривацией. При безнапорной деривации отвод воды из реки осуществляется безнапорными водоводами, например открытым каналом. Для забора воды в деривационный канал в русле реки строится невысокая плотина, создающая водохранилище. Вода в канал поступает через водоприемник. Деривационный канал заканчивается напорным бассейном, из которого вода по трубопроводам поступает к турбинам в здание станции, далее отводится в русло реки по отводящему каналу.
Гидроэлектростанции с напорной деривацией для создания напора используют, например, напорные туннели.
Создание или увеличение сосредоточенного перепада уровней воды можно получить путем отводящего деривационного водовода, продольный уклон которого меньше уклона естественного русла. В этом случае здание ГЭС располагается в глубокой выемке или под землей в удалении от нижнего сечения используемого участка водовода.
Сооружение деривационных ГЭС целесообразно в горных условиях при больших уклонах рек и относительно малых расходах воды.
В этом случае можно получить большой напор (1000 м и более) и соответственно большую мощность.
Комбинированная схема предусматривает создание напора посредством использования как напора, создаваемого плотиной, так и напора деривационных сооружений.
На всех ГЭС с использованием любой из указанных схем преобразование потенциальной энергии воды гидроузла в механическую энергию, передаваемую электрогенератору, происходит в гидротурбинах.
При работе гидротурбины имеют место потери энергии. Гидравлические потери связаны с вязким трением и вихреобразованием при течении воды через турбину. Объемные потери обусловлены перетеканием некоторого объема жидкости через зазоры между лопастями турбины и стенками статора агрегата. Механические потери связаны с трением в подшипниках. Суммарные потери мощности учитываются КПД гидротурбины ηт. Для современных турбин характерны значения ηт = 0,85…0,9.
Для низконапорных и малых ГЭС оптимальными являются гидротурбины пропеллерного типа с горизонтальным валом. Гидроагрегаты такого типа размещаются в теле плотины без заглубления, что снижает затраты на строительство ГЭС. Габариты горизонтальных турбин меньше, чем вертикальных.
С увеличением напора на плотине преимущества получают гидроагрегаты с вертикальной осью: поворотно-лопастные, осевые, диагональные, радиально-осевые. При очень больших напорах (сотни метров) применяют ковшовые турбины с горизонтальной осью.
Новым словом в энергомашиностроении являются гидроагрегаты двустороннего действия, применяемые в гидроаккумулирующих и приливных станциях. В таких машинах электроэнергия может вырабатываться при любых направлениях вращения вала гидроагрегата.
Полный КПД обратимых машин снижается на 2…3 % по сравнению с односторонними, но зато капитальные затраты на строительство и оборудование станции резко сокращаются.
Получают распространение капсульные обратимые гидроагрегаты. В них рабочее колесо гидромашины расположено снаружи капсулы (гандолы), а электрическая машина внутри нее. При обтекании гондолы водным потоком агрегат работает в режиме турбины, электромашина вырабатывает ток в режиме генератора. При необходимости перекачивать воду ток подается к агрегату из энергосистемы, электромашина работает в режиме электродвигателя и вращает вал в противоположном направлении. В этом случае рабочее колесо выполняет функции насоса. Для турбинного режима работы таких агрегатов характерны значения полного КПД 85 %, для насосного режима на уровне 75 %.
