Сердце ГЭС
В сентябрьском номере газеты «Энерговектор» за 2013 г. мы уже рассматривали основные виды гидроэлектростанций. Сегодня хотелось бы вернуться к этой теме, вспомнить историю развития гидроэнергетики и более подробно остановиться на вопросе эффективности применения различных гидравлических турбин в зависимости от конкретных условий работы - напора, мощности потока, вида плотины.
От Древнего Китая до XXI века
С давних времён человечество стремилось продуктивно использовать энергию воды. За несколько веков до начала нашей эры уже существовали водяные мельницы в Китае, Индии, Средней и Малой Азии. На Руси водяные мельницы появились, судя по дошедшим до нас летописям, в XI веке и использовались для помола зерна. Особенно широко водяные колёса стали применяться в качестве промышленных двигателей во времена Петра I в связи с бурным развитием горнорудного дела на Урале. Водяные двигатели использовались для привода кузнечных мехов, поршневых воздуходувов, кузнечных молотов, прокатных станков, водоотливных насосов и других машин.
Для дальнейшего развития промышленности потребовалось создать более совершенный водяной двигатель, который был теоретически обоснован и разработан в начале XIX века и впервые назван турбиной. В отличие от примитивного водяного колеса, которое было создано по наитию, гидравлическая турбина оптимизирована для наилучшей передачи валу силы давления, создаваемой потоком на лопастях рабочего колеса.
Современные гидравлические турбины по принципу подвода и прохождения потока по рабочему колесу делятся на следующие три основных типа.
- Осевые (турбина Каплана и пропеллерная турбина), в которых поток воды поступает на лопасти колеса и протекает по ним в осевом направлении по спиральным линиям, причём ось вращения потока совпадает с осью вращения рабочего колеса.
- Радиально-осевые (турбина Френсиса). В этих турбинах поток воды поступает на лопасти колеса и вначале протекает по спиральным линиям в радиальном направлении, перпендикулярном оси вращения рабочего колеса, а затем изменяет свое направление с радиального на осевое.
- Ковшовые (турбина Пелтона), поток воды в которых поступает на рабочее колесо свободной струёй, направленной по касательной к рабочему колесу.
По второму способу классификации гидравлических турбин - в зависимости от изменения давления воды - различают реактивные турбины (осевые и радиально-осевые) и импульсные (ковшовые).
Большинство гидравлических турбин являются реактивными и подходят для работы при низком (<25-30 м) и среднем (30-300 м) значениях напора. Импульсные турбины используются в случае большого напора - 300 м и выше. Выбор наиболее подходящей турбины определяется границами применимости каждого типа по мощности, напору и числу оборотов в минуту.
Осевые турбины
На самых низких напорах (от 5 м) применяют пропеллерные турбины, которые наиболее быстроходны, что позволяет при малых скоростях потока получать достаточно высокую скорость вращения. Высокие обороты турбины, в свою очередь, позволяют применять более быстроходные, а значит, более лёгкие и дешёвые электрогенераторы. Пропеллерные турбины наиболее эффективны при постоянных напоре и расходе воды, а при значительных колебаниях напора и работе генератора на переменную нагрузку оправдано применять поворотно-лопастные турбины Каплана, в которых мощность регулируется поворотом не только лопаток направляющего аппарата, но и рабочего колеса, что помогает поддерживать высокий КПД (более 90%).
Число лопастей на рабочем колесе турбины зависит от величины напора - чем выше напор, тем больше их число. Четырёхлопастные колёса применятся для напоров от 5 до 20 м, при напорах от 20 до 60 м устанавливают рабочие колёса с 5-8 лопастями.
В нашей стране развитию поворотно-лопастных турбин уделялось большое внимание. Первые четыре турбины этого типа были установлены на Нижнесвирской ГЭС в 1933-1935 гг., и две из них работают до сих пор. Турбины построенных позднее Угличской и Жигулёвской ГЭС на момент пуска были крупнейшими в мире. Одними из самых крупных в мире поворотно-лопастных турбин стали турбины сербско-румынской ГЭС Джердап I на Дунае, изготовленные на Ленинградском металлическом заводе. Их единичная мощность - около 200 МВт.
Детище Френсиса
В отличие от равнинных ГЭС России, где доминируют поворотно-лопастные турбины, по всему миру более распространены турбины Френсиса, напоминающие большие диски с изогнутыми лопастями. Рабочее колесо такой турбины состоит из ступицы, верхнего и нижнего ободьев, а также лопаток, которые неподвижно прикреплены к ним. Конструкция рабочего колеса, не содержащая движущихся деталей, с одной стороны, очень прочна, что позволяет турбине работать при весьма высоких напорах. С другой стороны, невозможность поворота лопаток приводит к наличию в графике нагрузки зон с низким КПД, а также зон с повышенной вибрацией, работа в которых не рекомендуется.
Турбины Френсиса, как правило, располагают у основания плотины. Для подвода воды к малым радиально-осевым гидротурбинам при небольших величинах напора применяют открытые подводящие камеры. А к гидротурбинам средних и больших мощностей вода подводится через закрытые спиральные камеры. Профили сечений спиральной камеры подбираются так, чтобы вода равномерно, по всей окружности, поступала к направляющему аппарату, а из него - на рабочее колесо.
Турбина и направляющий аппарат целиком помещаются под водой, и только регулирующий вал, который помогает открывать лопатки направляющего аппарата, выходит в машинный зал.
Современные радиально-осевые турбины могут использоваться при напорах от 20 до 700 метров (но наиболее оптимальны средние напоры от 50 до 300 метров), а их выходная мощность колеблется в диапазоне от нескольких киловатт до гигаватта.
Крупнейшие в мире радиально-осевые турбины установлены на американской ГЭС «Гранд Кули». Их максимальная мощность составляет 805 МВт. Турбины единичной мощностью 1000 МВт проектировались для Эвенкийской ГЭС, так что потенциально мы ещё можем вырваться вперёд.
Изобретение Пелтона
На самых больших напорах воды применяют ковшовые турбины (см. рисунок). Изобрёл их в 1870-х годах американский инженер Аллан Пелтон. Первая турбина Пелтона была установлена в 1878 г. и использовалась для прямого привода насосов и других механизмов в золотоносной шахте в Неваде. В 1887 г. на другой шахте решили использовать электродвигатели, для чего к турбине Пелтона присоединили генератор - это и была первая ГЭС с ковшовой турбиной.
В ковшовых турбинах вода подаётся через сопла по касательной к окружности, на которой расположены середины ковшей. Проходящая через сопло вода собирается в струю, летящую с большой скоростью и ударяющую о лопатку турбины, таким образом, приводя рабочее колесо в движение. После отхода одной лопатки под струю попадает другая. Рабочее колесо турбины вращается в воздухе при нормальном атмосферном давлении, в отличие от осевых и радиально-осевых турбин, работающих под водой.
Лопатки турбины Пелтона имеют двояковогнутую форму с острым лезвием посередине; задача лезвия - разделять струю воды с целью лучшего использования энергии. Ковшовые гидротурбины применяются при напорах более 200 м (чаще всего - 300-500 м и более). Мощность наиболее крупных ковшовых турбин может достигать 200-250 МВт. Как правило, ГЭС с турбинами Пелтона построены по деривационной схеме, поскольку получить столь значительные напоры при помощи плотины проблематично.
В практике российского гидротехнического строительства ковшовые турбины не получили широкого распространения, в настоящее время действуют всего 5 малых ГЭС с турбинами Пелтона. Одна из таких ГЭС - Малая Краснополянская ГЭС на р. Бешенка, которая принадлежит ООО «ЛУКОЙЛ-Экоэнерго». Станция была пущена в эксплуатацию в 2005 г. и имеет мощность 1,5 МВт. В здании станции установлен один горизонтальный гидроагрегат.
Крупнейшие в мире ковшовые турбины установлены на швейцарской ГЭС Бьедрон, их единичная мощность - 423 МВт. Эта же ГЭС считается мировым рекордсменом по напору на гидроагрегатах, составляющему 1869 м. До её ввода в строй в 1998 г. в течение 40 лет первенство по напору принадлежало австрийской ГЭС Рейсек - 1773 м.
* * *
Гидроэлектростанции, как и другие источники возобновляемой энергии, подвержены влиянию окружающей среды. Зависимость от внешних условий особенно ярко проявляется на малых ГЭС: расход на небольших водотоках может изменяться быстро и непредсказуемо. Поэтому гидравлические турбины на малых ГЭС необходимо подстраивать под постоянно изменяющиеся условия. О таких гидравлических турбинах мы расскажем в одном из следующих выпусков газеты.