Как работает ГЭС: принцип работы гидроэлектростанции от плотины до провода
Гидроэлектростанция работает по простому принципу: вода падает с высоты, её поток вращает лопасти турбины, вал турбины соединён с ротором генератора, который вырабатывает переменный ток. Чем больший объём воды и чем с большей высоты он падает, тем мощнее станция. Мощность ГЭС прямо пропорциональна произведению расхода воды на напор и КПД гидроагрегата, который у современных турбин достигает 92-93 процентов.
Плотина и водохранилище: как создаётся напор
Основа большинства крупных ГЭС — плотина, перекрывающая реку и создающая водохранилище. Плотина накапливает воду и формирует разницу уровней воды выше и ниже сооружения, которую называют напором. Крупные гравитационные плотины строят из бетона или каменной насыпи: Саяно-Шушенская ГЭС имеет арочно-гравитационную плотину высотой 242 метра, Красноярская — гравитационную высотой 124 метра. Чем выше плотина, тем больший напор она создаёт и тем меньший расход воды нужен для получения той же мощности.
Водохранилище выполняет роль буфера: в многоводный сезон оно накапливает воду, в маловодный отдаёт. Именно это делает ГЭС регулируемым источником энергии: в отличие от ветровой или солнечной генерации, гидростанция может увеличивать или снижать выработку по команде диспетчера энергосистемы в течение секунд. Саяно-Шушенское водохранилище объёмом 31 кубический километр позволяет станции работать с переменной нагрузкой круглый год.
Водовод и спиральная камера
Из водохранилища вода поступает к турбине по водоводу — стальной трубе или железобетонному тоннелю большого диаметра. Перед входом в турбинный блок расположены затворы и решётки, задерживающие мусор и позволяющие перекрыть подачу воды для ремонта. Скорость воды в водоводе обычно составляет 5-10 метров в секунду.
Водовод приводит поток в спиральную камеру, охватывающую турбину по окружности. Спиральная форма камеры обеспечивает равномерную подачу воды со всех сторон на неподвижный направляющий аппарат, который состоит из поворотных лопаток-направляющих. Поворачивая эти лопатки, оператор регулирует угол, под которым вода атакует рабочее колесо турбины, и тем самым управляет мощностью агрегата.
Типы турбин: Радиально-осевые и поворотно-лопастные
Тип турбины выбирают исходя из напора воды. При высоком напоре от 40 до 700 метров применяют радиально-осевые турбины Фрэнсиса: вода входит в рабочее колесо в радиальном направлении, а выходит в осевом, совершая плавный поворот внутри ротора. Большинство крупных российских ГЭС оснащены именно такими турбинами. При малом напоре от 3 до 70 метров используют поворотно-лопастные турбины Каплана с переменным углом лопастей рабочего колеса: лопасти поворачиваются в зависимости от режима работы, что позволяет сохранять высокий КПД в широком диапазоне нагрузок.
Диаметр рабочего колеса крупной турбины достигает 7-10 метров, масса превышает 200 тонн. Рабочее колесо вращается со скоростью от 50 до 200 оборотов в минуту в зависимости от конструкции. Вертикальный вал турбины соединён непосредственно с ротором генератора, расположенного в машинном зале выше.
Генератор и выдача мощности
Гидрогенераторы работают на том же принципе, что и все электрические машины: при вращении ротора с электромагнитами в неподвижных обмотках статора индуцируется переменный ток. Частота тока определяется скоростью вращения и числом пар полюсов ротора. Для получения стандартных 50 герц при скорости 100 оборотов в минуту нужно 30 пар полюсов. Статор крупного гидрогенератора набирается из сотен отдельных секций, намотанных медным проводом.
Напряжение с генератора поступает на трансформаторы, которые повышают его до 220 или 500 киловольт для дальней передачи по линиям электропередачи. После прохождения через турбину вода попадает в отсасывающую трубу, снижает скорость и выходит в нижний бьеф реки ниже плотины. Гидроэлектростанции обеспечивают около 20 процентов всей выработки электроэнергии в России, а крупнейшие из них входят в первую двадцатку самых мощных ГЭС мира.
