Как устроена ГЭС
По заявкам трудящихся. Лучше каэш кататься и смотреть вживую, но если нет, тогда вот фоточки для вас. На примере Светогорской.
Матчасть. Гидроэлектростанция (по классической схеме) устроена всегда примерно одинаково: есть верхний уровень воды, есть нижний, и вода, перемещаясь с одного на другой, совершает полезную работу, вращая рабочее колесо гидротурбины, а вместе с ним и вал генератора. Для создания разницы в уровнях либо насыпают плотину, либо используют естественные перепады высот. Перегораживают либо русло реки, либо специально созданный канал (деривация). Практически всегда в составе ГЭС есть водосбросы и шлюзы, чтобы регулировать нагрузку.
На фото сверху: машинный зал ГЭС с генераторами, рабочее колесо турбины (памятник), вспомогательное контрольное оборудование генератора
Если говорить про Вуоксинский каскад, то на пути из Сайменского озера (у финнов) до Ладожского (у нас) уровень воды падает на 65 метров - это 20 этажей. И эту высоту используют четыре ГЭС. Две у финнов - Тайнионкоски и Иматранкоски, две у нас - Светогорская и Лесогорская.
На фото: Вуокса на верхнем бьефе, схема Вуоксинского каскада целиком (финская)
ГЭС, с точки зрения генерации, штука интересная. Во-первых, электроэнергия у нее относительно дешевая: если оператору требуется поднять генерацию, то он при прочих равных скорее выберет источник с меньшей стоимостью, т.к балансировка и ценообразование у оператора - рыночные. Во-вторых, возобновляемая (это и так понятно, речка сама течет). В-третьих, на ГЭС можно полностью остановить генерацию, если это потребуется - например, снижение потребления или авария. С тепловыми станциями это обычно не так просто.
Напомню, что энергосистема нашей страны всегда сбалансирована: сколько потребляется, столько и производится. За балансом следит Оператор Единой Энергосистемы.
Итак, вода поступает к рабочему колесу турбины, давит на него и вращает с заданной частотой. Вариантов турбин много: бывают напорные (реактивные), свободные (активные), парциальные (могут работать при не полном давлении), с разным подводом воды итп. Турбина, помним, отличается от водяного колеса тем, что направление воды при попадании на рабочее колесо и сходе с него не изменяется и, условно, течет в одном направлении непрерывно. Как побочный эффект, возможный напор и достигаемое количество оборотов - больше, что для генерации самое то.
На фото: данные о генерации на щите самого генератора (сверху, на ДУ) и на пульте управления. На мониторах показана схема в работе и данные для всех четырех агрегатов ГЭС.
Станция в рабочем режиме выполняет, по сути, две основные задачи. Первая - обеспечить заранее заданную генерацию со своих мощностей, когда меняются внешние условия. Вторая - в текущих условиях изменить генерацию так, как этого требует оператор и потребитель.
Для борьбы в внешними условиями, в основном, применяется ограничение притока воды (логично). Внутри подводящего канала стоят управляемые заслонки, на входе - щиты, и иногда еще один ряд щитов, чисто защитный. Технологически у лопаток колеса турбины тоже можно изменить рабочий угол: для Светогорской это поворотно-лопастная турбина Каплана. Пропускная способность ГЭС через рабочую зону жестко задана, все излишки направляются на водосброс - и да, увеличат объем воды для последующих ГЭС в каскаде.
На валу турбины стоит генератор. Т.е не стоит, а вращается. У генератора обычно не один фидер для получения электроэнергии, а несколько; за их распределение и коммутацию отвечает отдельная схема внутри ГЭС. Иногда для заданных потребителей с большими объемами (завод, фабрика) отдают сразу один или несколько фидеров напрямую, как на Нарвской. Генератор может быть синхронизирован и включен в общую цепь, как исторически было на всех машинах, либо может быть развязан через высокочастотный накопитель (как иногда делают в Европе). У нас на ГЭС я такой развязки пока нигде не видел, принцип там по аналогии с DC-DC ШИМ-адаптером, и смысла в ней на больших мощностях особого нет, одни потери в КПД и нагрев. Зато позволяет играться с физическими параметрами механики.
На фото: верхняя часть генератора, вращающийся вал и табличка с параметрами агрегата, рубильники фидеров и Катя :)
У генераторов и машины есть собственные нужды: масло и гидравлика, техническая вода, обеспечение температурного режима и так далее. Нагрузка в рабочем режиме на агрегат сравнительно небольшая, но постоянная, а работать агрегату до планового ТО предстоит очень много лет подряд. Поэтому за состоянием узлов и параметрами жидкостей следит автоматика. Ремонт агрегата - во-первых, штука очень дорогостоящая, а во-вторых, для любого ремонта утвержден график на год вперед, и ты не можешь просто взять и вывести агрегат в произвольное время кроме как по аварии, за это обычно прилетает по шапке. В-третьих, выведенный агрегат электроэнергию не производит, потребителю не отдает, и зарплату для станции не зарабатывает. Короче, лучше так не делать.
Параметры с управляющей системы станции отдаются другим ИС, например тому же Оператору и Сетевой компании. В основном это данные с коммутации и распределения (напряжение, переток), показатели по частоте и девиации, граничные оповещения. В случае, если сторонняя система "увидит" у себя расхождения с нормой, а никаких плановых оповещений от станции не поступало, дежурный наберет и поинтересуется, а всё ли хорошо.
У ГЭС есть собственные аварийные дизельные генераторы и насосная станция, чтобы обеспечить запуск агрегатов - запустить маслонасосы, гидравлику, дать техническую воду. В целом тут, как и везде, самый спокойный режим - когда всё уже работает и работает штатно, остается только следить за показаниями.
Для всех устройств, работающих в синхронном режиме (т.е в общей сети 50 Hz), есть процедура синхронизации. Если воткнуть в сеть устройства в противофазе, то получится внутрифазное короткое замыкание, и что-то ценное и дорогостоящее рискует выгореть кху ям. Сначала синхронизируются показатели частоты, грубо по частоте вращения вала, затем точно - изменением балластной нагрузки. Потом синхронизируется угол фазы. Внутри системы коммутации подключается контрольная схема с большим входным сопротивлением, которая замеряет разницу в перетоке между сетью и агрегатом. И если показания в норме, то агрегат включается в сеть.
На фото: поднятые щиты, старые приборы (частота и напряжение генерации), сброс воды на сегментном затворе водосброса, ключ на пульте.
Мощность станции отдается на коммутацию и далее к потребителям. Внутренняя коммутация отвечает за распределение нагрузки, за резервирование и питание внутренних систем. Внешняя - это обычная подстанция, отвечает за напряжение отдачи (линейные трансформаторы), и питает ЛЭП к потребителям.
На фото: комм.шкаф ячейки трансформатора (внутр), изоляторы схемы питания трансформатора (внешн), высоковольная коммутация
