Гидроаккумулирующие гидроэлектростанции (ГАЭС) в отличие от обычных гидроэлектростанций являются не только комплексом сооружений и оборудования для генерирования электроэнергии, но и ее потребления для преобразования в потенциальную энергию поднятой воды. Процессы потребления, преобразования и последующего генерирования электроэнергии, осуществляемые ГАЭМ, называются гидроаккумулированием. Работа ГАЭМ, как и других аккумуляторов электроэнергии, заключается в смене двух раздельных во времени режимов: накопления энергии или заряда и ее отдачи потребителям - разряда ГАЭС.
Заряд ГАЭС представляет собой подъем воды гидромашинами с электрическим приводом из нижнего в верхнее водохранилище. Эти водохранилища называются также резервуарами или бассейнами. Такой режим работы происходит во время снижения электропотребления ночью, в выходные и праздничные дни, а также в сезонном интервале времени. При разряде, происходящем в часы максимума нагрузки или аварии на других станциях или электрических сетях энергосистемы, потенциальная энергия поднятой воды преобразуется в электрическую. При этом вода срабатывается из верхнего в нижний резервуар, т.е. пропускается через турбины или обратимые гидромашины, которые работают совместно с реверсивными электромашинами, генерирующими электрический ток, как и на обычных гидроэлектростанциях. Таким образом, гидроаккумуляторы при заряде работают как насосные станции, а при разряде - в качестве гидроэлектростанций. При этом мощность турбинного режима выражается той же формулой, что и для ГЭС, а для насосного режима - формулой мощности насосных станций:
,
где Nн - мощность насосного режима, кВт; Нн - подведенный напор, м, определяемый суммой статического напора и его гидравлических потерь;hн - КПД насосного режима; Q – подача воды, м3/с.
ГАЭС можно классифицировать по следующим основным признакам:
- по возможности использования речного стока для выработки электроэнергии совместно с гидроаккумулированием;
- по продолжительности одного цикла заряда - разряда ГАЭС;
- по типу основного гидроэнергетического оборудования.
Рисунок 8.4 - Основные схемы и элементы ГАЭС: 1 - верхний резервуар; 2 - напорный трубопровод; 3 - нижний резервуар; 4 - здание ГАЭС; 5 - здание насосной станции
По возможности использования речного стока ГАЭС разделяются на совмещенные и несовмещенные с гидроэлектростанциями. Если источником энергии, получаемой при заряде ГАЭС, являются только другие станции, то такие ГАЭС являются несовмещенными гидроэлектростанциями.
Естественный приток воды в верхний резервуар этих ГАЭС практически отсутствует (рис.8.4а), а высота подъема и высота сработки воды из одного в другой резервуар одинаковы. Такие станции иногда называются ГАЭС чистого аккумулирования, а также полного аккумулирования. При совмещенном или "неполном" гидроаккумулировании к воде, перекачиваемой из нижнего в верхний резервуар, добавляется речной сток, который увеличивает энергию разряда на выработку электроэнергии обычной ГЭС (рис.8.4б). Верхним резервуаром в этом случае может быть водохранилище в виде подпертого бьефа или озера, которое также регулирует сток, а нижний резервуар создается в нижнем путем его подпора нижележащей ступенью ГЭС или специально созданной плотиной. Такие совмещенные установки называются ГАЭС смешанного типа, или ГЭС-ГАЭС.
В рассматриваемой схеме ГЭС-ГАЭС увеличение мощности и выработки энергии используемого речного стока достигается за счет многократного перемещения воды из нижнего бьефа в верхний.
В районах, бедных гидроресурсами и нуждающихся в пиковых мощностях, получили преимущественное распространение ГАЭС несовмещенного типа. Такие станции строятся вблизи центров электропотребления при наличии благоприятных естественных условий. Они определяются, главным образом, возможностью концентрации наибольшего напора с расположением верхнего и нижнего резервуаров.
По длительности цикла гидроаккумулирования, определяемого временем полной сработки и наполнения полезного объема резервуаров, ГАЭС разделяются на станции суточного, недельного и сезонного водоаккумулирования.
Для ГАЭС несовмещенного гидроаккумулирования с искусственно создаваемыми резервуарами характерно суточное аккумулирование, которое иногда сочетается с его недельным циклом. ГАЭС суточного аккумулирования используются также в двухтактном режиме, т.е. в течение суток заряд осуществляется дважды - не только ночью, но и в часы дневного снижения нагрузки. В двухтактном режиме возможно увеличение мощности и энергии разряда ГАЭС, но при этом возрастают затраты на заряд, так как во время дневного провала нагрузки расход топлива и стоимость электроэнергии, используемой для заряда, выше, чем в ночное время.
При недельном цикле гидроаккумулирования заряд ГАЭС осуществляется ночью во время выходных суток, а разряд-днем в рабочие дни. Возможно также дополнение недельного заряда суточным подзарядом в часы наибольшего снижения нагрузки рабочих суток.
Кроме суточного и недельного гидроаккумулирования, имеется возможность его применения более длительно-сезонный цикл. Это соответствует случаю, когда значительное затопление основного русла реки для создания водохранилища ограничивается местными условиями. При этом возможно создание сравнительно небольшого речного водохранилища и вблизи него надпойменного или верхового бассейна сезонного аккумулирования. Заполнение этого бассейна производится во время половодья, а сработка - в межень. При этом подача воды для заполнения бассейна может вестись на меньшем напоре, чем ее сработка при разряде ГЭС-ГАЭС.
Помимо рассмотренных выше энергетических факторов гидроаккумулирования важное значение имеют также потери энергии при ее преобразовании из электрической в механическую и потенциальную энергию поднятой воды, а затем снова в электроэнергию. Эти потери определяют расход и экономию топлива в энергосистеме за счет гидроаккумулирования, что существенно влияет на его эффективность.
Показателем потерь энергии при гидроаккумулировании является коэффициент полезного действияhгаэс, равный отношению электроэнергии, полученной при разряде, к электроэнергии, расходуемой на заряд.
Значение КПД ГАЭС может быть получено по потерям энергии на отдельных этапах ее преобразования. Помимо потерь энергии в водоводах, электрическом и механическом оборудовании, имеются также потери во вспомогательном оборудовании.
Для современных ГАЭС с крупными обратимыми агрегатами и одинаковой частотой вращения этот коэффициент достигает 75% и более.
,