Помпено-акумулиращи водноелектрически централи

ВЕИ енергетикaТехнически статииСп. Енерджи ревю - брой 3, 2011

Помпено-акумулиращите водноелектрически централи (ПАВЕЦ) са вид водноелектрически централи, които освен че използват енергията на водната маса за произвеждане на електричество, разполагат и с възможност да изпомпват вода от по-ниско разположен водоем.

Акумулирането на водна енергия се извършва, като водата от долния басейн се транспортира в горния, т. е. трансформира се електрическата енергия в потенциална енергия на водата (помпен режим на работа). Този режим на работа се осъществява, когато потреблението на електрическа енергия е малко, следователно съществува излишък на енергия в преобразуващата система.

Потенциалната енергия на акумулираната вода в горния басейн се трансформира (вторично) в електрическа енергия (турбинен режим), когато потреблението е голямо. По този начин ПАВЕЦ акумулират електрическа енергия през време на минималното натоварване на енергийната система (през нощта) и я връщат обратно в системата през време на максималното натоварване. Мощността на ПАВЕЦ трябва да е в границите на 15 - 20% от върховата мощност на електроенергийната система, от които приблизително половината се използват за покриване на върховите натоварвания, а останалите - за регулиране на честотата, мощността и създаване на авариен резерв. За изграждането на икономична и целесъобразна ПАВЕЦ е необходимо да се осъществи пълна съгласуваност между хидравличната схема и машините и съоръженията, включени в нея.

Принцип на работа

За разлика от водноелектрическите централи, помпено-акумулиращите изискват две водохранилища с обем по няколко десетки милиона кубически метра. Нивото на водата в едното обикновено е с няколко десетки метра по-високо от другото. Двете водохранилища се свързват с водопроводи, като при долното водохранилище се изгражда сградата на електроцентралата. В нея са монтирани обратими хидроагрегати – хидравлични турбини и електрически генератори, разположени на един вал, които могат да работят и като генератори на ток и като електрически водни помпи. Когато консумацията на електроенергия намалее, хидравличните турбини изпълняват ролята на помпи, изкачвайки водата от долното водохранилище в горното. В този случай генераторите работят като електродвигатели, получаващи електрическа енергия от топлоелектрическите и атомната електроцентрали. Когато консумацията на електроенергия се увеличи, хидроагрегатите на ПАВЕЦ се превключват на обратно въртене. Падащата от горното в долното водохранилище вода задвижва хидравличните турбини и генераторите произвеждат електрическа енергия.

Видове ПАВЕЦ

В зависимост от хидравличната схема, ПАВЕЦ могат да бъдат с просто акумулиране, ако в горния басейн няма допълнителен приток на вода. В този случай горният басейн се напълва с вода от долния, следователно ПАВЕЦ работи с една и съща вода. Необходимият обем вода в долния басейн се получава чрез преграждане на воден източник. В случаите, когато в горния басейн има приток на вода, ПАВЕЦ може да работи в турбинен режим не само с акумулираната вода по време на помпения режим, но и за сметка на водата от допълнителния приток, т. е. акумулирането е комбинирано, при което се получава съчетанието ВЕЦ-ПАВЕЦ. Комбинираното акумулиране чрез съчетанието ВЕЦ-ПАВЕЦ може да се изпълни и при случаите, когато геодезичната височина при турбинен режим е по-голяма от тази при помпен режим. Хидравличните схеми с комбинирано акумулиране могат да се осъществят по аналогия на хидравличните схеми за ВЕЦ като приязовирни или деривационни. За разлика от ВЕЦ при ПАВЕЦ и двата басейна трябва да притежават акумулиращи способности и минимални колебания на водните си нива. В зависимост от циклите на акумулиране, ПАВЕЦ се подразделят на централи с денонощно, седмично и сезонно акумулиране.

В зависимост от използването налягане

ПАВЕЦ се разделят на нископадови (до 100 mH2O), среднопадови (до 400 - 500 mH2O), високопадови (над 500 mH2O). Нископадовите ПАВЕЦ обикновено се изграждат като приязовирни централи на нови обекти, като разширение или реконструкция на съществуващи централи. Среднопадовите ПАВЕЦ са най-често срещаните, което се обяснява както с повечето възможности за създаване на налягания от 100 до 500 mH2O, така и със съществуващите и усвоени в производството хидравлични машини.

Високопадовите ПАВЕЦ се изграждат в случаите, когато е възможно да се създадат необходимите налягания. Понякога е проблематично и комплектоването на подходящото оборудване за тях. Областта между 500 и 650 mH2O се явява смесена зона между турбините тип Францис и Пелтон.

В зависимост от необходимата мощност

ПАВЕЦ се изпълнява с четири-, три- или двумашинни агрегати. Четиримашинните агрегати се състоят от две хидравлични машини (помпа и турбина) и две електрически (двигател и генератор). При тази компановка на агрегата за всеки режим на работа работи отделна самостоятелна група машини. По същество, такова изпълнение на агрегата представлява самостоятелна помпена и турбинна група. Тези агрегати работят винаги с оптимални КПД и честота на въртене, които могат да бъдат еднакви или различни както по големина, така и по посока, понеже се оразмеряват самостоятелно и за собствените си режими на работа. Подобна схема на агрегата може да се използва за всякакви налягания и различни колебания на налягането и дебитите, като изпълнението им може да бъде хоризонтално, вертикално или смесено.

Тримашинните агрегати се използват за налягане по-малко от 150 mH2O и имат икономични решения, когато инсталираната мощност в ПАВЕЦ е по-голяма или равна на 130 MW. Състоят се от две хидравлични и една електрическа машини, и осигуряват сравнително висок КПД на ПАВЕЦ-а. Прилагат се, когато агрегатът трябва да работи в турбинен режим с по-голяма мощност, отколкото в помпен. Агрегатите работят най-често с еднаква честота и посока на въртене, следствие на което са много маневрени. Те се изграждат в хоризонтално или вертикално изпълнение с турбини тип Францис или Пелтон. Обикновено, при постоянни режими на работа (работа с максимална мощност и отклонение от 1 до 5% от нея) се използват турбини тип Францис за падове по-големи от 600 mH2O. При променливи режими на работа (изменение на мощността с повече от 5%) специалистите препоръчват използването на турбини тип Пелтон, тъй като КПД на турбините тип Францис рязко намалява при широк диапазон на използване.

Двумашинните агрегати се състоят от една хидравлична (помпа-турбина) и една електрическа (двигател-генератор) машина. Тези агрегати намират приложение за налягане от 3 до 600-700 mH2O при едностъпално изпълнение на хидравличните машини. За налягания от 3 до 20 mH2O се използват вертикални и хоризонтални турбини Каплан, които имат еднаква по големина и посока честота на въртене. Напоследък все по-често се използват диагонални турбини за налягане от 20 до 200 mH2O поради възможностите, които предоставя двойното регулиране на мощността. Агрегатите с турбини тип Францис намират широко приложение за налягания от 80 до 700 mH2O. Тези агрегати имат вертикално изпълнение и работят с еднакви по големина и различни по посока честоти на въртене. За налягания по-големи от 700 mH2O се използват двумашинни агрегати, при които хидравличните машини са многостъпални. Обратимата хидравлична машина в случая представлява многостъпална помпа. Не е желателно тя да работи на променлива мощност поради рязкото спадане на КПД. Тези машини се изпълняват с неподвижен направляващ апарат и работят в много тесни граници около оптималната им работна точка.

Надземни и подземни ПАВЕЦ

В зависимост от природните условия и от компановката на агрегатите, сградата на ПАВЕЦ се изгражда надземна или подземна. Избирането на вида й се извършва въз основа на вариантни решения и технико-икономическа обосновка. При надземните ПАВЕЦ най-често всички съоръжения (горен изравнител, напорен тръбопровод, машинна сграда и долен изравнител) се намират над терена. В някои случаи една част от водопровеждащите съоръжения могат да бъдат под земята. При изграждането на подземни ПАВЕЦ първоначално се създава отвор (каверна) под земята, необходим за сградата на централата, след което следва бетонирането на този отвор за оформянето на централата. Създават се необходимите фундаменти за машините и съоръженията, както и отводящи тръбопроводи, които свързват хидравличните машини с долния басейн. При голяма дължина на отводящите тръбопроводи понякога се налага изграждането на долна водна кула към тях.

Помпено-акумулиращи ВЕЦ у нас

На територията на нашата страна са изградени три помпено-акумулиращи водноелектрически централи - ПАВЕЦ Орфей, ПАВЕЦ Белмекен и ПАВЕЦ Чаира. ПАВЕЦ Орфей се намира над град Кричим и има капацитет за производство на електричество 160 MW и за изпомпване на вода - 45 MW. Захранва се с водите на язовир Въча и е третото стъпало на каскадата Въча (след ВЕЦ Тешел и ВЕЦ Девин). ПАВЕЦ Белмекен е разположена над село Сестримо, Югозападна България. С капацитет за производство на електричество 375 MW и за изпомпване на вода - 104 MW, това е една от най-големите водноелектрически централи в страната. Захранва се с водите на язовир Белмекен и е първото стъпало на каскадата Белмекен-Сестримо-Момина клисура.

ПАВЕЦ Чаира е най-новата и най-голямата помпено-акумулираща водноелектрическа централа не само у нас, но и в Югоизточна Европа. Разположена е над село Сестримо в Рила планина. Разполага с четири помпено-генераторни хидроагрегата с общ капацитет за производство на електричество 864 MW и за изпомпване на вода 788 MW. Захранва се с водите на язовир Чаира в помпен режим и на язовир Белмекен в генераторен.

Каскада Белмекен – Сестримо заедно с ПАВЕЦ Чаира формират най-големия хидроенергиен комплекс в България с обща мощност 1600 MW в генераторен режим и 892 MW в помпен режим. Средногодишното производство на каскадата от последните десет години е 1 088 024 МWh. ПАВЕЦ Чаира е и централата с най-висок напор за едностъпална помпа в света (690 м  в генераторен и 701 м в помпен режим).

ПАВЕЦ Чаира - конструктивни особености

ПАВЕЦ Чаира е подземна електроцентрала. Машинната зала се намира на 350 м под земята в каверна с размери 22,5/111,5 м с максимална височина 43 м. Там е разположена и втората командна зала. В съседна, по-малка каверна е разположено трансформаторното помещение. От язовирното езеро на долния изравнител до машинна зала се достига по тунел с дължина около 1 километър. Строителството е извършено на два етапа, първият от които започва през 1980 г. и поради финансови затруднения е завършен през 1995 г. През първия етап са изградени подземната машинна зала, два напорни тунели с обща дължина 4300 м, подземен напорен тръбопровод №1 с дължина 1800 м, хидроагрегати №1 и №2, както и долният изравнител яз. Чаира с язовирна стена. Хидроагрегати №1 и №2 влизат в експлоатация през април 1995 г.

Вторият етап на ПАВЕЦ Чаира е реализиран в периода 1996 - 1999 г. Изградени са напорен тръбопровод №2, водна кула, главен трансформатор №2 и хидроагрегати №3 и №4. Оборудването за първи етап е доставено от фирма Тошиба-Япония, а това за втори етап е произведено по японски лиценз във Вапцаров, Плевен и Елпром-ЗЕМ, София. Хидроагрегати №3 и №4 влизат в експлоатация през август 1999 г.

Хидротехнически параметри

n Напор: генератор - 690 м; помпа - 701 м;

n Максимално водно количество: генератор - 36,0 м3/сек.; помпа-29,5 м3/сек.

n Брой и тип на турбините/помпите: - 4, тип Francis

n Напорни канали: 2 броя Ж4,4 - 4,2 м

n Дебит на напорните канали: 2 x 72 м3/сек.

Електрически параметри

n Мощност: генератор – 235 MVA; помпа – 224 MVA

n Напрежение: 19 kV

n Ток: генератор – 7141 А; помпа – 7294 А

n Обороти: 600 об/мин.

n Методи за пуск в помпен режим: гръб в гръб (back to back), статична пускова система (статик-стартер).

n Трансформатори: по един трансформатор (три пофазни) на всеки два хидроагрегата. Трансформаторите са пофазни, като повишават генераторното напрежение от 19 kV на 400 kV. Мощността на всеки един трансформатор е 158 MVA. Посредством силови 400 kV кабели се осъществява връзка с ОРУ 400, което се намира на повърхността.

Системните връзки на ПАВЕЦ Чаира се осъществяват чрез ЕП Крива река и ЕП Алабак на 400 kV.

Среднодневната работа на централата, която е ограничена от обема на долния изравнител яз. Чаира, позволява непрекъсната работа с пълна мощност в генераторен режим 8,5 часа и в помпен режим 11 часа. Централата осигурява възможности за оптимизиране на режима на базовите производствени мощности в АЕЦ и ТЕЦ и подобрява важни технически характеристики на българската електроенергийна система, сред които гъвкавост при управлението на нормални режими и надеждно овладяване на пикови колебания на товара в денонощен и седмичен разрез; сигурност и бързина при заместване на аварийно изключени генериращи мощности и регулиране на напрежението в системата. Със своята висока маневреност, бързина на смяна на режимите и предвидимостта на ресурса, ПАВЕЦ Чаира има фундаментално значение за управлението и сигурността на електроенергийната система в страната.

По материали на П. Радулов "BEЦ и пoмпeни cтaнции",

С. Милославов "Хидроенергийни системи", НЕК





Top