Гидравлические электрические станции

Гидроэнергия относится к числу возобновляемых источников, которые традиционно используются уже многие годы. Неиссякаемая энергия рек является следствием круговорота воды в природе, совершаемого за счёт энергии солнца. Запасы этой энергии на планете определяются общим годовым стоком рек, который оценивается в 40 000 куб. км.

Самая полноводная река мира Амазонка каждый год несёт в Атлантический океан более 7000 куб. км воды, объём которой можно представить в виде куба с ребром в 18 км. Крупнейшая река России Енисей характеризуется стоком, равным примерно 620 куб. км в год.

Годом рождения современной гидроэнергетики можно считать 1891 год, когда русский инженер М.О. Доливо-Добровольский в Германии построил первую ГЭС мощностью 1000 кВт с трёхфазным генератором, который вращала небольшая водяная турбина.

Это строительство было приурочено к открытию электротехнической выставки во Франкфурте-на-Майне. Вырабатываемая электроэнергия передавалась от ГЭС на территорию выставки по невероятно протяжённой по тем временам линии передач длиной 175 км.

Принципиальная схема устройства современной ГЭС проста и понятна (рисунок 5.1).

Важнейшим элементом ГЭС является плотина, выше которой по течению реки образуется водохранилище с большим запасом воды. Уровень воды в водохранилище называют горизонтом верхнего бьефа (ГВБ), уровень воды в реке ниже плотины – горизонтом нижнего бьефа (ГНБ). Разность этих горизонтов называют напором, измеряемым в метрах,

Н=ГВБ – ГНБ.

В теле плотины устроены каналы для подвода падающей воды к гидравлическим турбинам, которые вращают ротора синхронных генераторов.

Рисунок 5.1. Принципиальная схема ГЭС:

1–плотина; 2–водохранилище; 3–гидротурбина; 4–водоподводящий канал; 5–гидрогенератор; 6–трансформатор; 7–здание ГЭС; 8–защитная решетка.

Мощность в МВт, вырабатываемая гидроагрегатами, определяется по формуле

,

где Q – расход воды в м³/с;

H – напор в м;

– КПД в %.

Водохранилище позволяет менять мощность, вырабатываемую ГЭС, независимо от притока воды, поступающего с верховьев реки, срабатывая или накапливая воду в водохранилище.

По оценкам наибольшие запасы гидроэнергии размещаются в КНР, России, Бразилии, США, Заире и Индии. Однако далеко не везде эти запасы эффективно используются. В Швеции и Норвегии, например, гидроресурсы использованы почти на 80 %, в Японии на 65, а в России примерно на 10 %.

Установленная мощность всех ГЭС на планете составляет примерно 1000 ГВт, а их доля в годовой выработке электроэнергии около 20 %. Крупнейшая ГЭС мира «Три ущелья» пущена в Китае на реке Янцзы в 2012 г. и имеет мощность 22,5 ГВт. В Южной Америке самая мощная ГЭС Итайпу имеет мощность 14 ГВт.

В 2015 году в Республике Конго (Заир) начнется реализация проекта возведения крупнейшей в мире электростанции на реке Конго. Итоговая мощность этой ГЭС составит 40 ГВт и ее хватит для удовлетворения потребностей в электроэнергии почти половины Африки. Стоимость проекта «Инга-3» составит 8,5 млрд. долларов США.

В России первые ГЭС появились в дореволюционное время. Суммарная мощность их составляла 16 тыс. кВт, а самая крупная ГЭС имела мощность 1350 кВт. Примечательно, что проект Днепрогэса был представлен инженером Г.Графтио еще в 1905 г. и, хотя состоял из 3-х гидросооружений с оптимальной зоной затопления, был отвергнут. Лишь в 1927 г., уже переработанный проект, был принят к строительству и пущен в 1932 г.

В 1926 году в Советской России состоялся торжественный пуск первой построенной по плану ГОЭЛРО Волховской ГЭС мощностью 66 МВт при напоре 13,5 м.

В 1949-1950 гг. принимается решение о строительстве мощных ГЭС на Волге, Каме и Днепре. Схема каскада ГЭС на Волге и Каме показан на рисунке 5.2.

Рисунок 5.2. Схема Волжско-Камского каскада ГЭС

Гидростанции: 1–Иваньковская; 2–Угличская; 3–Рыбинская; 4–Горьковская; 5–Чебоксарская; 6–Волжская им. Ленина; 7–Саратовская; 8–Волжская им.ХХП съезда; 9–Верхнекамская; 10–Камская; 11–Воткинская; 12–Нижнекамская.

Успехи в методах проектирования гидросооружений, освоение новых строительных материалов и передовых методов строительства дали возможность создавать высотные плотины. На реке Вахш в Таджикистане построена грандиозная плотина Нурекской ГЭС высотой в 320 м, более чем на 300 м поднимаются плотины Рогунской и Ингурской ГЭС.

Сегодня крупнейшие ГЭС России находятся на реках Сибири. Самая мощная из них Саяно-Шушенская ГЭС на Енисее имеет 10 агрегатов по 640 МВт. Расчётный напор ее – 245 м, бетонная плотина имеет объём 59,1 млн. м³, равный объёму куба с ребром около 400 м. Расчётный объём водохранилища этой ГЭС равен 31,3 млрд. м³.

Самое большое водохранилище объёмом 170 млрд. м³ имеет Братская ГЭС на Ангаре, общая мощность которой 4500 МВт при напоре 106 м.

В 2014 г. были пущены первые 3 блока по 333 МВт на Богучанской ГЭС на Ангаре. с проектной мощностью 3000 МВт.

Большие водохранилища оказывают негативное влияние на климат регионов, повышая влажность воздуха, что в холодное время года вызывает простудные заболевания и другие болезни. Огромные массы воды оказывают давление на земную кору, что может спровоцировать тектонические изменения и повысить вероятность возникновения землетрясений. Плотины ГЭС затрудняют или делают невозможным сквозное судоходство по рекам, нарушают веками сложившиеся пути для нереста ценных пород рыб. Сооружение ГЭС требует больших капиталовложений и длительных сроков строительства.

Однако практически бесплатный первичный энергоресурс – вода и поэтому низкая себестоимость электроэнергии, вырабатываемой на ГЭС, делают их привлекательными и являются причиной строительства новых ГЭС, в том числе и небольшой мощности.

Малые ГЭС мощностью менее 2 МВт не требуют больших водохранилищ и плотин, могут строиться на небольших реках и при современном уровне автоматизации способны работать без обслуживающего персонала. Малые ГЭС не оказывают вредного влияния на окружающую среду. В Швеции, например, где гидроресурсы освоены почти полностью, работает более 1000 ГЭС, из них только 14 имеют мощность более 250 МВт.

В России в 50-е годы прошлого века эксплуатировалось более 6500 малых ГЭС общей мощностью около 330 МВт. С сооружением мощных ГЭС интерес к малым пропал и к 1995 г. в рабочем состоянии сохранилось не более 400 штук. Одна из них мощностью 2,5 МВт до сих пор работает в Москве на канале, спрямляющем русло реки Москва. Экономический потенциал малых рек России оценивается примерно в 360 млрд. кВт·ч.

Гидроэлектростанции имеют ещё одно преимущество – они позволяют аккумулировать энергию. Гидроаккумулирующая электростанция (ГАЭС) ночью перекачиванием воды из нижнего бассейна (рисунок 5.3) в верхний, и преобразует потенциальную энергию запасённой воды в электрическую в часы пиковых нагрузок энергосистемы.

Рисунок 5.3. Схема гидроаккумулирующей электростанции

Гидроагрегаты ГАЭС при этом должны быть обратимыми – т.е. способными работать в режиме насоса и генератора. Коэффициент полезного действия ГАЭС, определяемый отношением вырабатываемой энергии при использовании запасенной воды к затрачиваемой в насосном режиме, составляет около 70-75 %. Сооружение ГАЭС позволяет выравнивать суточный график энергосистемы и за счёт снижения пиковой нагрузки, для покрытия которой используются самые неэкономичные электростанции, экономить топливо.

Сегодня ГАЭС работают в 35 странах, общее число их более 300, а установленная мощность превышает 100 ГВт. В России действует только одна Загорская ГАЭС мощностью 1200 МВт. Выбор места сооружения ГАЭС во многом определяется рельефом местности и крутизной берегов реки. Самый большой перепад высот, равный 1260 м, между верхним искусственным бассейном и руслом реки имеет одна из ГАЭС Италии. ГАЭС при строительстве требуют гораздо меньше бетона и в несколько раз дешевле аналогичных по мощности ГЭС.