Гидроэлектрические станции для выработки электрической энергии используют энергию падающей воды. Речная вода из-за разности уровней непрерывным потоком перемещается от истока к устью. Если построить такое сооружение как плотина, которая перекроет движение воды реки, то уровень воды перед плотиной будет намного больше чем после нее.
Разность между верхним и нижним уровнем (бьефом) называют напором, или еще могут называть высотой падения. Принцип работы гидроэлектростанции довольно прост – на уровне нижнего бьефа устанавливают турбину и направляют на ее лопатки поток воды с верхнего бьефа. Под действием силы падающего водяного потока турбина начнет вращаться, приводя в движение ротор электрического генератора, с которым связана механически. Мощность гидроэлектростанций напрямую зависит от величины напора, а также от количества воды, которая пройдет через все турбины гидроэлектрической станции. Коэффициент полезного действия (КПД) гидроэлектрических станций значительно выше тепловых и составляет порядка 85%.
По характеру воздвигнутых сооружений гидроэлектростанции разделяют на:
- Приплотинные – в них напор создается плотиной. Такие сооружения строятся на равнинных реках с небольшим напором. Это связано с тем, что для получения большого напора необходимо создавать водохранилища, которые затопляют значительные территории;
- Деривационные – значительный напор здесь создается за счет деривационных (обходных) каналов. Гидроэлектростанции такого типа сооружают на горных реках, из-за больших уклонов, которые создают нужный напор при относительно малом расходе воды;
Крупные гидроэлектростанции не работают изолировано от других электрических станций. Наиболее часто применяют работу гидроэлектростанций параллельно с тепловыми, тем самым создавая оптимальный режим потребления топлива ТЭС и гидроэнергии ГЭС. Это процесс заключатся в следующем – зимой, когда уровень воды в реках идет на спад и, соответственно, ГЭС не могут работать на полную мощность, тогда часть нагрузки ГЭС берет на себя ТЭС, а летом, когда уровень воды в реках увеличивается, ГЭС начинают работать на полную мощность, а ТЭС снижает выработок электрической энергии, снижая тем самым потребления органического топлива. Таким образом происходит экономия средств на твердом топливе, что снижает стоимость электрической энергии.
Гидроэлектростанции имеют ряд преимуществ над тепловыми электростанциями, а именно:
- Процесс выработки электроэнергии на гидроэлектростанции намного проще, чем на тепловой;
- КПД гидроэлектростанции значительно выше ТЭС;
- Себестоимость производства электроэнергии на крупных ГЭС примерно в 5 раз ниже чем на ТЭС сравнимой мощности. Это объясняется очень просто – на ГЭС нет необходимости в подвозе органического топлива, а это минус цена за само топливо и транспортировку его. На ГЭС нет топливных устройств и служб, которые необходимо для его обслуживания, что уменьшает количество обслуживающего персонала и затраты на запасные части и техническое обслуживание.
Главным недостатком ГЭС является их длительное сооружения и очень высокая стоимость.
Ангара - река уникальная. Именно здесь расположен крупнейший комплекс гидро-электростанций в России : в конце 2012 года была запущена Богучанская ГЭС , а выше по течению располагаются Иркутская, Братская и Усть-Илимская станции. Причем, руководство СССР планировало построить на Ангаре семь станций. Зачем так много и продолжится ли освоение Ангары энергетиками?
ПО ЗАДАНИЮ ВСНХ
Первая попытка разработки схемы использования водной мощи Ангары была предпринята в 1920 году. Известный инженер доктор технических наук Август Вельнер представил в госкомиссию по электрификации России доклад Водные силы Ангары и возможности их использования», где рассказывалось о каскаде ГЭС на Ангаре. Смелый по замыслу проект давал бы возможность создать рядом с источником дешевой энергии каскад из металлургических и химических заводов.
Более детальная проработка вопроса началась в 1930 году, когда при Высшем совете народного хозяйства появилось Управление по изучению Ангарской проблемы. В 1955 году была утверждена схема использования Ангары. Но Нижняя Ангара в ней не рассматривалась – последней ГЭС на реке планировалась Богучанская.
В конце 1956 года в 38 км от устья в русле Ангары геологи нашли Горевское свинцово-цинковое месторождение (до сих пор одно из крупнейших в мире). Руководство Государственного производственного Комитета по энергетике и электрификации СССР поручило Гидропроекту разработать схему строительства ГЭС в нижней части Ангары и среднего течения Енисея с учетом особенностей добычи полезных ископаемых. С тех пор вопрос защиты этого месторождения от затопления стал определяющим в разработке схем гидроэнергетического использования Нижней Ангары.
К 1964 году после сравнения нескольких вариантов выявился приоритетный – строительство Средне-Енисейской ГЭС на Енисее выше впадения Ангары, на объединенном стоке двух рек. Ангару при этом ниже впадения Тасеевой предлагалось перекрыть глухой плотиной, а воды реки перебросить по специально прорытому каналу в водохранилище Средне-Енисейской ГЭС в обход Горевского месторождения.
РАЗВАЛ СССР - КРЕСТ НА ПРОЕКТЕ
В 1975 году утверждается технико -экономическое обоснование Средне-Енисейской ГЭС мощностью более 7000 МВт. Станцию предлагалось строить в две очереди. На первом этапе на Енисее в 17 км выше впадения в него Ангары сооружается Савинская ГЭС мощностью 3050 МВт. На втором этапе сооружается Нижне-Ангарская глухая плотина, соединительный канал через водораздел Тасеева-Ангара и вторая очередь Средне-Енисейской ГЭС мощностью более 4000 МВт, работающая на ангарской воде. Такой вариант позволял создать гидроэнергетический комплекс общей мощностью до 7440 МВт и выработкой до 34,3 млрд.кВт.ч. электроэнергии, обеспечить защиту Горевского месторождения от затопления и подтопления, решить проблемы судоходства в Енисее и Нижней Ангаре за счет затопления Казачинских порогов и создания судоходного канала Енисей-Ангара.
Однако, впоследствии концепция менялась неоднократно. В 1990 году Гидропроект подготовил очередную схему использования нижней Ангары в составе каскада из трех ГЭС: Стрелковской (1600 МВт), Выдумской (1320 МВт), Нижнеангарской (660 МВт). Но после распада страны дальнейшие разработки были приостановлены.
ЧАСТНЫЕ ИНЕВЕСТИЦИИ
Интерес к строительству ГЭС на Нижней Ангаре вновь возник в конце 2000-х. В 2008 году была одобрена «Генеральная схема развития объектов электроэнергетики до 2020 года», куда были включены две станции из схемы 1990 года: Нижнебогучанская (бывшая Нижнеангарская) и Мотыгинская (бывшая Выдумская). По Мотыгинской ГЭС институт «Ленгидропроект » разработал обоснование инвестиций (мощность станции была определена в 1082 МВт), а компания “РусГидро” начала оценку воздействия строительства новой ГЭС на окружающую среду. Но кризис 2008 года привел к остановке работ по этому проекту.
Гидроэнергетики говорят, что использование потенциала Нижней Ангары очень привлекательно: река «приручена» - зарегулирована уже построенными водохранилищами, что позволяет создать мощные ГЭС при относительно небольших площадях затопления. Общая выработка электроэнергии может быть сопоставима с Богучанской ГЭС. В настоящее время институт «Ленгидропроект» ведет исследования гидроэнергетического потенциала речного бассейна реки Ангары на участке от Богучанской ГЭС до устья. Итогом работы должна стать обновленная схема гидроэнергетического использования реки, с определением площадок размещения и параметров перспективных ГЭС.
К строительству ГЭС на Нижней Ангаре проявляет интерес и «Евросибэнерго ». Компания объявила о планах строительства Нижнеангарской ГЭС мощностью 600-1200 МВт.
Зейская ГЭС — одна из крупнейших в России и вторая по мощности на Дальнем Востоке. Она находится в Амурской области, у города Зея и играет особую роль в дальневосточной энергосистеме.
Зейская ГЭС в Амурской области открыла историю большой гидроэнергетики на Дальнем Востоке 35 лет назад. Она построена в условиях сурового климата, оригинальна по конструкции и уникальна по техническому решению.
«Дорожка» водосброса:
В здании ГЭС установлено 6 гидроагрегатов, общая мощность которых составляет 1 330 МВт, среднегодовая выработка 4 910 миллионов киловатт часов. На Дальнем Востоке по мощности Зейскую ГЭС с недавних пор превосходит только Бурейская, о которой тоже скоро будет рассказ.
Зейская ГЭС имеет ряд уникальных особенностей. Плотина гидроэлектростанции имеет высоту почти 116 метров. Изюминкой станции является ее турбины. Зейская ГЭС первая в России с диагональными гидротурбинами. Такие турбины конструктивно сложнее, но зато могут эффективно работать при больших колебаниях напора воды.
Еще одна забавная особенность — целая колония сусликов живет на территории Зейской ГЭС:
Это такие некрупные грызуны семейства беличьих. Они известны своей привычкой при опасности вставать «столбиком» и издавать характерные свистящие звуки. (Фото Bob Cuthill):
Затворы — устройства, позволяющие регулировать пропуск воды через плотину:
Вид с гребня плотины:
С крана, находящегося на гребне, можно оценить перепад уровня воды, созданный плотиной:
Машинный зал:
Шахта гидрогенератора:
И вот мы попадаем в спиральную камеру , в начало начал — место, где вода движется на турбину и раскручивает ее. Даже представить сложно масштабы происходящего здесь процесса, во время работы генератора
Водовод Зейской ГЭС:
Это место, где можно увидеть ротор. Людям во время работы генератора находиться внутри запрещено, но если очень хочется, то ненадолго можно. Скорость вращения этой махины 136.4 оборота в минуту:
Но самое интересное — это внутренние пространства плотины. За счет того, что плотина массивная, внутри нее очень много пустого пространства. На нижних этажах достаточно сыро, стоит небольшой туман и пахнет, как в метрострое:
Этажи», которых насчитывается целых 6!
Цепь от старой набережной, разрушенной в 2007 году мощнейшим паводком:
Зейская ГЭС со включенной праздничной подсветкой:
Скульптура Зея, установленная здесь в 1981 году. Стрелы символизируют энергию, которую дает покоренная человеком своенравная горная река Зея:
Трансформаторы:
Виды моей родной Амурской области вокруг плотины:
Это была небольшая экскурсия на Зейскую ГЭС.
Бурейская ГЭС — это самая большая ГЭС на Дальнем Востоке и одна из самых современных электростанций в России. Познакомимся с ней поближе.
Бурейская ГЭС расположена в Амурской области на реке Бурея, что на языке эвенков означает «большая река ». Река берет свое начало в горах на высоте 1700 м в стыке хребтов Эзоп и Дуссе-Алинь.
Бетонная гравитационная плотина высотой 140 метров является самой высокой в нашей стране плотиной подобного типа:
Имея установленную мощность 2010 МВт, Бурейская ГЭС входит в десятку крупнейших гидроэлектростанций России. Водосброс ГЭС сконструирован таким образом, что потоки воды сталкиваются друг с другом и взаимно гасят свою энергию:
Вид с гребня плотины:
Водоводы:
140 метров:
Кран на гребне плотины:
Вид на ГЭС с левого берега:
Строительство береговых укреплений:
Внутри: красивый и просторный холл:
Машинный зал:
Мощность одного такого гидроагрегата составляет 335 МВт. Это много. Например, мощность всей ГЭС составляет 455 МВт:
Спиральная камера:
Пульт управления:
Одно из самых интересных и красивых мест на самой большой — это КРУЭ 500. Расшифровывается как «комплектное распределительное устройство с элегазовой изоляцией на 500 кВ». Неспециалистом это мало что говорит:
Интересно, что если вдохнуть в себя элегаз, то голос станет низким, превратится в рык (действие, противоположное действию гелия):
Тоннели внутри плотины:
Гидроэлектростанция - это комплекс сложных гидротехнических сооружений и оборудования. Его назначение - преобразовывать энергию потока воды в электрическую энергию. Гидроэнергия относится к числу так называемых возобновляемых источников энергии, т. е. практически неиссякаема.
Важнейшее гидротехническое сооружение - плотина . Она задерживает воду в водохранилище, создает необходимый напор воды. Гидравлическая турбина - главный двигатель на ГЭС. С ее помощью энергия воды, движущейся под напором, превращается в механическую энергию вращения, которая затем (благодаря электрическому генератору) преобразуется в электрическую энергию. Гидравлическая турбина , гидрогенератор, устройства автоматического контроля и управления - пульты размещены в машинном зале ГЭС. Повышающие трансформаторы могут располагаться и внутри здания, и на открытых площадках. Распределительные устройства чаще всего устанавливаются на открытом воздухе рядом со зданием электростанции.
В Советском Союзе, обладающем большими гидроэнергоресурсами (11112% от мировых), развернуто широкое строительство гидростанций. По установленной мощности гидроэлектриций. Только за 30 послевоенных лет, с 1950 станции подразделяют на малые - по 1980 год, выработка электроэнергии на до 5 МВт, средние - от 5 до 25 и крупные - ГЭС выросла более чем в 10 раз. свыше 25 МВт. В нашей стране действуют 20 ГЭС, на каждой из которых установленная мощность превышает 500 МВт. Крупнейшие из них - Красноярская (6000 МВт) и Саяно-Шушенская (6400 МВт) ГЭС.
Строительство ГЭС немыслимо без комплексного решения многих задач. Надо удовлетворять нужды не только энергетики, но и водного транспорта , водоснабжения, ирригации, рыбного хозяйства. Лучше всего этим задачам отвечает принцип каскадности когда на реке строят не одну, а ряд ГЭС, расположенных по течению реки. Это позволяет создать на реке несколько последовательно расположенных на разных уровнях водохранилищ, а значит, полнее использовать сток реки, ее энергетические ресурсы й маневрировать мощностью отдельных ГЭС. Каскады гидроэлектрических станций сооружены на многих реках. Кроме Волжского, каскады построены на Каме, Днепре, Чирчике, Раздане, Иртыше, Риони, Свири. Наиболее мощный Ангаро-Енисейский каскад с крупнейшими в мире ГЭС - Братской, Красноярской, Саяно-Шушенской и Богучанской общей мощностью около 17 ГВт и годовой выработкой 76 млрд. кВт- ч электроэнергии.
Существует несколько видов электростанций, использующих энергию потока воды. Помимо гидроэлектростанций строят еще гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС) и приливные электростанции (ПЭС). С первого взгляда едва ли заметишь разницу между обычной гидроэлектростанцией и гидро-аккумулирующей электростанцией. Такое же здание, где размещено главное энергетическое оборудование, такие же линии электропередачи. Нет принципиальной разницы и в способе производства электроэнергии. В чем же особенности ГАЭС?
В отличие от ГЭС гидроаккумулирующая станция требует два водохранилища (а не одно) емкостью по нескольку десятков миллионов кубических метров. Уровень одного должен быть на несколько десятков метров выше другого. Оба водохранилища сообщаются между собой трубопроводами. На нижнем водохранилище строится здание ГАЭС. В нем так называемые обратимые гидроагрегаты - гидравлические турбины и электрические генераторы размещены на одном валу . Они могут работать и как генераторы тока, и как электрические водяные насосы . Когда потребление энергии уменьшается, например в ночные часы , гидравлические турбины выполняют роль насосов , перекачивая воду из нижнего водохранилища в верхнее. При этом генераторы работают как электрические двигатели , получающие электрическую энергию от тепловых и атомных электростанций. Когда же потребление электроэнергии возрастает, гидроагрегаты ГАЭС переключаются на обратное вращение. Падающая из верхнего водохранилища в нижнее вода вращает гидравлические турбины, генераторы вырабатывают электрическую энергию. Таким образом, ГАЭС в ночные часы как бы накапливает электроэнергию, вырабатываемую другими электростанциями, а днем отдает ее. Поэтому ГАЭС обычно служит, как говорят энергетики, для покрытия «пиков» нагрузки, т. е. она дает энергию тогда, когда в ней особо нуждаются. На земном шаре действуют более 160 ГАЭС. У нас в стране первая ГАЭС построена под Киевом. Она имеет малый напор, всего 73 м, и суммарную мощность 225 МВт.
Вступила в строй более крупная ГАЭС в Московской области, мощностью 1,2 ГВт, с напором 100 м.
Обычно ГАЭС строят на реках. Но, как оказалось, подобные электростанции можно строить на берегах морей и океанов. Только там они получили иное название - приливные электростанции (ПЭС).
Два раза в сутки в одно и то же время уровень океана то поднимается, то опускается. Это гравитационные силы Луны и Солнца притягивают к себе массы воды. Вдали от берега колебания уровня воды не превышают 1 м, но у самого берега они могут достигать 13 м, как, например, в Пенжинской губе на Охотском море.
Если залив или устье реки перегородить плотиной, то в момент наибольшего подъема воды в таком искусственном водохранилище можно запереть сотни миллионов кубических метров воды. Когда же в море наступает отлив, между уровнями воды в водохранилище и в море создается перепад, достаточный для вращения гидротурбин, установленных в зданиях ПЭС. Если водохранилище одно, ПЭС может вырабатывать электрическую энергию непрерывно в течение 4-5 ч с перерывами соответственно по 1-2 ч четыре раза за сутки (столько раз меняется уровень воды в водохранилище при приливах и отливах).
Чтобы устранить неравномерность выработки электроэнергии, водохранилище станции делится плотиной на 2-3 меньших. В одном поддерживают уровень отлива, в другом - уровень прилива, третье служит резервным.
На ПЭС устанавливают гидроагрегаты, которые способны работать с высоким КПД как в генераторном (производить электроэнергию), так и в насосном режиме (перекачивать воду из водохранилища с низким уровнем воды в водохранилище с высоким уровнем). В насосном режиме ПЭС работает тогда, когда в энергосистеме появляется избыточная электроэнергия. В этом случае агрегаты подкачивают или откачивают воду из одного водохранилища в другое.
В 1968 г. на побережье Баренцева моря в Кислой губе сооружена первая в нашей стране опытно-промышленная ПЭС. В здании электростанции размещено 2 гидроагрегата мощностью 400 кВт.
Десятилетний опыт эксплуатации первой ПЭС позволил приступить к составлению проектов Мезенской ПЭС на Белом море, Пенжинской и Тугурской на Охотском море.
Использование великих сил приливов и отливов Мирового океана, даже самих океанских волн - интересная проблема. К решению ее еще только приступают. Тут многое предстоит изучать, изобретать, конструировать.
Строительство крупных энергетических гигантов - будь то ГЭС, ГАЭС или ПЭС - каждый раз экзамен для строителей. Здесь соединяется труд рабочих самой высокой квалификации и разных специальностей - от мастеров бетонных работ до монтажников-верхолазов.
С давних времен люди пользовались движущей силой воды. Мололи муку на мельницах, колеса которых приводились в движение потоками воды, сплавляли тяжелые стволы деревьев вниз по течению, в общем использовали гидроэнергию для решения самых разных задач, включая промышленные.
Первые ГЭС
В конце 19 века, с началом электрификации городов, гидроэлектростанции начали очень резко завоевывать популярность в мире. В 1878 году в Англии появилась первая в мире гидроэлектростанция, которая питала тогда всего одну дуговую лампу в картинной галерее изобретателя Уильяма Армстронга… А к 1889 году только в Соединенных Штатах гидроэлектростанций насчитывалось уже 200 штук.
Одним из важнейших шагов в освоении гидроэнергетики стало сооружение в 1930-е годы в США Плотины Гувера. Что касается России, то здесь уже в 1892 году, в Рудном Алтае на реке Березовка, была построена первая четырехтурбинная гидроэлектростанция мощностью 200 кВт, призванная обеспечить электричеством шахтный водоотлив Зыряновского рудника. Так, с освоением человечеством электричества, гидроэлектростанции ознаменовали собой стремительный ход промышленного прогресса.
Сегодня современные гидроэлектростанции - это огромные сооружения на гигаватты установленной мощности. Однако принцип работы любой ГЭС остается в целом достаточно простым, и везде почти полностью одинаковым. Напор воды, направленный на лопасти гидротурбины, приводит ее во вращение, а гидротурбина в свою очередь, будучи соединена с генератором, вращает генератор. Генератор вырабатывает электроэнергию, которая и .
В машинном зале гидроэлектростанции установлены гидроагрегаты, которые преобразуют энергию потока воды в энергию электрическую, а непосредственно в здании гидроэлектростанции располагаются все необходимые распределительные устройства, а также устройства управления и контроля работы ГЭС.
Мощность гидроэлектростанции зависит от количества и от напора воды, проходящей через турбины. Непосредственно напор получается благодаря направленному движению потока воды. Это может быть вода накопленная у плотины, когда в определенном месте на реке строится плотина, или же напор получается благодаря деривации потока, - это когда вода отводится от русла по специальному туннелю или каналу. Так, гидроэлектростанции бывают плотинными, деривационными и плотинно-деривационными.
Наиболее распространенные плотинные ГЭС имеют в своей основе плотину, перегораживающую русло реки. За плотиной вода поднимается, накапливается, создавая своего рода водяной столб, обеспечивающий давление и напор. Чем выше плотина - тем сильнее напор. Самая высокая в мире плотина имеет высоту 305 метров, это плотина на Цзиньпинской ГЭС мощностью 3,6 ГВт, что на реке Ялунцзян в западной части провинции Сычуань на Юго-Западне Китая.
Гидростанции, использующие энергию воды, бывают двух типов. Если река имеет небольшое падение, но относительно многоводна, то при помощи плотины, перегораживающей реку, создают достаточную разность уровней воды.
Над плотиной образуется водохранилище, обеспечивающее равномерную работу станции в течение года. У берега ниже плотины, в непосредственной близости к ней устанавливается водяная турбина, соединенная с электрическим генератором (приплотинная станция). Если река судоходна, то у противоположного берега делается шлюз для пропуска судов.
Если же река не очень многоводна, но имеет большое падение и бурное течение (например, горные реки), то часть воды отводится по специальному каналу, имеющему гораздо меньший уклон, чем река. Канал этот иногда имеет протяженность в несколько километров. Иногда условия местности вынуждают заменить канал тоннелем (для мощных станций). Таким образом создается значительная разность уровней между выходным отверстием канала и нижним течением реки.
У конца канала вода поступает в трубу с крутым наклоном, у нижнего конца которой располагается гидротурбина с генератором. Благодаря значительной разности уровней вода приобретает большую кинетическую энергию, достаточную для питания станции (деривационные станции).
Подобные станции могут иметь большую мощность и относиться к разряду районных электростанций (смотрите - ). На самых малых станциях турбина иногда заменяется менее эффективным, по более дешевым водяным колесом.
Виды ГЭС и их устройства
Кроме плотины гидроэлектростанция включает в себя здание и распределительное устройство. Основное оборудование ГЭС находится в здании, здесь установлены турбины и генераторы. Кроме плотины и здания, в ГЭС могут наличествовать шлюзы, водосбросные устройства, рыбоходы и судоподъемники.
Каждая ГЭС представляет собой уникальное сооружение, поэтому главная отличительная черта ГЭС от других типов промышленных электростанций - это их индивидуальность. Кстати, самое большое в мире водохранилище находится в Гане, это водохранилище Акосомбо на реке Вольта. Оно занимает 8500 квадратных километров, что составляет 3,6% площади всей страны.
Если по ходу русла реки имеется значительный уклон, то возводят деривационную ГЭС. Здесь нет необходимости в строительстве большого плотинного водохранилища, вместо этого вода только направляется через специально возводимые водоводные каналы или тоннели прямо к зданию электростанции.
Иногда на деривационных ГЭС устраивают небольшие бассейны суточного регулирования, позволяющие управлять напором, и таким образом влиять на количество вырабатываемой электроэнергии в зависимости от загруженности электросети.
Гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС) - особый вид гидроэлектростанций. Здесь сама станция предназначена для того, чтобы сгладить суточные перепады и пиковые нагрузки на , и тем самым повысить надежность работы электросети.
Такая станция способна работать как в генераторном режиме, так и в накопительном, когда насосы закачивают воду в верхний бьеф из нижнего бьефа. Бьефом, в данном контексте, называется объект типа бассейна, являющийся частью водохранилища, и примыкающий к гидроэлектростанции. Верхний бьеф располагается по течению выше, нижний - ниже по течению.
Примером ГАЭС может служить водохранилище Таум Саук в Миссури, возведенное в 80 километрах от Миссисипи, вместимостью 5,55 млрд. литров, позволяющее энергосистеме обеспечить пиковую мощность в 440 МВт.
