Гидроэлектростанция (ГЭС) - комплекс сооружений и оборудования, посредством которых энергия потока воды преобразуется в электрическую энергию. Гидроэлектростанции обычно строят на реках, сооружая плотины и водохранилища. Для эффективного производства электроэнергии на ГЭС необходимы два основных фактора: гарантированная обеспеченность водой круглый год и возможно большие уклоны реки. Благоприятствуют гидростроительству каньонобразные виды рельефа.
В состав гидроузла на равнинной реке входят: плотина, здание электростанции, водосбросные, судопропускные (шлюзы), рыбопропускные сооружения и др.
Принцип работы. Принцип работы ГЭС достаточно прост (рис. Д.1). Цепь гидротехнических сооружений обеспечивает необходимый напор воды, а энергетическое оборудование преобразует энергию движущейся под напором воды в механическую энергию движения турбины, которая приводит в действие генераторы, вырабатывающие электроэнергию.
Рисунок Д.1 - Схема гидроэлектростанции
Мощность ГЭС определяется расходом и напором воды. На ГЭС, как правило, напор воды образуется посредством строительства плотины или деривацией — естественным током воды. В некоторых случаях для получения необходимого напора воды используют совместно и плотину, и деривацию. Водное пространство перед плотиной называется верхним бьефом, а ниже плотины — нижним бьефом. Разность уровней верхнего (УВБ) и нижнего бьефа (УНБ) определяет напор Н. Верхний бьеф образует водохранилище, в котором накапливается вода, используемая по мере необходимости для выработки электроэнергии.
Непосредственно в самом здании гидроэлектростанции располагается все энергетическое оборудование. В зависимости от назначения, оно имеет свое определенное деление. В машинном зале расположены гидроагрегаты, непосредственно преобразующие энергию тока воды в электрическую энергию. Есть еще всевозможное дополнительное оборудование, устройства управления и контроля над работой ГЭС, трансформаторная станция, распределительные устройства и многое другое.
Классификация ГЭС. Гидроэлектрические станции разделяются в зависимости от:
1) вырабатываемой мощности:
мощные — вырабатывают от 25 МВт и выше;
средние — до 25 МВт;
малые гидроэлектростанции — до 5 МВт.
2) максимального использования напора воды:
высоконапорные — более 60 м;
средненапорные — от 25 м;
низконапорные — от 3 до 25 м.
3) принципа использования природных ресурсов, и, соответственно, образующейся концентрации воды:
- русловые и плотинные ГЭС. Это наиболее распространенные виды гидроэлектрических станций. Напор воды в них создается посредством установки плотины, полностью перегораживающей реку, или поднимающей уровень воды в ней на необходимую отметку. При этом неизбежно некоторое затопление долины реки. Такие гидроэлектростанции строят на многоводных равнинных реках, а также на горных реках, в местах, где русло реки более узкое, сжатое.
- приплотинные ГЭС. Строятся при более высоких напорах воды. В этом случае река полностью перегораживается плотиной, а само здание ГЭС располагается за плотиной, в нижней её части. Вода, в этом случае, подводится к турбинам через специальные напорные тоннели, а не непосредственно, как в русловых ГЭС.
- деривационные гидроэлектростанции. Такие электростанции строят в тех местах, где велик уклон реки. Необходимая концентрация воды в ГЭС такого типа создается посредством деривации. Вода отводится из речного русла через специальные водоотводы. Последние — спрямлены, и их уклон значительно меньший, нежели средний уклон реки. В итоге вода подводится непосредственно к зданию ГЭС. Деривационные ГЭС могут быть разного вида — безнапорные или с напорной деривацией. В случае с напорной деривацией, водовод прокладывается с большим продольным уклоном. В другом случае в начале деривации на реке создается более высокая плотина, и создается водохранилище - такая схема еще называется смешанной деривацией, так как используются оба метода создания необходимой концентрации воды.
- гидроаккумулирующие электростанции. Такие ГАЭС способны аккумулировать вырабатываемую электроэнергию, и пускать её в ход в моменты пиковых нагрузок. Принцип работы таких электростанций следующий: в определенные периоды (не пиковой нагрузки), агрегаты ГАЭС работают как насосы от внешних источников энергии и закачивают воду в специально оборудованные верхние бассейны. Когда возникает потребность, вода из них поступает в напорный трубопровод и приводит в действие турбины.
Турбина.В зависимости от напора воды, в гидроэлектростанциях применяются различные виды турбин. Для высоконапорных — ковшовые и радиально-осевые турбины с металлическими спиральными камерами. На средненапорных ГЭС устанавливаются поворотнолопастные и радиально-осевые турбины, на низконапорных — поворотнолопастные турбины в железобетонных камерах. Принцип работы всех видов турбин схож — вода, находящаяся под давлением (напор воды) поступает на лопасти турбины, которые начинают вращаться. Механическая энергия, таким образом, передается на гидрогенератор, который и вырабатывает электроэнергию. Турбины отличаются некоторыми техническими характеристиками, а также камерами — стальными или железобетонными, и рассчитаны на различный напор воды.
Мощность, развиваемая гидроагрегатом, пропорциональна напору Н и расходу воды Q:
, Вт (Д.1)
Турбины и генераторы могут устанавливаться непосредственно в дамбе или возле неё. В некоторых случаях используется трубопровод, посредством которого вода, находящаяся под давлением, подводится ниже уровня дамбы или к водозаборному узлу ГЭС.
Плотина. Плотина - гидротехническое сооружение, перегораживающее водоток или водоём для подъёма уровня воды. Также служит для сосредоточения напора в месте расположения сооружения и создания водохранилища.
Плотины могут отличаться в зависимости от конструкции и разделяться на гравитационные, арочные и др. Гравитационные плотины выглядят как каменные или бетонные заграждения. Конструкции этого типа препятствуют поступлению воды своим весом. Арочные выполняют свои обязанности благодаря особой конструкции. Успешное функционирование плотин зависит от трёх показателей: сопротивления вертикальных элементов сооружения, массы и особенностей арочной конструкции, которая опирается на береговые устои. При возведении плотины необходимо учитывать воздействие некоторых внешних факторов. Это так называемые сдвигающие силы, появление которых обусловлено воздействием воды, ветра, ударами волн, перепадами температуры. Пренебрежение строителей к вышеперечисленным факторам может привести к разрушению плотины. Поэтому производятся определённые расчёты, позволяющие воспрепятствовать негативному действию сдвигающих сил.
Отходы. Источниками образования отходов являются здания и сооружения ГЭС, деятельность подразделений станции, а также сопутствующие мероприятия, направленные на обеспечение иной хозяйственной деятельности. На территории станций также, как правило, располагаются дочерние предприятия, осуществляющие ремонтные и вспомогательные работы.
Основными отходами (4–5-го классов опасности)[33] являются отходы (осадки), образующиеся при механической и биологической очистке сточных вод, текстиль, строительный и прочий мусор, разнородные отходы бумаги и картона, стекла, асфальтобетона или асфальтобетонной смеси, железобетона, а также бой строительного кирпича и железобетонных изделий, опилки и обрезь древесины, мусор с защитных решеток электростанций и др. Основным способом обращения с отходами этих классов является передача на утилизацию другим организациям.
Отходы 1-го и 2-го классов опасности (ртутные лампы, люминесцентные ртутьсодержащие трубки, отработавшие срок и заменяемые на энергосберегающие) передаются на утилизацию специализированным организациям.