Гидроэлектрическая станция

Гидроэлектрическая станция. гидроэлектростанция ГЭС, комплекс сооружений и оборудования, посредством которых энергия потока воды преобразуется в электрическую энергию.

ГЭС состоит из последовательной цепи гидротехнических сооружений, обеспечивающих необходимую концентрацию потока воды и создание напора, и энергетического. оборудования, преобразующего энергию движущейся под напором воды в механическую энергию вращения которая, в свою очередь, преобразуется в электрическую энергию.

Напор ГЭС создается концентрацией падения реки на используемом участке плотинойрис1, либо дерива цией рис. 2, либо плотиной и деривацией совместно рис. 3. Основное энергетическое оборудование ГЭС размещается в здании ГЭС в машинном зале электростанции гидроагрегаты, вспомогательное оборудование, устройства автоматического управления и контроля в центральном посту управления пульт оператора-диспетчера или автооператор гидроэлектростанции.

Повышающая трансформаторная подстанция размещается как внутри здания ГЭС, так и в отдельных зданиях или на открытых площадках. Распределительные устройства зачастую располагаются на открытой площадке. Здание ГЭС может быть разделено на секции с одним или несколькими агрегатами и вспомогательным оборудованием, отделнные от смежных частей здания.

При здании ГЭС или внутри него создатся монтажная площадка для сборки и ремонта различного оборудования и для вспомогательных операций по обслуживанию ГЭС. По установленной мощности в. Мвт различают ГЭС мощные св. 250, средние до 25 и малые до 5. Мощность ГЭС зависит от напора На разности уровней верхнего и нижнего бьефа, расхода воды, используемого в гидротурбинах, и кпд гидроагрегата. По ряду причин вследствие, например сезонных изменений уровня воды в водомах, непостоянства нагрузки энергосистемы, ремонта гидроагрегатов или гидротехнических сооружений и т. п. напор и расход воды непрерывно меняются, а кроме того, меняется расход при регулировании мощности ГЭС. Различают годичный, недельный и суточный циклы режима работы ГЭС. По максимально используемому напору ГЭС делятся на высоконапорные более 60 м, средненапорные от 25 до 60 м и низконапорные от 3 до 25 м. На равнинных реках напоры редко превышают 100 м, в горных условиях посредством плотины можно создавать напоры до 300 м и более, а с помощью деривации до 1500 м. Классификация по напору приблизительно соответствует типам применяемого энергетического оборудования на высоконапорных ГЭС применяют ковшовые и радиально-осевые турбины с металлическими спиральными камерами на средненапорных поворотнолопастные и радиально-осевые турбины с железобетонными и металлическими спиральными камерами, на низконапорных поворотнолопастные турбины в железобетонных спиральных камерах, иногда горизонтальные турбины в капсулах или в открытых камерах.

Подразделение ГЭС по используемому напору имеет приблизительный, условный характер.

По схеме использования водных ресурсов и концентрации напоров ГЭС обычно подразделяют на русловые, приплотинные, деривационные с напорной и безнапорной деривацией, смешанные, гидроаккумулирующие и приливные.

В русловых и приплотинных ГЭС напор воды создатся плотиной, перегораживающей реку и поднимающей уровень воды в верхнем бьефе.

При этом неизбежно некоторое затопление долины реки. В случае сооружения двух плотин на том же участке реки площадь затопления уменьшается. На равнинных реках наибольшая экономически допустимая площадь затопления ограничивает высоту плотины. Русловые и приплотинныс ГЭС строят и на равнинных многоводных реках и на горных реках, в узких сжатых долинах. В состав сооружений русловой ГЭС, кроме плотины, входят здание ГЭС и водосбросные сооружения рис. 4. Состав гидротехнических сооружений зависит от высоты напора и установленной мощности.

У русловой ГЭС здание с размещенными в нм гидроагрегатами служит продолжением плотины и вместе с ней создат напорный фронт. При этом с одной стороны к зданию ГЭС примыкает верхний бьеф, а с другой нижний бьеф. Подводящие спиральные камеры гидротурбин своими входными сечениями закладываются под уровнем верхнего бьефа, выходные же сечения отсасывающих труб погружены под уровнем нижнего бьефа. В соответствии с назначением гидроузла в его состав могут входить судоходные шлюзы или судоподъмник, рыбопропускные сооружения, водозаборные сооружения для ирригации и водоснабжения.

В русловых ГЭС иногда единственным сооружением, пропускающим воду, является здание ГЭС. В этих случаях полезно используемая вода последовательно проходит входное сечение с мусорозадер-живающими рештками, спиральную ка- меру, гидротурбину, отсасывающую трубу, а по спец. водоводам между соседними турбинными камерами производится сброс паводковых расходов реки. Для русловых ГЭС характерны напоры до 30 40 м к простейшим русловым ГЭС относятся также ранее строившиеся сельские ГЭС небольшой мощности. На крупных равнинных реках основное русло перекрывается земляной плотиной, к которой примыкает бетонная водосливная плотина и сооружается здание ГЭС. Такая компоновка типична для многих отечественных ГЭС на больших равнинных реках.

Волжская ГЭС им. 22-го съезда КПСС наиболее крупная среди станций руслового типа. При более высоких напорах оказывается нецелесообразным передавать на здание ГЭС гидростатичное давление воды. В этом случае применяется тип плотиной ГЭС, у которой напорный фронт на всм протяжении перекрывается плотиной, а здание ГЭС располагается за плотиной, примыкает к нижнему бьефу рис. 5. В состав гидравлической трассы между верхним и нижним бьефом ГЭС такого типа входят глубинный водопримник с мусорозадерживающей решткой, турбинный водовод, спиральная камера, гидротурбина, отсасывающая труба.

В качестве дополнит, сооружений в состав узла могут входить судоходные сооружения и рыбоходы, а также дополнительные водосбросы Примером подобного типа станций на многоводной реке служит Братская ГЭС на реке Ангара.

Другой вид компоновки приплотинных ГЭС, соответствующий горным условиям, при сравнительно малых расходах реки, характерен для Нурекской ГЭС на реке Вахш Ср. Азия, проектной мощностью 2700 Мвт. Здание ГЭС открытого типа располагается ниже плотины, вода подводится к турбинам по одному или нескольким напорным туннелям.

Иногда здание ГЭС размещают ближе к верхнему бьефу в подземной подземная ГЭС выемке. Такая компоновка целесообразна при наличии скальных оснований, особенно при земляных или набросных плотинах, имеющих значит. ширину. Сброс паводковых расходов производится через водосбросные туннели или через открытые береговые водосбросы. В деривационных ГЭС концентрация падения реки создатся посредством деривации вода в начале используемого участка реки отводится из речного русла водоводом, с уклоном, значительно меньшим, чем ср. уклон реки на этом участке и со спрямлением изгибов и поворотов русла.

Конец деривации подводят к месту расположения здания ГЭС. Отработанная вода либо возвращается в реку, либо подводится к след. деривационной ГЭС. Деривация выгодна тогда, когда уклон реки велик. Деривац. схема концентрации напора в чистом виде бесплотинный водозабор или с низкой водозаборной плотиной на практике приводит к тому, что из реки забирается лишь небольшая часть е стока.

В других случаях в начале деривации на реке сооружается более высокая плотина и создатся водохранилище такая схема концентрации падения паз. смешанной, т. к. используются оба принципа создания напора. Иногда, в зависимости от местных условий, здание ГЭС выгоднее располагать на некотором расстоянии от конца используемого участка реки вверх по течению деривация разделяется по отношению к зданию ГЭС на подводящую и отводящую. В ряде случаев с помощью деривации производится переброска стока реки в соседнюю реку, имеющую более низкие отметки русла.

Характерным примером является Ингурская ГЭС, где сток реки Ингури перебрасывается туннелем в соседнюю реку Эрисцкали Кавказ. Сооружения безнапорных деривационных ГЭС состоят из трх основных групп водозаборное сооружение, водопримная плотина и собственно деривация канал, лоток, безнапорный туннель. Дополнит, сооружениями на ГЭС с безнапорной деривацией являются отстойники и бассейны суточного регулирования, напорные бассейны, холостые водосбросы и турбинные водоводы. Крупнейшая ГЭС с безнапорной подводящей деривацией ГЭС Роберт-Мозес США с мощностью 1950 Мвт, а с безнапорной отводящей деривацией Ингурская ГЭС СССР мощностью 1300 Мвт. На ГЭС с напорной деривацией водовод туннель, металлическая, деревянная или железобетонная труба прокладывается с несколько большим продольным уклоном, чем при безнапорной деривации.

Применение напорной подводящей деривации обусловливается изменяемостью горизонта воды в верхнем бьефе, из-за чего в процессе эксплуатации изменяется и внутренний напор деривации.

В состав сооружений ГЭС этого типа входят плотина, водозаборный узел, деривация с напорным водоводом, станционный узел ГЭС с уравнительным резервуаром и турбинными водоводами, отводящая деривация в виде канала или туннеля при подземной ГЭС. Крупнейшая ГЭС с напорной подводящей деривацией Нечако-Кемано Канада проектной мощностью 1792 Мвт. ГЭС с напор ной отводящей деривацией применяется в условиях значит, изменений уровня воды в реке в месте выхода отводящей деривации или по экономическим соображениям, В этом случае необходимо сооружение уравнительного резервуара в начале отводящей деривации для выравнивания неустановившегося потока воды в реке. Наиболее мощная ГЭС 350 Мвт этого типа ГЭС Харспронгет Швеция, Особое место среди ГЭС занимают гидроаккумулирующие электростанции ГАЭС и приливные электростанции ПЭС. Сооружение ГАЭС обусловлено ростом потребности в пиковой мощности в крупных энергетических системах, что и определяет генераторную мощность, требующуюся для покрытия пиковых нагрузок.

Способность ГЛЭС аккумулировать энергию основана на том, что свободная в энергосистеме в некоторый период времени провала графика потребности электрическая энергия используется агрегатами ГАЭС, которые, работая в режиме насоса, нагнетают воду из водохранилища в верхний аккумулирующий бассейн.

В период пиков нагрузки аккумулированная т. о. энергия возвращается в энергосистему вода из верхнего бассейна поступает в напорный трубопровод и вращает гидроагрегаты, работающие в режиме генератора тока. Мощность отд. ГАЭС с такими обратимыми гидроагрегатами достигает 1620 Мвт Корнуолл, США. ПЭС преобразуют энергию морских приливов в электрическую. Электроэнергия приливных ГЭС в силу некоторых особенностей, связанных с периодичным характером приливов и отливов, может быть использована в энергосистемах лишь совместно с энергией регулирующих электростанций, которые восполняют провалы мощности приливных электростанций в течение суток или месяцев.

В 1967 во Франции было завершено строительство крупной ПЭС на реке Ране 24 агрегата общей мощностью 240 Мвт. В СССР в 1968 в Кислой Губе Кольский п-ов вступила в строй первая опытная ПЭС мощностью 0,4 Мвт, на которой ныне проводятся экспериментальные работы для будущего строительства ПЭС. По характеру использования воды и условиям работы различают ГЭС на бытовом стоке без регулирования, с суточным, недельным, сезонным годовым и многолетним регулированием.

Отдельные ГЭС или каскады ГЭС, как правило, работают в системе совместно с конденсационными электростанциями КЭС, теплоэлектроцентралями ТЭЦ, атомными электростанциями АЭС, газотурбинными установками ГТУ, причм в зависимости от характера участия в покрытии графика нагрузки энергосистемы ГЭС могут быть базисными, полупиковыми и пиковыми.

Важнейшая особенность гидроэнергетических ресурсов по сравнению с топливно-энергетическими ресурсами их непрерывная возобновляемость.

Отсутствие потребности в топливе для ГЭС определяет низкую себестоимость вырабатываемой на ГЭС электроэнергии. Поэтому сооружению ГЭС, несмотря на значительные, удельные капиталовложения на 1 квт установленной мощности и продолжительные сроки строительства, придавалось и придатся большое значение, особенно когда это связано с размещением электромких производств. Одни из первых гидроэлектрических установок мощностью всего в несколько сотен Вт были сооружены в 1876 81 в Штангассе и Лауфене Германия и в Грейсайде Англия.

Развитие ГЭС и их промышленное использование тесно связано с проблемой передачи электроэнергии на расстояние как правило, места, наиболее удобные для сооружения ГЭС, удалены от основных потребителей электроэнергии. Протяжнность существовавших в то время линий электропередач не превышала 5 10 км, самая длинная линия 57 км. Сооружение линии электропередачи 170 км от Лауфенской ГЭС до Франкфурта-на-Майне Германия для снабжения электроэнергией Международный электротехнический выставки 1891 открыла широкие возможности для развития ГЭС. В 1892 промышленный ток дала ГЭС, построенная на водопаде в Бюлахе Швейцария, почти одновременно в 1893 были построены ГЭС в Гелыпене Швеция, на реке Изар Германия и в Калифорнии США. В 1896 вступила в строй Ниагарская ГЭС США постоянного тока в 1898 дала ток ГЭС Рейпфельд Германия, а в 1901 стали под нагрузку гидрогенераторы ГЭС Жонат Франция.

В России существовали, но так и не были реализованы детально разработанные проекты ГЭС русских учных Ф. А. Пироцкого, И. А. Тиме, Г. О. Графтио, И. Г. Александрова и др предусматривавших, в частности, использование порожистых участков рек Днепр, Волхов, Западная Двина, Вуокса и др. Так, напр уже в 1892 95 русским инженером В. Ф. Добротворским были составлены проекты сооружения ГЭС мощностью 23,8 Мвт на реке Нарова и 36,8 Мвт на водопаде Б. Иматра.

Реализации этих проектов препятствовали как косность царской бюрократии, так и интересы частных капиталистических групп, связанных с топливной промышленностью.

Первая промышленная ГЭС в России мощностью около 0,3 Мвт 300 квт была построена в 1895 96 под руководством русских инженеров В.Н.Чиколсва и Р. Э. Классона для электроснабжения Охтинского порохового завода в Петербурге. В 1909 закончилось строительство крупнейшей в дореволюционной России Гиндукушской ГЭС мощностью 1,35 Мвт 1350 квт на р. Мургаб Туркмения. В период 1905 17 вступили в строй Саткинская, Алавердинская, Каракультукская, Тургусунская, Сестроредкая и др. ГЭС небольшой мощности.

Сооружались также частные фабрично-заводские гидроэлектрические установки с использованием оборудования иностранных фирм. 1-я мировая война 1914 18 и связанный с ней интенсивный рост промышленности некоторых западных стран повлекли за собой развитие действовавших и строительство новых энергопромышленных центров, в т. ч. на базе ГЭС. В результате мощность ГЭС во всм мире к 1920 достигла 17 тыс. Мвт, а мощность отдельных ГЭС, напр. Масл-Шолс США, Иль-Малинь Канада, превысила 400 Мвт 400 тыс. квт. Общая мощность ГЭС России к 1917 составляла всего около 16 Мвт самой крупной была Гиндукушская ГЭС. Строительство мощных ГЭС началось по существу только после Великой Октябрьской социалистической революции.

В восстановит. период 20-е гг. в соответствии с планом ГОЭЛРО были построены первые крупные ГЭС Волховская ныне Волховская ГЭС им. В. И. Ленина и ЗемоАечальская ГЭС им. В. И. Ленина.

В годы первых пятилеток 1929 40 вступили в строй ГЭС Днепровская, Нижнесвирская, Рионская и др. К началу Великой Отечеств, войны 1941 45 было введено в эксплуатацию 37 ГЭС общей мощностью более 1500 Мвт. Во время войны было приостановлено начатое строительство ряда ГЭС общей мощностью около 1000 Мвт 1 млн. квт. Значит, часть ГЭС общей мощностью около 1000 Мвт оказалась разрушенной или демонтированной. Началось сооружение новых ГЭС малой и средней мощности на Урале Широковская, Верхотурская, Алапаевская, Белоярская и др в Средней Азии Аккавакские, Фархадская, Саларская, Нижнебуэсуйские и др на Северном Кавказе Майкопская, Орджоникидзевская, Краснополянская, в Азербайджане Мингечаурская ГЭС, в Грузии Читахевская ГЭС и в Армении Гюмушская ГЭС. К кон. 1945 в Советском Союзе мощность всех ГЭС, вместе с восстановленными, достигла 1250 Мвт, а годовая выработка электроэнергии 4,8 млрд. квт-ч. В начале 50-х гг. развернулось строительство крупных гидроэлектростанций на р. Волге у города.

Горького, Куйбышева и Волгограда, Каховской и Кременчугской ГЭС на Днепре, а также Цимлянской ГЭС на Дону. Волжские ГЭС им. В. И. Ленина и им. 22-го съезда КПСС стали первыми из числа наиболее мощных ГЭС в СССР и в мире. - Во 2-й пол. 50-х гг. началось строительство Братской ГЭС на реке Ангаре и Красноярской ГЭС на р. Енисее.

С 1946 .по 1958 в СССР были построены и восстановлены 63 ГЭС общей мощностью 9600 Мвт. За семилетие 1959 65 было введено 11 400 Мвт новых гидравлических мощностей и суммарная мощность ГЭС достигла 22200 Мвт табл. 1. К 1970 в СССР продолжалось строительство 35 промышленных ГЭС суммарной мощностью 32 000 Мвт, в т. ч. 11 ГЭС единичной мощностью свыше 1000 Мвт Саяно-Шушенская, Красноярская, Усть-Илимская, Нурекская, Ингурская, Саратовская, Токтогульская, Нижнекамская, Зейская, Чиркейская, Чебоксарская.

В 60-х гг. наметилась тенденция к снижению доли ГЭС в общем мировом производстве электроэнергии и вс большему использованию ГЭС для покрытия пиковых нагрузок.

К 1970 всеми ГЭС мира производилось около 1000 млрд. квт-ч электроэнергии в год, причм начиная с 1960 доля ГЭС в мировом производстве снижалась в среднем за год примерно на 0,7 . Особенно быстро снижается доля ГЭС в общем производстве электроэнергии в ранее традиционно считавшихся гидроэнергетическими странах Швейцария, Австрия, Финляндия, Япония, Канада, отчасти Франция, т. к. их экономический гидроэнергетический потенциал практически исчерпан. Несмотря на снижение доли ГЭС в общей выработке, абсолютные значения производства электроэнергии и мощности ГЭС непрерывно растут вследствие строительства новых крупных электростанций.

В 1969 в мире насчитывалось свыше 50 действующих и строящихся ГЭС единичной мощностью 1000 Мвт и выше, причм 16 из них в Советском Союзе. Дальнейшее развитие гидроэнергетического строительства в СССР предусматривает сооружение каскадов ГЭС с комплексным использованием водных ресурсов в целях удовлетворения нужд совместно энергетики, водного транспорта, водоснабжения, ирригации, рыбного хозяйства и пр. Примером могут служить Днепровский, Волжско -Камский, Ангаро- Енисейский, Севанский и др. каскады ГЭС. Крупнейшим районом гидроэнерго строительства СССР до 50-х гг. 20 в. традиционно была Европейская часть территории Союза, на долю которой приходилось около 65 электроэнергии, вырабатываемой всеми ГЭС СССР. Для современного гидроэнерго строительства характерно продолжение строительства и совершенствование низко и средне-напорных ГЭС на реках Волге, Каме, Днепре, Даугаве и др строительство крупных высоконапорных ГЭС в труднодоступных р-нах Кавказа, Ср. Азии, Вост. Сибири и т. п строительство средних и крупных деривационных ГЭС на горных реках с большими уклонами с использованием переброски стока в соседние бассейны, но главное строительство мощных ГЭС на крупных реках Сибири и Д. Востока Енисее, Ангаре, Лене и др. ГЭС, сооружаемые в богатых гидроэнерго ресурсами р-нах Сибири и Д. Востока, вместе с тепловыми электростанциями, работающими на местном органическом топливе природный газ, уголь, нефть, станут основной энергетической базой для снабжения дешвой электроэнергией развивающейся промышленности Сибири, Средней Азии и Европейской части СССР 3.Гидроэлектростанции Украины НазваниеМощность на 0.01.98г МВтКол-во гидротурбин, шт х МВтКиевская ГАЭС235.53 х 41.5Киевская ГЭС361.216 х 18.5, 4 х 16.3Каневская ГЭС44424 х 18.5Кременчугская ГЭС62512 х 52Днепродзержинская ГЭС3528 х 44Днепровская ГЭС1538.26 х 113.1, 2 х 104.5, 9 х 72, 1 х 2.6Каховская ГЭС3516 х 58.5Днестровская ГЭС7026 х 117 4.