Гидроэнергетика (ГЭС, ГАЭС)

Электростанции составляют на сегодня основу той части энергетики, которая использует возобновляемые источники энергии. За почти столетнюю историю гидроэнергетики накоплен огромный опыт строительства гидравлических электрических станций на горных и равнинных реках, на реках с гигантским водосбросом и на маленьких речках, а сама гидроэнергетика отнесена к числу наиболее значимых достижений ХХ века.

В настоящее время в мире используется около 30 % экономически эффективного гидроэнергетического потенциала. Удельный вес гидроэнергетики в общем производстве электроэнергии достаточно высок во многих странах: в Норвегии и Бразилии этот показатель выше 90 %, от 50 до 80 % – в Канаде и Венесуэле, около 20 % – в Индии, Египте, Италии, Китае.

Гидроэнергетический потенциал России составляет 2900 млрд кВт·ч/г. Потенциал крупных и средних рек оценивается в 2400 млрд кВт·ч/г. Технически достижимый уровень этого потенциала – 1670 млрд кВт·ч/г. По экономическому гидроэнергетическому потенциалу – 850 млрд кВт·ч/г. (или по топливному эквиваленту 300 млр т усл. т. в год Россия занимает второе место после Китая. По установленной мощности гидроагрегатов на ГЭС и выработке электроэнергии Россия находится на пятом месте после США, Китая, Канады и Бразилии, по мощности гидроагрегатов на строящихся ГЭС – на четвертом месте после Китая, Бразилии и Индии.

В России в настоящее время освоено около 20 % имеющегося гидроэнергетического потенциала: на Европейскую часть приходится 50 %, на Сибирь – 19 %, на Дальний Восток – 4% освоенных гидроэнергетических мощностей страны. В 2000 г. на электростанциях России было выработано 857 млрд кВт·ч электроэнергии, в том числе на тепловых электростанциях – 549 млрд кВт·ч, на ГЭС – 157,5 млрд кВт·ч, на АЭС – 103,5 млрд кВт·ч [9].

Гидроэлектростанции (ГЭС) являются весьма эффективными источниками энергии. Они используют механическую энергию падающей воды. Гидроэнергетическая установка (ГЭУ) предназначена для преобразования механической энергии водного потока в электрическую энергию или, наоборот.

Гидроэнергетическая установка состоит из гидротехнических сооружений, энергетического и механического оборудования. Необходимый для этого напор воды создается плотинами, которые воздвигают на реках и каналах. Гидравлические установки позволяют сокращать перевозки и экономить минеральное топливо (на 1 кВт-ч расходуется примерно 0,4 т угля). Они достаточно просты в управлении и обладают очень высоким КПД (более 80%). Себестоимость этого типа установок в 5-6 раз ниже, чем ТЭС, и они требуют намного меньше обслуживающего персонала.

Различают следующие основные типы гидроэнергетических установок:

· гидроэлектростанции (ГЭС);

· насосные станции (НС);

· гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС);

· комбинированные электростанции ГЭС– ГАЭС;

· приливные электростанции (ПЭС).

Их размещение во многом зависит от природных условий, например, характера и режима реки. В горных районах обычно возводятся высоконапорные ГЭС, на равнинных реках действуют установки с меньшим напором, но большим расходом воды. Гидростроительство в условиях равнин сложнее из-за преобладания мягких оснований под плотинами и необходимости иметь крупные водохранилища для регуляции стока. Сооружение ГЭС на равнинах вызывает затопление прилегающих территорий, что приносит значительный материальный ущерб.

Неоспоримыми преимуществами гидроэнергетики являются также низкая себестоимость производства электроэнергии, мобильность мощности для покрытия пиковой части графика нагрузки, инфляционная устойчивость, экологическая чистота производства. Себестоимость электроэнергии на ГЭС в России в 2000 г. в среднем была почти в 6 раз ниже, чем на ГРЭС. Сегодня накопленные знания позволяют больше внимания уделять экологическим факторам, в частности тем положительным эффектам, которые могут быть достигнуты при сооружения объекта гидроэнергетики. Всесторонний анализ дает возможность более полно оценить влияние ГЭС на окружающую среду.

Территория, с которой стекает вода в реку, называется водосборным бассейном данной реки (рис. 3.5). Линия – а, б, в, г, д, проходящая по повышенным местам и отделяющая друг от друга соседние бассейны, называется водораздельной линией или водоразделителем.

Рис. 3.5. Водосборы (бассейны) рек

Среднегодовой сток всех рек мира составляет 32 тыс. км³; в таблице 3.1 приведены данные о речном стоке отдельных стран мира.

Таблица 3.1. Речной сток отдельных стран мира

Запасы поверхностного стока по территории России распределены неравномерно, что весьма неблагоприятно для народного хозяйства, в том числе и для энергетики. Более 80 % речного стока российских рек приходится на еще мало освоенные территории бассейнов Северного Ледовитого и Тихого океанов. Особенностью стока реки является его неравномерное распределение как по годам, так и в течение года.

Многолетняя неравномерность стока неблагоприятна для всех отраслей народного хозяйства и прежде всего для энергетики. Различают: многоводные, средневодные и маловодные годы. В маловодные годы обычно значительно снижается выработка энергии на гидроэлектростанциях.

Неравномерность стока в течение года неблагоприятна для энергетики. Для большинства рек России маловодный период наблюдается зимой, когда потребность в электроэнергии наибольшая.

Гидроэлектростанция – это предприятие, на котором гидравлическая энергия преобразуется в электрическую.

Основными сооружениями ГЭС на равнинной реке являются плотина, создающая водохранилище и сосредоточенный перепад уровней, т.е. напор, и здание ГЭС, в котором размещаются гидравлические турбины, генераторы, электрическое и механическое оборудование. В случае потребности строятся водосбросные и судоходные сооружения, водозаборы для систем орошения и водоснабжения, рыбопропускные сооружения и т.п.

Вода под действием тяжести по водоводам движется из верхнего бьефа в нижний, вращая рабочее колесо турбины (рис. 3.6). Гидравлическая турбина соединена валом с ротором генератора. Турбина и генератор вместе образуют гидроагрегат. В турбине гидравлическая энергия преобразуется в механическую энергию вращения на валу агрегата, а генератор преобразует эту энергию в электрическую. Возможно создание на реке каскадов ГЭС. В России построены и успешно эксплуатируются Волжский, Камский, Ангарский, Енисейский и другие каскады ГЭС.

Рис. 3.6. Разрез по станционной плотине и зданию ГЭС

Среди типов гидроэнергетических установок ГЭС являются наиболее крупными. В России построена на Енисее Саяно-Шушенская ГЭС им. П.С.Непорожнего (рис. 3.7) мощностью 6,4 млн. кВт.

Рис. 3.7. Общий вид Саяно –Шушенской ГЭС имени П.С. Непорожнего

Все построенные ГЭС, особенно обладающие крупными водохранилищами, играют решающую роль в обеспечении надежности, устойчивости и живучести Единой энергетической системы России.

Большой интерес в мире и в России в настоящее время вызывает возможность создания малых ГЭС.

В настоящее время принята следующая классификация ГЭС по их мощности: станции мощностью до 100 кВт – микрогэс, от 100 до 1000 кВт – мини-ГЭС, от 1000 до 10000 кВт – малые ГЭС и свыше 10000 кВт – крупные гидроэлектростанции.

Основные направления развития малой гидроэнергетики в России на ближайшие годы следующие: строительство малых ГЭС при сооружаемых комплексных гидроузлах; модернизация и восстановление ранее существующих малых ГЭС, сооружение малых ГЭС на небольших реках, возведение малых ГЭС на существующих водохранилищах, на каналах, трубопроводах подвода и отвода воды на объектах различного хозяйственного назначения.

Малые ГЭС (мощностью до 30 МВт) могут создаваться в короткие сроки с использованием унифицированных гидроагрегатов и строительных конструкций с высоким уровнем автоматизации систем управления. Экономическая эффективность их использования существенно возрастает при комплексном использовании малых водохранилищ (рекреация, рыбоводство, водозаборы для систем орошения и водоснабжения и т.п.).

Насосная станция предназначена для перекачки воды с низких отметок на высокие и транспортировки воды в удаленные пункты.

На насосной станции устанавливаются насосные агрегаты, состоящие из насоса и двигателя. Насосная станция является потребителем электрической энергии. Они используются для водоснабжения тепловых и атомных электростанций, коммунально-бытового и промышленного водоснабжения, в ирригационных системах, судоходных каналах, пересекающих водоразделы, и т.п.

Суммарное потребление электроэнергии также неравномерно. В утренние и вечерние часы коммунальная нагрузка наибольшая. График нагрузки некоторого района или города, представляющий собой изменение во времени суммарной мощности всех потребителей, имеет провалы и максимумы. Это означает, что в одни часы суток потребуется большая суммарная мощность генераторов, а в другие часы часть генераторов или электростанций должна быть отключена, или должна работать с уменьшенной нагрузкой. Количество электростанций и их мощность определяются относительно непродолжительным максимумом нагрузки потребителей. Это приводит к недоиспользованию оборудования и к удорожанию энергосистем. Так, снижение числа часов использования установленной мощности крупных ТЭС с 6000 до 4000 ч в год приводит к возрастанию себестоимости вырабатываемой энергии на 30–35 %.

Энергетики по возможности принимают меры по выравниванию графика суммарной нагрузки потребителей. Так, вводится дифференцированная стоимость электроэнергии в зависимости от того, в какой период времени она потребляется. Если электроэнергия потребляется в моменты максимумов нагрузки энергосистемы, то и стоимость ее устанавливается выше. Это повышает заинтересованность потребителей в таких перестройках своей работы, которые бы способствовали уменьшению электрической нагрузки в моменты максимумов потребления в энергосистеме. В целом возможности выравнивания потребления электроэнергии невелики. Следовательно, электроэнергетические системы должны быть достаточно маневренными, способными быстро изменять мощность электростанций. В этом случае успешно используются гидроаккумулирующие электростанции.

Гидроаккумулирующая электростанция (ГАЭС) предназначена для перераспределения во времени энергии и мощности в энергосистеме. В часы пониженных нагрузок ГАЭС работает как насосная станция. Она за счет потребляемой энергии перекачивает воду из нижнего водохранилища в верхнее и создает запасы гидроэнергии. В часы максимальной нагрузки ГАЭС работает как гидроэлектростанция. Вода из верхнего водохранилища пропускается через турбины в нижнее водохранилище, и ГАЭС вырабатывает и выдает электроэнергию в энергосистему. ГАЭС потребляет дешевую электроэнергию, а выдает более дорогую энергию в период пика нагрузки, заполняет провалы нагрузки и снижает пики нагрузки в энергосистеме, позволяет работать агрегатам атомных и тепловых электростанций в наиболее экономичном и безопасном равномерном режиме, резко снижая при этом удельный расход топлива на производство 1 кВт∙ч электроэнергии в энергосистеме.

ГАЭС мало зависят от естественных колебаний речного стока и, в отличие от ГЭС, их строительство вызывает меньшее затопление земель.

Мощность ГАЭС зависит от расхода воды и напора. При ограниченном объеме верхнего бассейна увеличение мощности может быть получено за счет большого напора. Поэтому горные районы удобны для сооружения ГАЭС. Например, огромную величину напора (около 1800 м) имеет ГАЭС Рейссек в Австрии. Там, где это возможно, стремятся использовать в качестве верхнего бассейна естественные водоемы. Например, в Англии для ГАЭС Лох-Ламанд используется высокогорный пруд.

К наиболее крупным ГАЭС относятся Лорх-на-Рейне (ФРГ) – 2400 МВт, Корнуэлл (США) – 2000 МВт, Лох-Ломонд (Англия) – 1200 МВт. В России построена Загорская ГАЭС (1,2 млн. кВт) и строится Центральная ГАЭС (3,6 млн. кВт).

Реконструкция ГЭС в ГЭС–ГАЭС, как показывает зарубежный опыт, весьма эффективна в энергосистемах, где мала доля ГЭС и ГАЭС.

Самые мощные ГЭС сооружены на Волге, Каме, Ангаре, Енисее, Оби и Иртыше.

Гидроузлы – соединения нескольких сооружений по использованию вод реки для производства электроэнергии, судоходства, водоснабжения и орошения земель – также широко распространены. Каскад гидроузлов сооружен на Волге.

Каскад гидроэлектростанций представляет собой группу ГЭС, расположенных ступенями по течению водного потока с целью полного последовательного использования его энергии. Установки в каскаде обычно связаны общностью режима, при котором водохранилища верхних ступеней регулирующе влияют на водохранилища нижних ступеней.

В составе каскада, созданного на Волге, действуют такие гидроэлектростанции, как: Иваньковская, Угличская, Рыбинская, Городецкая, Чебоксарская, Волжская (вблизи Самары), Саратовская (1,4 млн. кВт), Волжская (вблизи Волгограда).

Каскады гидроэлектростанций на реках европейской части страны находятся в районах с огромным промышленным потенциалом, а их значение состоит в том, чтобы свести к минимуму дефицит электроэнергии. Но массовое строительство ГЭС на равнинных реках повлекло за собой негативные последствия, связанные с возникновением крупных водохранилищ и затоплением ценных сельскохозяйственных земель, нарушением экологического равновесия, переносом населенных пунктов.

На основе ГЭС восточных районов формируются промышленные комплексы, специализирующиеся на энергоемких производствах.

В Сибири сосредоточены наиболее эффективные по технико-экономическим показателям ресурсы. Одним из примеров этого может служить Ангаро-Енисейский каскад, в состав которого входят самые крупные гидроэлектростанции страны: Саяно-Шушенская (6,4 млн. кВт), Красноярская (6 млн. кВт), Братская (4,6 млн. кВт), Усть-Илимская (4,3 млн. кВт). Строится Богучановская ГЭС (4 млн. кВт). Общая мощность каскада в настоящее время – более 20 млн. кВт.