Гидроэлектростанции: былое

В свое время мы опубликовали здесь же на «Афтрешоке» небольшой обзорный рассказ о теплосиловых электростанциях, дабы «обычный читатель» мог немного разобраться в принципах их работы. Теперь, спустя два с половиной года, мы предлагаем вниманию публики такой же рассказ, но посвященный электростанциям гидравлическим.

---

Впрочем, сразу скажем, что дурацкая «жажда творчества» с тех пор стала разъедать автора еще сильнее, поэтому вместо коротенького «ликбезика» вышла занудная, да и спорная, писанина в трех частях. И в отличие, от обычного для нас изложения, на сей раз мы специально не касаемся украинской темы, ограничив ее двумя абзацами в настоящей статье, да одним в третьей. Этому есть три причины. Во-первых, как показывает опыт, большинство читателей будет представлено жителями России, которым тема Украины чужда и неинтересна. Не могу сказать, что я этому рад, но принять, как данность, приходится. Во-вторых, к огромному сожалению, по опыту обсуждения откровенно «мемуарного» цикла о газовом транзите, в котором лишь максимально точно и объективно излагалась последовательность событий, могу сказать следующее. Даже такое изложение привлекло внимание, помимо грамотных, пусть и не всегда доброжелательных, оппонентов, также и откровенно неадекватных ура-патриотов, которые увидали украинскую пропаганду в том, что в тексте писалось «Виктор Ющенко» вместо «гниломордый упырь». Это утрированно, конечно, но все же, если в том цикле «хохлосрач» в комментариях подразумевался, хотя и имелась надежда, что его удастся избежать, то в обсуждениях к статьям настоящего цикла – мне бы его видеть не хотелось. И, наконец, в-третьих, как ни покажется это странным для многих российских читателей, но украинская гидроэнергетика сейчас, как комплекс энергопроизводства, гораздо более сбалансирована и внятна, чем российская. Разумеется, речь не идет об абсолютных цифрах – вся установленная мощность тамошних ГЭС меньше одной Саяно-Шушенской, однако, в том числе, и за годы «независимости» эта часть отрасли стала ценным и важным инструментом в деле обеспечения надежности электроснабжения в Украине. Это вдвойне парадоксально на фоне того, что атомная генерация едва держится на том уровне, что достался Украине при распаде СССР, а тепловая – если называть вещи своими именами – улетела в выгребную яму, из которой в ближайшие лет двадцать едва ли вылезет. Однако факт остается фактом. В этой связи, украинская гидроэнергетика будет разобрано особо – вне рамок настоящего цикла статей.

 

И, наконец, последнее, чтобы закрыть украинскую тему окончательно. Ранее мы давали прогноз работы ОЭС на текущую зиму, и можем уверенно сказать, что он, в целом, оказался верным, хотя в цифрах мы были слишком пессимистичными: в последнем квартале 2016 года в отрасли начался подъем. Окончательно итоги зимней кампании мы подведем в марте-апреле, а пока лишь в очередной раз отметим, что как и в 2014, и в 2015 годах, причин для утверждений о том, что «Украина замерзнет» из-за нехватки донбасского угля нет. А теперь приступим!

Гидроэлектростанцией (ГЭС) называют такую электростанцию, в которой генерация электрической энергии осуществляется за счет преобразования энергии потока воды. Как правило, речь идет о потоках речной воды, хотя имеются и проекты электростанций, использующих энергию приливов/отливов, а также специальных гидроаккумулирующих станций (ГАЭС), в которых используется поток воды между двумя бассейнами с неподвижной водой.

Еще в древности люди использовали энергию рек в качестве привода для вращения мельничных колес, различных станков и агрегатов. Однако такое ее непосредственное использование было ограничено тем, что энергию было невозможно передать на длительные расстояния от реки. Поэтому там использовались иные источники энергии: ветряные двигатели, мускульная сила животных и людей, позднее энергия пара. Однако с началом полезного использования электричества перед гидроэнергетикой открылись новые перспективы, так как теперь выработанное на ГЭС электричество можно было передавать на сколь-угодно большие расстояния.

 

^{Кто бы что не говорил, но восточно-славянские русалки (те, которые не с рыбьим хвостом, а с обычными ногами) красивее европейских. И умнее. Ибо жили у плотин.}

Как и на любой электростанции (кроме относительно редко используемых солнечных электростанций и ряда других), основными элементами ГЭС являются турбина и электрогенератор. Поток воды, движущийся в проточной части турбины, передает энергию своего движения вращающемуся ротору. А энергия ротора, в свою очередь, преобразовывается в электрическую энергию с помощью электрогенератора.

Поскольку для работы ГЭС необходим постоянный самотек воды, то для ее работы необходимо, во-первых, гарантировать обеспеченность водой согласно электрическому графику работы станции, а, во-вторых, наличие уклона, за счет которого вода будет двигаться в проточной части турбины. Отсюда очевидно, что наилучшими местами для строительства ГЭС являются незамерзающие горные реки, по возможности, не меняющие свой расход в течение года. Также очевидно, что лишь часть всех рек отвечает указанному требованию. Поэтому, если какие-то реки имеют режим отличный от потребного, то необходимы либо дополнительные мероприятия, либо принятие неизбежности ухудшения отдельных характеристик станции.

В целом, принцип работы ГЭС очевиден. Используя рельеф, либо специальные гидротехнические сооружения, добиваются необходимого напора воды. Далее этот напор срабатывается в гидравлической турбине, которая приводит в действие электрогенератор.

 

Как и на тепловых станциях, оборудование ГЭС разнесено на машзал и вспомогательные технологические здания и сооружения, с одной стороны, и здания и сооружения схемы выдачи мощности – с другой. В машинном зале расположены турбины и вспомогательное оборудование, а на берегу – распределительные устройства, щиты управления, трансформаторы, административно-бытовая часть и т.д.

Как правило, ГЭС нуждается в дамбе, которая создает необходимый подпор. В теле этих дамб или рядом с ними устанавливаются турбины, однако есть и иные схемные решения. Например, могут использоваться трубопроводы, по которым вода подводится к водозаборному узлу.

Очевидно, что мощность ГЭС зависит от двух параметров: напора потока, то есть разности высот между начальной и конечной точками движения потока, и расхода потока. Чем выше значение каждого из этих показателей, тем большую мощность может и должна выработать турбина.

Экономичность работы ГЭС довольно высока, так как в отличие от ТЭС и АЭС отсутствуют необратимые потери энергии на сжигание топлива, транспорт теплоты, адиабатическое расширение пара. Кроме того, значительно меньше электроэнергии затрачивается на собственные нужды. Помимо собственно экономичности технологического процесса, ГЭС имеют такое важное коммерческое преимущество, как существенно более низкую частоту отказов. Турбины ГЭС работают в «щадящих» по сравнению с турбинами ТЭС и АЭС условиях. Температура рабочего тела в них умеренна, отсутствуют фазовые переходы. Также, как правило, при равной мощности для обслуживания ГЭС потребна меньшая численность персонала, чем на ТЭС и АЭС. К экономическим недостаткам ГЭС можно отнести большие капитальные затраты, чем на ТЭС такой же мощности.

Исходя из мощности станций и срабатываемого напора, они могут быть поделены двумя способами. По мощности: мощные (более 25 МВт), средние (5-25 МВт), малые (менее 5 МВт). По напору: высоконапорные (более 60 м), средненапорные (25-60 м), низконапорные (менее 25 м).

Поскольку гидрологический режим рек, как правило, существенно меняется (что, к слову, является одним из главных недостатков ГЭС) в зависимости от сезона, то в качестве мощности ГЭС принимается циклическая мощность (за год, месяц, сезон, неделю и т.д.).

Рассмотрим основные преимущества и недостатки ГЭС, тем более, что часть из них мы уже рассмотрели выше. Главным преимуществом, несомненно, является возобновляемость первичного энергоресурса. Более того, из всех электростанций на возобновляемых источниках энергии, только ГЭС более-менее заметно представлены в глобальном балансе энерговыработки.

Огромным преимуществом ГЭС перед ТЭС и АЭС является их высокая маневренность: турбины ГЭС способны предельно быстро выйти на номинальную нагрузку с нулевой. Пуск и останов такой турбины не требует затрат ресурса оборудования, как это имеет место на электростанциях с паровыми турбинами.

Важным преимуществом на большом временном отрезке является то, что электроэнергия, отпускаемая от ГЭС, имеет стоимость примерно вдвое ниже, чем от ТЭС, а также то, что даже после окончания эксплуатации электростанции возможно продолжение эксплуатации плотины, хотя бы и в транспортных целях.

К недостаткам ГЭС относятся, прежде всего, более высокие капитальные затраты на их строительство, а также то, что, как правило, мощность таких станций зависит от переменного режима реки, вплоть до появления таких режимов, в которых эксплуатация станции оказывается невозможной.

Также дискуссионным является вопрос о влиянии ГЭС на реку, на которой она установлена. При организации водохранилищ затоплению подвергаются большие площади, расход воды в реке снижается, а плотины становятся преградой на движении рыбы к нерестилищам. С другой стороны, регулирование речного режима позволяет избегать наводнений ниже по течению реки, а также улучшать судоходство вверх по реке.

В этом месте детально рассмотрим принцип работы ГЭС, а также конструкции различных плотин.

 

Начнем с плотин, то есть с гидротехнических сооружений, предназначенных для перекрытия русла реки. Как правило, сами по себе плотины входят в состав гидроузлов, которые могут быть предназначены для решения самых разнообразных задач: выработки электроэнергии, мелиорации, регулирования стока и т.д. При этом один узел может решать сразу несколько задач. Нас будут интересовать те плотины, которые входят в состав узлов, предназначенных для выработки электроэнергии.

В состав гидроузла такого типа могут входить следующие элементы:

1. Плотины
2. Гидроэлектростанции
3. Сооружения водозабора
4. Обводные каналы
5. Судоходные шлюзы
6. Вспомогательные сооружения

Исходя из назначения, плотины могут быть классифицированы по направлению потока воды на: водоподъемные, водоопускающие и водохранилищные. Задачей водоподъемных плотин является, как правило, повышение подпора на водозаборе, они являются обычно вспомогательными к основным плотинам. Водохранилищные плотины существенно выше, подпор их больше. С помощью таких сооружений может осуществляться регулирование стока из водоема, впрочем, встречаются и бессточные плотины, используемые для создания разного рода прудов. В целом, разница между этими двумя типами плотин является во многом условной. Наконец, водоопускающие плотины предназначены для сброса воды с большим напором, попутно решая вопрос подъема уровня реки выше по течению для улучшения условий судоходства. Как правило, их высота больше, чем у водоподъемных и водохранилищных, а в их тела встраивают турбины ГЭС.Особняком стоят дамбы, которые строят вдоль берегов рек и морей, и используют для предохранения от наводнений и коррекции геометрии рек. По понятным причинам, рассматривать этот тип плотин мы не будем.

В целом, человечество строит плотины с глубокой древности. Из летописей известно, что подобные сооружения возводились уже в древнейшие времена в Египте и Междуречье. Развито было искусство строительства плотин и каналов в Китае, где сложные инженерные сооружения применялись для борьбы с наводнениями в бассейне Хуанхэ и орошения сельскохозяйственных районов. Вообще, возникновение Китая, история Китая, это, прежде всего, история плотин.

Из известных плотин возраст самой древней составляет 5000 лет, речь идет о плотине примерно в ста километрах от современного Амана (Иордания). Плотина была выполнена в виде каменной стены высотой 4,5 и толщиной 1 метр.

Больших успехов в деле строительства плотин и иных гидросооружений, в том числе, знаменитых акведуков, добились римляне. Самая высокая плотина, построенная ими, имела высоту 50 м и просуществовала до 1305 года.

По конструктивному исполнению плотины могут быть поделены на гравитационные, арочные и контрфорсные.

Особенностью гравитационных плотин является то, что они воспринимают давление воды всей своей массой. Сопротивление этому давлению происходит за счет трения об основание плотины. Вследствие этого, плотины такого типа массивный характер, а их сечение имеет вид близкий к трапеции.

Арочные плотины, в отличие от гравитационных, давление воды передают не только основанию, но и берегам. В силу этого, такие плотины возводятся на реках, текущих среди твердых прочных берегов, прежде всего, в горной местности. Поскольку любая арочная плотина передает давление и основанию, то граница между арочными плотинами и гравитационными – условна настолько, что выделяется промежуточный тип: арочно-гравитационные плотины.

Иной принцип положен в конструкцию контрфорсных плотин. Такие плотины не имеют арочной геометрии, поэтому сопротивление передается на основание, но не через тело плотины, а через систему контрфорсов. Такое решение позволяет уменьшить массу плотины за счет того, что тело плотины нагрузку не воспринимает.
В связи с кратким описанием конструкций плотин различного типа, рассмотрим далее более подробно принцип работы ГЭС.

 

Схема достаточно очевидна. Вода поступает из верхнего бассейна (верхний бьеф, на схеме он обозначен как водохранилище) в нижний. На входе воды устроено водоприемное устройство, регулирующее поток и проводящее его очистку от мусора. По напорному водоводу вода подается в проточную часть турбины, пройдя которую сбрасывается в нижний бьеф. Вращение турбины передается генератору, который генерирует электроэнергию. Последняя передается через схему выдачи мощности в энергосистему.

Первые подобные установки были сооружены во второй половине девятнадцатого века Германии и Великобритании. Первое серьезное использование ГЭС было осуществлено в той же Германии от ГЭС Лауфене, когда генерируемой ей электричество было подано за 170 км. Во Франкфурт. Чуть позже появились первые ГЭС в Швейцарии и Франции. Психологически важной вехой был пуск в 1896 году Ниагарской ГЭС в США.

В России первой такой станцией, судя по всему, стала Березовская ГЭС, построенная в 1892 году. В ее состав входили четыре турбины совокупной мощностью 200 кВт. Станция предназначалась для собственных нужд местного рудничного производства.

Примерно в то же время была пущена в работу Ныгринская ГЭС. Как и Березовская ГЭС она предназначалась для собственных нужд приисков и вывозной железной дороги. На станции было смонтировано два турбоагрегата общей мощностью 200 кВт.

Дальнейший импульс развитию гидроэнергетики в России, впрочем, как и энергетике в целом, дал план ГОЭЛРО. В плане указывалось, что строительство ГЭС будет оправдано в том случае, если они будут играть комплексную роль: для электрогенерации, мелиорации и судоходства. Предполагалось, что в течение 10-15 лет в стране будет построено около 15 млн кВт гидромощностей.

В 1919 году, несмотря на то, что еще продолжалась Гражданская война, высшее советское руководство приняло решение о развертывании строительства Волховской и Свирской ГЭС.

В дальнейшем в двадцатом веке развитие ГЭС продолжилось, превратив их не просто в электростанции, а в культурное явление. Так построенная до войны ДнепроГЭС стала настоящим символом советской индустриализации и мощи.

Помимо классических ГЭС, задачей которых является генерация электроэнергии, также нашли себе место и гидроаккумулирующей станции (ГАЭС).

 

В отличие от традиционных ГЭС, ГАЭС предназначены для сглаживания пиков потребления электричества в энергосистеме. Станция состоит из верхнего и нижнего бьефов. В период максимумов нагрузки в энергосистеме станция работает в режиме генерации, когда вода поступает из верхнего бьефа в нижний, вращая турбины станции. То есть, ГАЭС работает в режиме генерации. В период же минимумов энергопотребления наоборот станция работает в режиме насоса, перекачивая воду из нижнего бьефа в верхний.

Очевидно, что общий КПД такой установки будет отрицательным, но ее применение в энергосистеме оправдана за счет возможности перевода генерирующих мощностей ТЭС и АЭС в более щадящий режим.

Далее рассмотрим основные типы ГЭС, которые нашли себе место в мире.

Наиболее распространенным является тип русловой ГЭС. На таких станциях напор воды создается с помощью плотины, которая или полностью перегораживает русло, или поднимает уровень в ней до потребного значения. ГЭС такого типа нашли себе место на многоводных равнинных реках и на горных реках в местах сжатого русла, где напор относительно невелик.

При более высоком напоре воды, что характерно для горных рек в местах порогов, русло полностью перегораживается плотиной, а станция выносится на нижнюю часть плотины. Вода к турбинам тогда подводится через специальные водоводы. Станции такого типа называются приплотинными.

При еще более высоком напоре потребность в плотинах отпадает, и строятся деривационные станции. При такой компоновке вода подводится через деривационные каналы непосредственно к зданию ГЭС. Существуют схемы, в которых деривационная станция работает в комплексе с плотиной, установленной выше по течению.
Наконец, кратко упомянем и о ПЭС, о которых мы уже говорили выше. Такие станции используют перепад уровней воды, образующийся во время отливов и приливов. Для этого прибрежный бассейн отделяется невысокой плотиной, которая задерживает приливную воду при отливе. Затем воду выпускают, и она вращает турбины, которые могут работать как в режиме генератора, так и в режиме насоса (для перекачки воды в водохранилище для последующей работы в отсутствие приливов и отливов). В этом случае принцип работы станции тот же, что и для ГАЭС.

Применение плотин, особенно на равнинных реках, приводит к образованию водохранилищ. Их размер при этом может достигать огромных значений, так Волгоградское и Цимлянское моря простираются более, чем на 100 км.

 

Чтобы не допустить превышения максимального расчетного уровня воды в отдельные сезоны вода спускается из верхнего бьефа в нижний с помощью специальных каналов. Для обеспечения судоходства в плотинах предусматривают шлюзы, с помощью которых суда могут преодолевать разность уровней воды до и после плотины.

Поскольку кроме ГЭС существуют и иные потребители воды, то предусматривают специальные водоприемные сооружения и насосные станции.

Для пропуска через плотину рыбы используются рыбоходы и рыбоподъемники. Для пропуска рыбы на нерестилища могут применяться и непосредственно шлюзы.Нередко на плотине прокладывается автомобильная дорога через реку.

 

Электрическая часть станции примерно аналогична ТЭС или АЭС. Генераторы совмещены с трансформаторами, повышающими напряжение с генераторного уровня. Возможно наличие генераторных распределительных устройств, хотя более прогрессивным является применение комплектных элегазовых распредустройств сверхвысокого напряжения. От блочных трансформаторов запитываются схемы собственных электрических нужд, с резервированием со стороны схемы выдачи мощности через трансформаторы собственных нужд.

Рассмотрим более подробно основные конструктивные особенности турбин ГЭС.

Как мы уже говорили, турбина ГЭС предназначена для преобразования энергию воды, текущей под напором, в механическую энергию вращения вала.

Подобно паровым турбинам, турбины ГЭС могут быть разделены на два класса: активные (свободноструйные)и реактивные (напороструйные). В первом случае вода к рабочему колесу поступает через сопла, во втором –через направляющий аппарат.

Наиболее распространенной конструкцией первого типа является ковшовая турбина. Такие машины конструктивно сильно отличаются от наиболее распространенных реактивных гидротурбин (радиально-осевых, поворотно-лопастных), у которых рабочее колесо находится в потоке воды. В ковшовых турбинах вода подается через сопла по касательной к окружности, проходящей через середину ковша. Вода проходит сопла, формирует струю, которая движется с большой скоростью, и ударяет о лопатку турбины, после чего колесо проворачивается, совершая работу. После отклонения одной лопатки под струю подставляется другая. Процесс использования энергии струи происходит при атмосферном давлении, а производство энергии осуществляется только за счет кинетической энергии воды. Лопатки турбины имеют двояковогнутую форму с острым лезвием посередине; задача лезвия - разделять струю воды с целью лучшего использования энергии. Ковшовые гидротурбины применяются при напорах более 200 метров (чаще всего 300-500 метров и более), при расходах до 100 м³/сек. Мощность наиболее крупных ковшовых турбин может достигать 200-250 МВт и более. При напорах до 700 метров ковшовые турбины конкурируют с радиально-осевыми, при больших напорах их использование безальтернативно. Как правило, ГЭС с ковшовыми турбинами построены по деривационной схеме, поскольку получить столь значительные напоры при помощи плотины проблематично. Преимуществами ковшовых турбин является возможность использования очень больших напоров, а также небольших расходов воды. Недостатки турбины – неэффективность при небольших напорах, невозможность использования как насоса, высокие требования к качеству подаваемой воды.

Радиально-осевая турбина (турбина Френсиса) – это турбина реактивного типа. В ее рабочем колесе поток сначала движется радиально (от периферии к центру), а затем в осевом направлении (на выход). Применяются такие турбины при напорах до 600 м. Мощность до 640 МВт.

У такого рода турбин набольшая экономичность в сравнении с турбинами иных типов. К недостаткам относится то, что рабочая характеристика у них менее пологая, чем у турбин поворотно-лопастного типа.

Поворотно-лопастная турбина (турбина Каплана) представляет собой реактивную турбину, у которой лопасти могут поворачиваться вокруг своей оси одновременно, за счет чего появляется возможность регулировать ее мощность. Также мощность может регулироваться с помощью лопаток направляющего устройства. Лопастный аппарат турбины может быть расположен как перпендикулярно ее оси, так и под углом. Поток воды в поворотно-лопастной турбине движется вдоль ее оси. Ось турбины может располагаться как вертикально, так и горизонтально. При вертикальном расположении оси поток перед поступлением в рабочую камеру турбины закручивается в спиральной камере, а затем спрямляется с помощью обтекателя. Это необходимо для равномерной подачи воды на лопасти турбины, аследовательно, уменьшения ее износа. Турбины указанного типа применяются, как правило, на ГЭС со средним напором.

Диагональная турбина – это реактивная турбина, которая применяется при высоких и средних напорах. Турбины этого типа представляют собой поворотно-лопастную турбину, у которой лопасти расположены под острым углом к ее оси вращения. Принятое расположение лопастей дает возможность увеличить их количество до двенадцати штук, а также применять турбину при высоких напорах. Турбины рассматриваемого типа могут приняться при напоре от 30 до 200 метров, создавая конкуренцию при низком напоре классическим поворотно-лопастными турбинами, а на высоких напорах – радиально-осевыми турбинами. В сравнении с турбинами последнего типа, диагональные турбины более экономичны, но их изготовление сложнее, и требует больших затрат.

 

Гидрогенератором называется генератор, электрическая машина, которая предназначена для производства электроэнергии на гидроэлектростанции при работе от привода гидравлической турбины. Как правило, генератор является собой синхронной явнополюсной электрической машиной вертикального исполнения (причины будут пояснены ниже), которая приводится во вращение гидротурбиной. Вместе с тем,встречаются и гидрогенераторы горизонтального исполнения, хотя такая компоновка предельно редка.

Электрогенераторы, предназначенные для работы с гидротурбинами, имеют частоту вращения пониженнуюдо 500 об/мин, что связано с большой массой и габаритами. В частности,  диаметр может достигать двадцати метров. В связи с этим приходится выполнять такие генераторы вертикального исполнения, что, например, нетипично для генераторов паровых турбин. На такую компоновку приходится идти из-за того, что  при горизонтальном исполнении обеспечение потребной механической прочности и жесткости элементов конструкции генераторов становится невозможным.

Генераторы гидротурбин несколько отличаются по конструкции от генераторов турбин для ТЭС и АЭС. Основными их частями являются: ротор (подвижная часть), статор (неподвижная часть), верхняя и нижняя крестовины, подпятник (это упорный подшипник, который нужен для восприятия вертикальной нагрузки от вращающихся частей собственно генератора и турбины), направляющие подшипники.

Исходя из конструктивных особенностей генераторы могут быть поделены на подвесные и зонтичные. К первым относятся такие генераторы, у которых подпятник находится в верхней крестовине над ротором. Ко вторым – в нижней крестовине или опирается на крышку турбины. В последнем случае нижняя крестовина отсутствует.

В силу очевидных режимных требований для применения на ГАЭС требуются реверсивные генераторы, способные работать как в режиме генератора, так и в моторном режиме, то есть могут и вырабатывать электроэнергию, и потреблять ее. От генераторов обычных станций они отличаются тем, что их подпятники позволяют ротору вращаться как в прямом направлении, так и в обратном.

На этом закончим «историческую» часть очерка, и перейдем к «описательной».