Гидроэлектростанции. Принцип работы ГЭС и аккумулирующих станций

1. Гидроэлектростанции.

Гидроэлектрическая  станция, носящая еще более привычное  нам название гидроэлектростанции  или ГЭС – это целый комплекс специального оборудования и гидротехнических сооружений, благодаря которым энергия  водного потока преобразуется в  электрическую энергию.

      2.  Принцип работы, устройство  и работа ГЭС и гидроаккумулирующих  станций.

Принцип работы ГЭС достаточно прост. Цепь гидротехнических сооружений обеспечивает необходимый  напор воды, поступающей на лопасти  гидротурбины, которая приводит в  действие генераторы, вырабатывающие электроэнергию.

 Необходимый  напор воды образуется посредством  строительства плотины, и как  следствие концентрации реки  в определенном месте, или деривацией  – естественным током воды. В  некоторых случаях для получения  необходимого напора воды используют  совместно и плотину, и деривацию. 

 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 за работой ГЭС,  трансформаторная станция, распределительные  устройства и многое другое.

Гидроэлектрические  станции разделяются в зависимости  от вырабатываемой мощности:

 – мощные  – вырабатывают 250 Мвт и выше;

 – средние  – до 25 Мвт;

 – малые  гидроэлектростанции – до 5Мвт.

 Мощность  ГЭС напрямую зависит от напора  воды, а также от КПД используемого  генератора. Из-за того, что по  природным законам уровень воды  постоянно меняется, в зависимости  от сезона, а также еще по  ряду причин, в качестве выражения  мощности гидроэлектрической станции  принять брать цикличную мощность. К примеру, различают годичный, месячный, недельный или суточный  циклы работы гидроэлектростанции. 

Гидроэлектростанции также делятся в зависимости  от максимального использования  напора воды:

 – высоконапорные  – более 60 м;

 – средненапорные  – от 25 м;

 – низконапорные  – от 3 до 25 м.

 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, которая начинает вращаться.  Механическая энергия, таким образом,  передается на гидрогенератор, который  и вырабатывает электроэнергию. Турбины различаются некоторыми  техническими характеристиками, а  также камерами – железными  или железобетонными, и рассчитаны  на различный напор воды.  

Гидроэлектрические  станции также разделяются в  зависимости от принципа использования  природных ресурсов, и, соответственно, образующейся концентрации воды. Здесь  можно выделить следующие ГЭС:

 – русловые  и приплотинные ГЭС. Это наиболее  распространенные виды гидроэлектрических  станций. Напор воды в них  создается посредством установки  плотины, полностью перегораживающей  реку, или поднимающий уровень  воды в ней на необходимую  отметку. Такие гидроэлектростанции  строят на многоводных равнинных  реках, а также на горных  реках, в местах, где русло реки  более узкое, сжатое.

 – плотинные  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  моменты (времена не пиковой  нагрузки), агрегаты ГАЭС работают  как насосы, и закачивают воду  в специально оборудованные верхние  бассейны. Когда возникает потребность,  вода из них поступает в  напорный трубопровод и, соответственно, приводит в действие дополнительные  турбины. 

 В гидроэлектрические  станции, в зависимости от их  назначения, также могут входить  дополнительные сооружения, такие  как шлюзы или судоподъемники, способствующие навигации по  водоему, рыбопропускные, водозаборные  сооружения, используемые для ирригации  и многое другое.

 Ценность  гидроэлектрической станции состоит  в том, что для производства  электрической энергии, они используют  возобновляемые природные ресурсы.  Ввиду того, что потребности в  дополнительном топливе для ГЭС  нет, конечная стоимость получаемой  электроэнергии значительно ниже, чем при использовании других  видов электростанций. 

Гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС) перераспределяют электроэнергию, вырабатываемую другими  электростанциями, во времени в соответствии с требованиями потребителей. Принцип  действия гидроаккумулирующей станции  основан на ее работе в двух режимах: насосном и турбинном. В насосном режиме вода из нижнего водохранилища (бассейна) ГАЭС перекачивается в вышерасположенный верхний бассейн. Во время работы в насосном режиме (обычно в ночные часы, когда нагрузка в энергосистеме снижается) ГАЭС потребляет электрическую энергию, вырабатываемую тепловыми электростанциями энергосистемы. В турбинном режиме ГАЭС использует запасенную в верхнем бассейне воду, агрегаты станции при этом вырабатывают электроэнергию, которая подается потребителю в часы пиков нагрузки. 

3.Перспективы  использования ГЭС в Республике  Беларусь 

«У белорусской  гидроэнергетики хорошие перспективы» 

В соответствии со стратегией развития энергетического  потенциала Беларуси, к 2015 году доля собственных  энергоресурсов в балансе котельно-печного  топлива должна возрасти до 28-30 процентов. В этой связи большое значение приобретает развитие возобновляемых источников энергии, в частности гидроресурсов. В последние десятилетия в мировой энергетика, возрождается интерес к малым ГЭС, и Беларусь не

стала исключением. В конце прошлого года была принята  государственная программа строительства  в 2011–2015 гг. гидроэлектростанций в  нашей стране.

В 1991 году на территории Беларуси осталось всего четыре действующих  гидроэлектростанции, а до Великой  Отечественной войны их насчитывалось более полутора сотен. После войны в республике энергосистемы не было, существовали лишь локальные маленькие энергоисточники, например водяные мельницы в колхозах и деревнях. По ним не было и точной статистики: одни строились, другие прекращали работу, многие не сохранились из-за изменения климата и водного режима рек. 

Но сегодня  Беларусь вернулась к тому, что  малая гидроэнергетика  возрождается. Чем это обусловлено? 

Она возрождается в другом качестве, поскольку существенно  повысился уровень  развития техники. Если раньше

станцию обслуживал многочисленный персонал, то сейчас станции  могут работать полностью в автоматическом режиме, даже большую станцию обслуживают  всего 2-3 человека. Да и энергоресурсы  нынче существенно подорожали. Поэтому  мы и возвращаемся к возобновляемым источникам. Между тем в гидроэнергетике  важна не только экономическая, но и  экологическая составляющая. Во всем мире обострилась экологическая  ситуация, связанная с увеличением  выбросов парниковых газов. Вот и  обратилось мировое сообщество к  энергоисточникам, не производящим таких  выбросов. 

Как сказано  в государственной программе  строительства в 2011-2015 гг. ГЭС в  Беларуси, потенциальная мощность всех водотоков республики составляет 850 МВт, в том числе технически доступная  – 520 МВт, экономически целесообразная – 250 МВт. В настоящее время в  Беларуси находится в эксплуатации 41 ГЭС суммарной мощностью 16,1 МВт, что составляет около 3 процентов  от технически доступного потенциала.Почему так мало? 

В эти 250 МВт входят будущие каскады гидростанций на Западной Двине, Немане и Днепре –  это ГЭС другого для Беларуси класса. До сих пор в республике самой крупной по установленной  мощности являлась Осиповичская ГЭС  – 2,175 МВт, возраст этой станции более 50 лет. Сейчас заканчивается строительство  Гродненской ГЭС на 17 МВт, что  по международным стандартам соответствует  ГЭС средней мощности. Если учитывать возможную мощность будущих каскадов, то можно приблизиться к указанной цифре. 

 Кроме того, на белорусских реках насчитывается  несколько сотен мест с небольшими  водотоками, где возможно строительство   микроГЭС мощностью 10-20 кВт. Однако  там должны быть применены   такие технические решения и 

такое оборудование, которые экономически оправдывали  бы проект. ГЭС должна окупаться  не за 20, а за 5-7 лет, иначе инвестору  нет смысла вкладывать в нее средства. 

 Здесь главная  проблема – высокая стоимость   оборудования. Гидравлическая турбина  может работать с мощностью  10 кВт, а может – 50 кВт. Все  зависит от количества воды, которая  на нее попадет, и от напора, т.е. с какой высоты вода  будет подаваться. Получается, что  оборудование, которое потенциально  может выдавать 50 КВт, выдает лишь 10-15 КВт. А изначальные затраты одинаковые, их сократить невозможно. 

 Проблема  дороговизны оборудования для  мини-ГЭС объясняется отсутствием  массовости его применения, а  лишь по индивидуальным заказам  или в малых сериях. В Беларуси  такое оборудование  практически  не выпускается и, наверное, массово  выпускаться не будет, ибо нет  развитого рынка. С другой стороны,  вполне возможно производить  такое оборудование  на экспорт, и это бы уменьшило стоимость оборудования для строительства отечественных ГЭС. 

Согласно программе, к 2020 году прогнозируется увеличение мощности малых и микроГЭС вдвое. Это реально?

Абсолютно реально! В настоящее время в  Республике Беларусь находится в  эксплуатации 41 ГЭС суммарной мощностью 16,1 МВт. Как только будет введена  в эксплуатацию одна Гродненская  ГЭС на 17 МВт, совокупная мощность гидроэнергетики  Беларуси уже будет увеличена  вдвое. А еще будут строиться  крупные ГЭС на Западной Двине  и Днепре. Так что у белорусской  гидроэнергетики хорошие перспективы.