Гидроэлектростанции России

Одной из важных составляющих энергетики России, основа которой была заложена ещё на заре Советской власти государственным планом электрификации – ГОЭЛРО, являются гидроэлектростанции. На долю которых приходится 18,8% установленной в стране электрической мощности (согласно данным конца 2019 года). В 2020 году 102 действующие гидроэлектростанции и гидроаккумулирующие станции обладали установленной мощностью в 51811 МВт.

Что представляет собой современная ГЭС

Современная гидроэлектростанция – это огромный комплекс достаточно сложных гидротехнических сооружений и расположенного в специальных помещениях электроэнергетического оборудования, предназначенного для преобразования энергии движущейся массы воды в электричество.

Сооружаются они, как правило, на реках. И для своей работы требуют значительного (лучше всего – круглогодичного) напора воды, что более всего проявляется на водных артериях, обладающих как можно большим уклоном. На 2018 год в России пребывало в состоянии эксплуатации 102 крупных ГЭС и ГАЭС. Каждая из них располагала генерирующей мощностью превышающей 10 МВт.

Для удобства оценки возможностей гидроэлектростанций применяется следующая классификация:

По вырабатываемой мощности:

• от 25 МВт и выше – мощные,
• от 5 до 25 МВт – средние,
• до 5 МВт – малые.

По максимуму использования напора воды:

• свыше 60 м – высоконапорные (в них нашли применение ковшовые и радиально-осевые турбины с изготовленными из металла, спиральными камерами),
• от 25 до 60 м – средненапорные (радиально-осевые и поворотно-лопастные турбины или турбины Каплана),
• от 3 до 25 м – низконапорные (установленные в железобетонных камерах поворотно-лопастные турбины).

По методу использования существующих гидроресурсов:

• плотинные ГЭС, сооружаемые или на равнинных, или на горных реках со сжатым (узким) руслом;
• приплотинные ГЭС, с нижней установкой самого здания станции, куда вода поступает на турбины по специально сооружённым напорным тоннелям;
• деривационные ГЭС, использующие отвод воды по водоводам или каналам, вследствие слишком высокого уклона речного русла.

В случае плотинных или приплотинных гидроэлектростанций, река полностью перекрывается построенным сооружением – плотиной. Но это ещё не вся существующая классификация. В зависимости от гидроэнергетического потенциала используемых водных ресурсов, гидростроителям подчас приходится сооружать и устанавливать малые ГЭС (МГЭС), имеющие свою классификацию, приливные (ПЭС) и гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС).

МГЭС

Желание использовать гидроэнергетический потенциал малых рек или малых водных потоков вызвало к жизни строительство малых гидроэлектростанций (МГЭС). Принципиальное отличие этих технических сооружений от классических ГЭС заключается лишь в выработке небольшого количества электрической энергии.

Современная малая гидроэнергетика сосредоточена на генерации электрической мощности с помощью гидротурбин разной производительности, которые так же, как их более могучие аналоги, требуют создания плотины. Хотя, объективности ради, следует подчеркнуть, что существуют условия работы и бесплотинных станций. Это происходит в случае сброса вод от промышленных предприятий, электростанций, разнообразных гидротехнических, а также ирригационных сооружений.

К объектам малой гидроэнергетики относятся:

• микро ГЭС, мощность их варьируется от 0 – до 100 кВт;
• мини ГЭС: от 100 – до 1000 кВт;
• малые ГЭС: от 1000 кВт – до 30000 кВт.

Данная градация (хотя и закреплённая ГОСТ Р 51238-98 от 1999 года) носит весьма условный характер, так как в действующих СП 58.13330.2012 понятие «малая ГЭС» вообще не упоминается. А в целом ряде стран мира к МГЭС относят гидроустановки мощностью и до 2 (Латвия и Швеция), и до 5 (целый ряд европейских государств, включающий Германию, Австрию, Испанию, Польшу), и до 10 МВт (Ирландия, Португалия, Греция).

Россия является обладательницей значительного гидроэнергетического потенциала (17% в нём приходится на малые реки), который пока что используется в лучшем случае на 15-16%. Предположительно, будущие перспективы строительства МГЭС просматриваются в районах Северного Кавказа, Сибири и Дальнего Востока.

ГАЭС

Ещё одним видом гидрогенераторных установок являются гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС), предназначенные для сглаживания пиков суточной энергетической нагрузки в системе электропотребления.

Принцип действия их заключается в работе насосов, генераторов или обратимых гидроэлектрических агрегатов, – в зависимости от необходимости выполняющих функцию либо насоса, либо генератора – перекачивающих воду в ночное время суток в расположенный наверху бьеф (водохранилище, оснащённое гидротехникой). После чего, с наступлением утреннего и вечернего максимума потребления, вода из верхнего бьефа перетекает в нижний бьеф, приводя в работу генераторы ГАЭС. Это практика экономически весьма целесообразна и, кроме того, повышает устойчивость работы самой системы электроснабжения.

В настоящее время на территории Российской Федерации функционируют 4-е ГАЭС:

• Загорская.
• Зеленчукская, объединяющая в единый комплекс ГЭС и ГАЭС.
• Гидроаккумулирующий комплекс, установленный на канале имени Москвы.
• Кубанская ГАЭС.

В ближайших планах – строительство Загорской ГАЭС-2. В стадии проектирования пребывают ещё 8 гидроаккумулирующих станций.

Устройство гидроэлектростанции

Любая гидроэлектростанции включает в ряд сооружений:

• Водохранилище. Именно здесь накапливается нужный запас воды необходимого уровня, позволяющий организовать стабильную работу станции независимо от колебаний потока реки. Аккумулированный в верхнем бьефе объём в дальнейшем пропускается через плотину и поступает на нижний бьеф.
• Плотина – крупное гидростроительное сооружение, обеспечивающее подъём уровня воды и сдерживающее её утекание. Именно плотина позволяет сформировать нужный напор водяного потока.
• Гидроузел, включающий в себя плотину и целый набор гидросооружений, имеющих как основное, так и ряд вспомогательных назначений:
• Основное предназначение выполняют: плотина, водозаборный регулятор, водоподъёмная установка, здание гидростанции.
• Вспомогательные роли обеспечивают: бревноспуски, судоходные шлюзы, водосливы, рыбоходы и рыбоподъёмники, береговые укрепляющие и выправительные дамбы, промывники, отстойники, системы управления струями.
• Электростанция – место выработки электрической энергии, которая затем проходит процесс трансформации на подстанциях и распределения на распределительных устройствах по линиям электропередач.

К сведению:

1. Самая высокая плотина в мире, высотой 305 метров, расположена в юго-западной части Китая на Цзиньпинской ГЭС (река Ялунцзян). В этой же стране располагается самая мощная (22,5 ГВт) гидроэлектростанция, носящая романтическое название «Три ущелья», сооружённая на реке Янцзы.
5. Крупнейшей гидроэлектростанцией России является Саяно-Шушенская ГЭС, построенная на реке Енисей и обладающая мощностью в 6,4 ГВт.

Принцип работы ГЭС

Несмотря на всю свою громоздкость и сложность сооружения, принцип действия гидроэлектростанции достаточно прост: поступающая из водохранилища вода падает на лопатки гидротурбины, тем самым приводя их во вращение. На одном валу с гидротурбиной установлен и гидрогенератор, который при этом тоже вращается, вырабатывая электрическую энергию. В дальнейшем электроэнергия преобразуется на трансформаторной подстанции, распределяется и отправляется потребителям.

Прошедшая через гидротурбину вода, выполнившая функцию первичного источника энергии, – в процессе гидравлической генерации кинетическая энергия падающего потока преобразуется в электрическую энергию – поступает в нижний бьеф, восстанавливая естественный ток реки.

Понятно, что чем больше перепад высот и объёмнее поток воды, – тем выше производительность гидроэлектростанции. Естественно, что столь простая, но достаточно ответственная и весьма объёмная технология, требует постоянного оперативного управления, проводимого с целью с целью:

• накопления и сохранения водных запасов внутри водохранилища,
• регуляции потока воды, поступающего к гидротурбинам,
• отслеживания количества вырабатываемой электрической энергии,
• своевременного пропуска судов через шлюзы.

В противном случае, возможны сбои в работе станции. И даже – аварии и катастрофы экологического плана.

Так самой крупной аварией на ГЭС, стал прорыв плотины на реке Жухе в 1975 году, сдерживающей воду в водохранилище Баньцяо. В результате чего погибло 170 тыс. человек! Крупнейшей российской аварией стало происшествие на Саяно-Шушенской ГЭС, унесшее жизни 75 человек и нанесшее огромный ущерб оборудованию и зданию электростанции.

Всё это говорит о необходимости правильной эксплуатации действующих ГЭС. Только в таком случае, они могут проявить все свои достоинства, и будет реализована возможность нивелирования объективно обусловленных недостатков с минимальными потерями материальных ресурсов, сопровождающаяся неизбежными расходами на их восстановление.

Преимущества ГЭС и проблемы связанные с организацией их работы

Говоря о преимуществах гидроэлектростанций, надо чётко понимать, что таковые существуют не сами по себе, а в сравнении с другими электрическими станциями: ТЭЦ, АЭС, СЭС, ВЭС и тому подобные.

Современные ГЭС являют собой весьма габаритные (одни из самых громоздких на планете) мега сооружения. Требующие для своего возведения значительных финансовых вложений. Зато они производят самую дешёвую электроэнергию (стоимостью вдвое ниже, чем ТЭЦ).

Гидроэлектростанции, в особенности водохранилища, для своего размещения забирают значительные территории. Что в свою очередь приводит к затоплению действующих сельхозугодий, стоящих на этой местности населённых пунктов, а также к подтоплению близлежащих функционирующих хозяйств, расположенных в прилегающей местности. Это приводит к строительству дамб и защитных сооружений, но с другой стороны – позволяет проводить орошение используемых в аграрном плане земель и территорий.

Ещё одним негативным фактором данных преобразований местности, является изменение рыбно-хозяйственной деятельности, вследствие перекрытия доступа к местам нерестилища. Некоторой компенсацией этому может служить рост количества биомассы в самом водохранилище.

Сооружение плотин улучшает процесс хождения судов, хотя и требует возведения шлюзов для пропуска речного транспорта. Также гигантские зеркала вод оказывают сглаживающее влияние на колебания температуры, влажности и давления, делая местный климат более умеренным.

К техническим достоинствам ГЭС можно отнести: плавное регулирование мощности в широком диапазоне поступающего потока воды, высокую манёвренность за счёт форсированного набора пиковой мощности действующими гидроагрегатами.

При всём наборе своих положительных и отрицательных качеств, гидроэлектростанции уже давно занимают значительную нишу на рынке производителей электроэнергии, показывая стабильную и надёжную работу. И, кроме того, они пользуются возобновляемым источником энергии, что весьма актуально в наши дни.