Гідроелектростанції : їх різновиди та принцип роботи

 

Вступ

Зростаючі потреби суспільства  у водних ресурсах та енергії обумовлюють

необхідність спорудження  великих гідротехнічних об’єктів. Гідротехнічне та

енергетичне будівництво  пов’язане з реконструкцією існуючих та створенням

нових водоймищ та водотоків. Зараз функціонує і вводиться  в експлуатацію велика кількість водосховищ різного розміру та призначення, водоймищ -

охолоджувачів ТЕС та АЕС; споруджена велика мережа водопостачальних каналів та трубопроводів, регулюється стік річок. Регулювання розподілу життєво важливих для людства водних ресурсів завжди було його першочерговим завданням.

Входячи до системи відновлюваних  джерел енергії, гідроенергетика займає

лише 6 % у світовому енергобалансі.

Гідроенергетичні  ресурси – запаси енергії річкових потоків і водойм, які

лежать вище рівня моря. Загалом гідроенергетичні ресурси  становлять близько

60 % всієї енергії поверхневого  стоку. Належать до відновлюваних  природних

ресурсів. Розрізняють такі гідроенергетичні ресурси (ГР): потенціальні, технічно можливі для використання на даному рівні розвитку науки і техніки, а також економічно доцільні для використання.

Потенціальні гідроенергетичні ресурси України дорівнюють – 44,7 млрд.

кВт∙год. З цієї кількості  на технічно можливі для використання гідроресурси

припадає 21,5 млрд. кВт∙год (з  них 46 % – на басейн Дніпра, по 20 % –  на басейни Дністра і Тиси, 14 % – на всі інші річки країни).

Вироблення електроенергії на ГЕС приводить до економії органічного  палива, перш за все нафтового, яке при спалюванні дає велику кількість шкідливих речовин, забруднюючих довкілля. ГЕС не забруднюють атмосферу, як теплові електростанції. Тому доцільне використання енергетичного потенціалу річок в структурі енергетичного балансу країни. Але створення водосховищ ГЕС пов’язано з великим впливом на рельєф, клімат, господарську діяльність людини в районах затоплення.

 

1. Гідроелектростанції : їх різновиди та принцип роботи

Гідроелектроста́нція (ГЕС) — електростанція, яка за допомогою  гідротурбіни перетворює кінетичну  енергію води в електроенергію.

ГЕС, будівля якої є частиною греблі, називається русловою (наприклад, Кременчуцька, Київська ГЕС).

Якщо будівля розташована  окремо, біля основи греблі на протилежному від водосховища боці, то така ГЕС  називається пригреблевою (наприклад, ДніпроГЕС).

ГЕС, до якої вода подається  трубами, називається дериваційною (наприклад, Інгурський каскад на Кавказі).

Гідроакумулюючі електростанції (ГАЕС) з оборотними гідроагрегатами (що працюють як генератори струму або  водяні помпи) в години малого споживання електроенергії перекачують воду з  водосховища у верхній басейн, а в години пікових навантажень  виробляють енергію як звичайні ГЕС (наприклад, Київська ГЕС, Дністровська ГАЕС).

ГЕС з використанням енергії  припливів називають припливними (наприклад, ГЕС у Франції на ріці Ранс).

Принцип роботи ГЕС досить простий. Ланцюг гідротехнічних споруд забезпечує необхідний напір води, що надходить на лопаті гідротурбіни, яка приводить в дію генератори, що виробляють електроенергію. Необхідний напір води утворюється за допомогою будівництва греблі, і як наслідок концентрації річки в певному місці, або деривації - природним струмом води. У деяких випадках для отримання необхідного напору води використовують спільно і греблю, і деривації. Безпосередньо в самій будівлі гідроелектростанції розташовується все енергетичне обладнання. У залежності від призначення, воно має свій певне поділ. У машинному залі розташовані гідроагрегати, які безпосередньо перетворюють енергію струму води в електричну енергію. Є ще всіляке додаткове обладнання, пристрої керування й контролю над роботою ГЕС, трансформаторна станція, розподільні пристрої та багато іншого.

Гідроелектричним станції  поділяються в залежності від  вироблюваної потужності:

• потужні - виробляють від 25 МВт до 250 МВт і вище;
• середні - до 25 МВт;
• малі гідроелектростанції - до 5 МВт (в деяких країнах (в тому числі і Україні) малими визнаються гідроелектростанції із потужністю до 10 МВт. (примітка: встановлено Законом України "Про електроенергетику"))

Потужність ГЕС безпосередньо  залежить від натиску води, а також  від ККД використовуваного генератора. Через те, що за природними законами рівень води постійно змінюється, в  залежності від сезону, а також  ще від низки причин, в якості вираження потужності гідроелектричної станції прийнято брати циклічну потужність. Наприклад, розрізняють  річний, місячний, тижневий або добовий  цикли роботи гідроелектростанції.

Гідроелектростанції також  діляться в залежності від максимального  використання напору води:

• високонапірні - понад 60 м;
• середньонапірні - від 25 м;
• низьконапірні - від 3 до 25 м.

Залежно від натиску води, в гідроелектростанціях застосовуються різні види турбін. Для високонапірних — ковшові і радіально-осьові турбіни з металевими спіральними  камерами. На середньонапірних ГЕС  встановлюються поворотнолопатні і  радіально-осьові турбіни, на низьконапірних — поворотнолопастні турбіни  в залізобетонних камерах. Принцип  роботи всіх видів турбін схожий —  вода, що подається під тиском (напір  води), надходить на лопаті турбіни, які починають обертатися. Механічна  енергія, таким чином, передається  на гідрогенератор, який і виробляє електроенергію. Турбіни розрізняються  деякими технічними характеристиками, а також камерами — залізними  або залізобетонними, і розраховані  на різний тиск води.

Гідроелектричним станції  також розділяються в залежності від принципу використання природних  ресурсів, і відповідно створення концентрації води. Тут можна виділити такі ГЕС:

Руслові і пригреблеві ГЕС. Це найпоширеніші види гідроелектричних станцій. Натиск води в них створюється за допомогою установки мостом, повністю перегородка річку, або що піднімає рівень води в ній на необхідну позначку. Такі гідроелектростанції будують на багатоводних рівнинних річках, а також на гірських річках, у місцях, де русло річки вужче, стиснуте.

Греблеві ГЕС. Будуються при більших напорах води. У цьому випадку річка повністю перегороджуються греблею, а сама будівля ГЕС розташовується за греблею, у нижній її частині. Вода, в цьому випадку, підводиться до турбін через спеціальні напірні тунелі, а не безпосередньо, як у руслових ГЕС.

Дериваційні гідроелектростанції. Такі електростанції будують у тих місцях, де великий ухил річки. Необхідна концентрація води в ГЕС такого типу створюється за допомогою деривації. Вода відводиться з річкового русла через спеціальні водовідведення. Водоводи спрямлени, і їхній ухил значно менший, ніж середній ухил річки. У підсумку вода підводиться безпосередньо до будівлі ГЕС. Дериваційні ГЕС можуть бути різного виду - безнапірні або з напірної деривації. У випадку напірної деривації, прокладається водовід з великим подовжнім ухилом. В іншому випадку на початку деривації на річці створюється вища гребля, і створюється водосховище — така схема ще називається змішаної деривації, тому що використовуються обидва методи створення необхідної концентрації води.

Гідроакумулюючі електростанції. Такі ГАЕС здатні акумулювати вироблювану електроенергію, і пускати її в хід у моменти пікових навантажень. Принцип роботи таких електростанцій наступний: в певні моменти (часи не пікового навантаження), агрегати ГАЕС працюють як насоси, і закачують воду в спеціально обладнані верхні басейни. Коли виникає потреба, вода з них поступає в напірний трубопровід і, відповідно, приводить в дію додаткові турбіни.

2. Особливості функціонування гідроенергетики України

Гідроенергетика України  розпочалась зі спорудження найбільшої в Європі Дніпровської ГЕС - 560 МВт (1927 р. - початок будівництва, 1932 р. - введена  в експлуатацію). До складу споруди  входили будівлі ГЕС з дев'ятьма  агрегатами.

Концентрація потужностей  в процесі розвитку енергетики призвела до будівництва переважно потужних ГЕС. З ГЕС середньої потужності була споруджена лише Теребле-Рікська (27 МВт, 1955 р.) - надзвичайно цікава ГЕС, де задіяно процедуру перекидання  стоку р.Теребля в р.Ріку. Тут використовується різниця наявних природних рівнів рік Теребля і Рікі, складова 200 м в тому місці, де ці ріки зближаються на відстані 3,5 км.

У період з 1955 р. почалось освоєння гідропотенціалу р. Дніпро - спорудження  ГЕС Дніпровського каскаду.

Узагальнені енергетичні  показники Дніпровських ГЕС наведені в табл. 1. Сьогодні почався важливий процес реконструкції цих ГЕС. Як видно, всі ГЕС, крім Каховської (періодично - полупіковий об'єкт), є піковими електростанціями.

У 1983 р. введена в експлуатацію Дністровська ГЕС. Встановлена потужність Дністровської ГЕС - 702 МВт, середньобагаторічне (проектне) виробництво електроенергії складає 800 млн. кВт*год, розрахунковий  напір - 55 м, число годин використання потужності по проекту - 1140 годин, тобто  це чисто гостропікова електростанція. Дана електростанція має характер гірської, тому площа затоплення земель під  водосховищем складає лише 14,2 тис. га (буферне водосховище - 1,04 тис. га).

ГЕС, в залежності від  водності, виробляли в останні  роки 14 - 16 % електроенергії в енергооб'єднанні. Собівартість електроенергії на великих  ГЕС склала, наприклад, в 1998 р. 0,59 коп./кВт*год. Ясно, що саме ГЕС стримують зростання  тарифів. Причому слід мати на увазі, що в структурі собівартості плата  за водокористування складає 31 % (одна й та ж вода проходить через  всі ГЕС Дніпровського каскаду  та оплачується багаторазово), а  витрати на заробітну плату у  структурі собівартості вкрай малі.

Рівень освоєння гідропотенціалу  великих рік практично вичерпаний. В останні роки використання технічного гідропотенціалу великих рік  в Україні перевищувало 60 %. Довикористання потенціалу р.Дністер вимагає серйозних  екологічних досліджень та обгрунтування (крім верхів'я). Ускладнює цю роботу нове міждержавне значення річки.

Відомо, що для енергооб'єднань з відносно малою питомою часткою  в структурі потужностей ГЕС  та переважним розвитком низькоманеврових пилевугільної блочної теплоенергетики  та атомних електростанцій необхідним є спорудження спеціальних пікових  енергооб'єктів. Розуміння важливості рішення проблеми покриття пікових  потужностей спеціальними способами (крім широкого використання споживачів-регуляторів  на основі багатозонних тарифів) було притаманне енергооб'єднанню України. Ще в січні 1975 р. введена перша  в СРСР гідроакумулююча електростанція - Київська ГАЕС потужністю 225 МВт. Її характеристики:

• повний об'єм верхнього водоймища - 4,79 млн. м3;
• корисний об'єм - 3,79 млн. м3;
• площа верхнього водоймища - 60 га (нижнє - водосховище Київської ГЕС);
• середній напір води Нср = 70 м (65 - 74 м);
• потужність ГАЕС в турбінному режимі складає 225 МВт;
• на станції встановлені три обертових агрегати одиничної потужності в насосному режимі 43 МВт (після модернізації 43,5 МВт), в турбінному - 33,4 МВт (після модернізації 37,0 МВт);
• потужність трьох прямих агрегатів складає по 41,5 МВт.

Українське енергомашинобудування  впоралось із завданням створення  перших обернених гідромашин. Набуто досвід їх проектування та експлуатації. При створенні гідрообладнання  вирішено складні питання розробки проточної частини насосів-турбін та реверсивних підп'ятників з  нульовим ексцентриситетом.

Київська ГАЕС стала великомаштабною  моделлю для всебічних досліджень. Виконані дослідження властивостей утомленості металів в оборотних  агрегатах у залежності від впливу інтенсивних вібраційних навантажень, міцності вузлів (кришки турбіни та турбінного підшипника), вібрації лопаток  направляючого апарату, системи  віджиму води та випуску повітря  при пуску в насосний режим. Проведено  комплекс досліджень перехідних процесів при пусках та переведенні в різні  режими, зупинках, втраті привода. Відпрацьований двотактний та більше режим експлуатації. Досвід експлуатації та накопичені дослідні наробки в майбутньому сприятимуть  впровадженню потужних ГАЕС (споруджуються  Дністровська та Ташликська, почато будівництво, але законсервовано, Канівської ГАЕС).

Таблиця 1.

Узагальнені енергетичні  показники ГЕС Дніпровського каскаду

 

Гідроелектростанції	Потужність на 01.06.00, МВт	Потужністьгідроагрегатів, шт.*МВт	Вироб-ництво електро-енергії, млн. кВт*год	Макси-мальний напір,м	Об'єм водо-cховища, км3	Нормаль-ний рівень резервуару, м	Характер регулювання  стоку
Київська ГЕС	361,2	4x16,3  16x18,5	635	12,0	1,175	103,0	сезонне обмеження
Київська ГАЕС	235,5	3x37  3x41,5	112	73,1	0,0037	174,6	денне
Канівська ГЕС	444	24x18,5	829	15,7	0,29	91,5	денне/тижневе
Канівська ГЕС	444	24x18,5	829	15,7	0,29	91,5	денне/тижневе
Кременчуцька ГЕС	625	12x32	1506	17,0	8,97	81,0	ранкове
Дніпродзержинська ГЕС	352	8x44	1250	15,5	0,5	64,0	денне/тижневе
Дніпровська ГЕС	1538,2	9x72  1x2,6  2x104,5  6x113,1	4140	38,7	0,865	54,4	денне/тижневе
Каховська ГЕС	351	6x58,5	1420	16,5	6,78	16,0	ранкове
Дністровська ГЕС	702	6x117	800	53,4	2,0	121,0	ранкове з переходом на тривалий режим