Гидроэлектрическая станция

ГИДРОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СТАНЦИЯ (гидроэлектростанция, ГЭС), комплекс сооружений и оборудования для преобразования энергии потока воды (водотока) в электрическую энергию. Гидравлическая энергия относится к возобновляемым источникам энергии (ВИЭ), причём цикличность её воспроизводства полностью зависит от потока воды, вследствие чего гидроэнергоресурсы неравномерно распределяются в течение года; кроме того, их величина меняется из года в год. Характерная особенность ГЭС - преобразование механической энергии воды в электрическую происходит без промежуточного производства тепла. Для получения электроэнергии наиболее часто используют эффект «падающей» воды, когда естественные или искусственно создаваемые перепады уровней воды (с помощью плотины и/или деривации) формируют водоток, направляемый в гидравлическую турбину.

ГЭС классифицируются: по установленной мощности (МВт) - крупные (свыше 250), средние (до 250) и малые (до 10); величине напора; схеме использования водных ресурсов; условиям работы. Мощность ГЭС N (кВт) зависит от напора Н_б (разности уровней верхнего и нижнего бьефа, м), расхода воды Q (м³/с), проходящего через гидротурбины, кпд гидроагрегата h_г и определяется выражением N = h_гQH_б.

Крупные и средние ГЭС занимают главенствующее положение в получении гидроэлектрической энергии и строятся на крупных реках; состоят из системы гидротехнических сооружений, обеспечивающих создание необходимого напора, энергетического оборудования (гидравлических турбин), преобразующего энергию движущейся под напором воды в механическую энергию, которая, в свою очередь, преобразуется в электрическую энергию. Схема крупной (средней) ГЭС представлена на рисунке 1. Плотина образует водохранилище, обеспечивая постоянный напор воды, которая через защитную решётку и регулируемый затвор входит в водоприёмник и, пройдя по водотоку, вращает гидравлическую турбину, приводящую в действие гидрогенератор. Выходное напряжение гидрогенераторов повышается трансформаторами для передачи на распределительные подстанции, а затем - потребителям. После совершения работы вода вытекает в реку. В здании ГЭС размещается основное энергетическое оборудование: в машинном зале - гидроагрегаты, вспомогательное оборудование, устройства автоматического управления и контроля; на центральном посту управления - пульт оператора-диспетчера или автооператор ГЭС.

Повышающая трансформаторная подстанция может находиться как внутри здания ГЭС, так и в отдельных зданиях или на открытых площадках. Распределительные устройства зачастую располагаются на открытой площадке. При здании ГЭС или внутри него создаётся монтажная площадка для сборки и ремонта оборудования и для вспомогательных операций по обслуживанию ГЭС.

По величине напора различают ГЭС высоконапорные (свыше 60 м), среднего напора (до 60 м) и низконапорные (3-25 м). На равнинных реках напоры редко превышают 100 м, в горных условиях посредством плотины можно создавать напоры до 300 м и более, а с помощью деривации - до 1500 м. Отличительной особенностью ГЭС, сооружаемых на равнинных реках (как на мягких основаниях, так и на скальных породах), являются большие объёмы земляных и бетонных работ. В каньонах и горных ущельях на твёрдых скальных основаниях тяжёлые гравитационные плотины экономически невыгодны, для таких гидроузлов более эффективны арочные плотины или арочно-гравитационные. В зависимости от напора используют различное энергетическое оборудование: на низконапорных ГЭС - поворотно-лопастные или горизонтальные (реже) турбины; на средненапорных - поворотно-лопастные и радиально-осевые турбины; на высоконапорных - ковшовые и радиально-осевые турбины.

По схеме использования водных ресурсов ГЭС обычно подразделяют на русловые, приплотинные, деривационные (с напорной и безнапорной деривацией), смешанные, гидроаккумулирующие и приливные. В русловых и приплотинных ГЭС напор воды создаётся плотиной, перегораживающей реку и поднимающей уровень воды в верхнем бьефе. При этом неизбежно некоторое затопление долины реки. Русловые и приплотинные ГЭС строят как на равнинных многоводных реках, так и на горных реках в узких сжатых долинах. В состав сооружений русловой ГЭС, кроме плотины, входят здание ГЭС и водосбросные сооружения. У русловой ГЭС здание с размещёнными в нём гидроагрегатами служит продолжением плотины и вместе с ней создаёт напорный фронт. Для русловых ГЭС характерны напоры до 30-40 м. На крупных равнинных реках основное русло обычно перекрывается земляной плотиной, к ней примыкает бетонная водосливная плотина, на которой сооружается здание ГЭС. Такая компоновка типична для многих отечественных ГЭС на больших равнинных реках, например, Волжской ГЭС (город Волгоград) мощностью 2,56 тысяч МВт (1962); Майнской ГЭС на реке Енисей мощностью 321 МВт (1987). При более высоких напорах здание ГЭС не может воспринимать большое гидростатическое давление воды. В этом случае сооружается приплотинная ГЭС, у которой напорный фронт на всём протяжении перекрывается плотиной, а здание ГЭС располагается за плотиной, со стороны нижнего бьефа (например, Братская ГЭС на реке Ангара). Примером другого типа приплотинных ГЭС, соответствующих горным условиям, может быть компоновка Нурекской ГЭС на реке Вахш (Таджикистан) проектной мощностью 2,7 тысяч МВт, Мингечаурской ГЭС на реке Кура (Азербайджан) мощностью 359 МВт.

В деривационных ГЭС вода в начале используемого участка реки отводится из речного русла водоводом с уклоном значительно меньшим, чем средний уклон реки на данном участке, и со спрямлением изгибов и поворотов русла. Конец деривации подводят к месту расположения здания ГЭС. Отработанная вода либо возвращается в реку, либо подводится к следующей деривационной ГЭС. Деривация выгодна, если уклон реки велик. Деривационная схема концентрации напора (бесплотинный водозабор или низкая водозаборная плотина) на практике приводит к тому, что из реки забирается лишь небольшая часть её стока. При отборе всего стока в начале деривации на реке сооружается более высокая плотина и создаётся водохранилище: такая схема концентрации падения воды называется смешанной, так как используются оба принципа создания напора. В ряде случаев с помощью деривации производится переброска стока реки в соседнюю реку, имеющую более низкие отметки русла, например, на Ингурской ГЭС (Грузия), где сток реки Ингури перебрасывается туннелем в соседнюю реку Эрисцкали. Сооружения безнапорных деривационных ГЭС состоят из здания, водозаборного сооружения, водоприёмной плотины и собственно деривации (канал, лоток, безнапорный туннель). Крупнейшая ГЭС с безнапорной подводящей деривацией - ГЭС «Robert Moses» (США) мощностью 1,95 тысяч МВт, а с безнапорной отводящей деривацией - Ингурская ГЭС мощностью 1,3 тысяч МВт.

На ГЭС с напорной деривацией водовод прокладывается с несколько большим продольным уклоном, чем при безнапорной деривации. Применение напорной подводящей деривации обусловливается изменяемостью горизонта воды в верхнем бьефе. Крупнейшая станция с напорной подводящей деривацией - ГЭС «Nechako-Kemano» (Канада) проектной мощностью 1,79 тысяч МВт. ГЭС с напорной отводящей деривацией применяется в условиях значительных изменений уровня воды в реке в месте выхода отводящей деривации или по экономическим соображениям. В этом случае необходимо сооружение уравнительного резервуара (в начале отводящей деривации) для выравнивания неустановившегося потока воды в реке - например, ГЭС «Harspranget» (Швеция) мощностью 350 МВт.

Особое место занимают гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС) и приливные электростанции (ПЭС). ГАЭС являются наиболее эффективным типом манёвренных электростанций, повышающих надёжность и экономичность работы энергосистемы в период покрытия пиковых нагрузок. ПЭС преобразуют энергию морских приливов в электрическую и могут быть использованы в энергосистемах лишь совместно с энергией регулирующих электростанций, восполняющих провалы мощности ПЭС.

По условиям работы и характеру использования воды различают ГЭС на стоке без регулирования, с суточным, недельным, сезонным (годовым) и многолетним регулированием. Отдельные ГЭС или каскады ГЭС, как правило, работают в системе совместно с конденсационными электростанциями, теплоэлектроцентралями, атомными электростанциями, газотурбинными установками (ГТУ), причём в зависимости от графика нагрузки энергосистемы ГЭС могут быть базисными, полупиковыми и пиковыми.

Из всех существующих типов электростанций именно ГЭС являются наиболее манёвренными и способны при необходимости существенно увеличить мощность в считанные минуты, покрывая пиковые нагрузки. Для тепловых станций (ТЭС) этот показатель измеряется часами, для АЭС - сутками. Мощность крупнейших ГЭС мира превышает 3 тысячи МВт (таблица).

Малые ГЭС, мощность которых не превышает 10 МВт, строятся на малых реках, водоёмах, они, как правило, бесплотинные и включают мини-ГЭС (установленная мощность до 1000 кВт) и микро-ГЭС (мощность 1-100 кВт); получили широкое развитие во многих странах мира со 2-й половины 1950-х годов. Схема микро-ГЭС представлена на рисунке 2. Малые ГЭС предназначены для выработки электроэнергии в промышленную электросеть и/или для работы на автономную нагрузку.

По характеру исполнения малые ГЭС подразделяются на два типа: реализующие потенциальную энергию водотока (стационарные приплотинные, с совмещением плотины и здания ГЭС; стационарные бесплотинные, с трубопроводом напорной деривации; мобильные в контейнерном исполнении, с использованием в качестве напорной деривации пластиковых труб или гибких армированных рукавов; переносные мощностью до 10 кВт); реализующие непосредственно кинетическую энергию водотока (погружные бесплотинные, гирляндные ГЭС и др.).

Диапазон напора воды колеблется от 3 до 80 м. По номинальному напряжению различают ГЭС низкого напряжения - до 1 кВ; высокого напряжения - 1-10 кВ. По частоте вращения турбины - от 200 до 1500 оборотов в минуту. Малые ГЭС в России построены в Туве (мощность 168 кВт), на Алтае (мощность 400 кВт), в Камчатской области на реке Быстрая (мощность 1,7 МВт), каскад Толмачёвской ГЭС.

Мини- и микро-ГЭС устанавливаются также в водотоках (продуктопроводах), где требуется применение гасителей давления - питьевых водопроводах и технологических водотоках предприятий, водосбросах ТЭЦ, а также на промышленных и канализационных стоках.

Строительство малых ГЭС рационально там, где социально-экономические условия и перспективы развития производительных сил региона не требуют создания большой энергетики и малые ГЭС могут обеспечить местное энергоснабжение отдельных городов и посёлков (например, мини-ГЭС мощностью 1000 кВт может вырабатывать 6000 МВтч/год электроэнергии). Малые ГЭС - надёжные, экологически чистые, компактные, быстроокупаемые источники электроэнергии для деревень, хуторов, дачных посёлков, фермерских хозяйств в отдалённых, горных и труднодоступных районах, где нет поблизости ЛЭП.

Историческая справка. Одни из первых гидроэлектрических установок мощностью в несколько сотен ватт были сооружены в 1876-81 годах в Штангассе и Лауфене (Германия) и в Грейсайде (Англия). Развитие ГЭС и их промышленное использование тесно связано с проблемой передачи электроэнергии на расстояние: как правило, места, наиболее удобные для сооружения ГЭС, удалены от основных потребителей электроэнергии. Протяжённость существовавших в то время ЛЭП не превышала 5-10 км. Сооружение крупной ЛЭП (170 км) от Лауфенской ГЭС до Франкфурта-на-Майне для снабжения электроэнергией Международной электротехнической выставки (1891) открыло широкие возможности для развития ГЭС.

Первенцем гидроэнергетики в России следует считать станцию на Рудном Алтае, построенную в 1892 году. Эта четырёхтурбинная ГЭС (мощность 0,15 МВт) была создана под руководством горного инженера Н. И. Кокшарова для шахтного водоотлива Зыряновского рудника на реке Берёзовка (ныне город Зыряновск, Казахстан). В Европейской части России первая промышленная ГЭС мощностью 0,26 МВт построена в 1896 году на реке Охта близ Санкт-Петербурга под руководством инженеров В. Н. Чиколева и Р. Э. Классона. Она снабжала электроэнергией Охтинский пороховой завод. В 1898-м на Ленских приисках (река Ныгри) построена ГЭС, на которой впервые в России были установлены генераторы трёхфазного (переменного) тока. Трансформатор напряжением 10 кВ позволил передать ток на расстояние 20 км. Для этого была специально сооружена высоковольтная линия. В 1909 году закончилось строительство крупнейшей в дореволюционной России Гиндукушской ГЭС на реке Мургаб (Туркмения) мощностью 1,35 МВт. В период 1905-17 вступили в строй Саткинская, Алавердинская, Каракультукская, Тургусунская, Сестрорецкая и другие ГЭС небольшой мощности.

Становление электроэнергетики СССР (России) связано с ГОЭЛРО планом. Советский Союз впервые в мире начал строить крупные гидроузлы на мягких основаниях. В СССР (России) были построены плотины новых типов, чрезвычайно высокие, а в отдельных случаях - рекордные по высоте в мировой практике: арочные - Ингурская (высота 271 м), Чиркейская (230 м); арочно-гравитационные - Саянская (236 м), Токтогульская (215 м); гравийно-галечниковая - Нурекская (310 м); плотины в районах вечной мерзлоты - Мамаканская, Вилюйская и Хантайская. В 1970-е годы продолжалось строительство крупных гидроузлов с высокими плотинами в высокосейсмичных районах (Токтогульский в зоне свыше 9 баллов и ряд др.).

В Российской Федерации самые мощные (каскадные) ГЭС сооружены на реках Волга, Кама, Ангара, Енисей, Обь и Иртыш. Каскад ГЭС представляет собой группу ГЭС, расположенную ступенями по течению водного потока с целью полного последовательного использования его энергии. Гидроустановки в каскаде обычно связаны общностью режима, при котором водохранилища верхних ступеней оказывают регулирующее влияние на водохранилища нижних ступеней. На основе ГЭС  восточных районов страны формируются промышленные комплексы, специализирующиеся на энергоёмких производствах. Наиболее эффективные по технико-экономическим показателям гидроресурсы сосредоточены в Сибири. Ангаро-Енисейский каскад, в состав которого входят самые крупные ГЭС страны: Саяно-Шушенская, Красноярская, Братская, Усть-Илимская. Строится Богучанская ГЭС (проектная мощность 3 тысячи МВт, 2006).

ГЭС и окружающая среда. Процесс производства электроэнергии на ГЭС, в отличие от ТЭС и АЭС, экологически безвреден. При нормальной работе ГЭС какие-либо вредные выбросы в окружающую среду отсутствуют. Большинство ГЭС России располагается в Европейской части страны, которая характеризуется равнинной местностью. Создание водохранилищ для эксплуатации ГЭС влечёт за собой изменение природных условий. Влияние искусственных водохранилищ может быть положительным и отрицательным. Положительное влияние состоит в возможности орошения земельных угодий из созданных водохранилищ. В то же время создание крупных водохранилищ в равнинных районах приводит к затоплению земель, изъятию их из хозяйственного оборота, подъёму грунтовых вод и, как следствие, к изменению температурного режима воды, заболачиванию и связанному с этим ухудшению санитарно-эпидемиологических условий местности. Из-за увеличения зеркала водной поверхности резко возрастают потери воды на испарение. Летом и осенью температура воды в водохранилище из-за значительного его объёма становится ниже, чем в реке (нижнем бьефе). Это приводит к более раннему ледоставу, сокращает сроки навигации, неблагоприятно воздействует на фауну. В районе водохранилища изменяется микроклимат, повышается влажность воздуха, часто образуются туманы. При этом снижается среднегодовая сумма осадков, изменяются направление и скорость ветра, уменьшается амплитуда колебаний температуры в течение суток. Увеличение давления на дно реки может привести к созданию условий для повышения сейсмической активности в регионе. Частые колебания уровня воды в водохранилище приводят к переформированию его берегов и дна, сопровождаются образованием подводных отмелей. На дне водохранилища (водоёмов) накапливаются тысячи тонн осадков (как правило, ядовитых, за счёт слива промышленных и бытовых стоков в реку). Это практически навсегда выводит территорию из дальнейшего использования, даже в случае спуска водохранилища. Ликвидация водохранилищ потребует дополнительного строительства железных и шоссейных дорог и затруднена также тем, что современные суда приспособлены к большим глубинам, чем в реках с незарегулированным стоком, и замена их на суда с меньшей осадкой потребует значительных финансовых затрат.

ГЭС на горных реках удобны тем, что не связаны с затоплением больших территорий, но они могут быть опасны из-за довольно высокой вероятности катастроф ввиду сейсмической нестабильности этих районов. Землетрясения приводят к огромным жертвам; так, в 1963 году при прорыве плотины ГРЭС в Вайоне (Италия) погибло более 2 тысяч человек, а в 1979-м в штате Гуджарат (Индия) при прорыве плотины на ГЭС «Морви-Мачу» - более 15 тысяч человек.

Экологические организации рассматривают строительство малых ГЭС как технологии, щадящие окружающую среду, и поддерживают развитие малой гидроэнергетики. Проведены исследования (1990-2000) по определению количественного ущерба окружающей среде, вызванного генерацией электроэнергии от 8 источников: бурого и каменного угля, нефтяного топлива, природного газа, ядерного топлива, ветра, солнечных фотоэлементов и малых ГЭС. В результате получены следующие выводы: малые ГЭС в целом в 31 раз менее вредны для окружающей среды, чем традиционные источники, а 1 кВтч электрической энергии, произведённый малыми ГЭС, в 300 раз чище, чем при сжигании бурого угля. Смотри также Гидроэнергетика.

Лит.: Гидроэнергетика и комплексное использование водных ресурсов СССР / Под редакцией П. С. Непомнящего. 2-е изд. М., 1982; Авакян А. Б. Комплексное использование и охрана водных ресурсов. Минск, 1990; Волков С. Г. Гидроэнергетика. СПб., 1997; Голицын М. В., Голицын А. М., Пронина Н. М. Альтернативные энергоносители. М., 2004.