ГЭС: принцип работы, схема, оборудование, мощность
Дата публикации: 26 мая 2020
Электричество, как основополагающий двигатель развития цивилизации, вошло в жизнь человечества сравнительно недавно. Активное использование электроэнергии началось чуть более ста лет назад.
От Древнего Китая до XXI века
С давних времён человечество стремилось продуктивно использовать энергию воды. За несколько веков до начала нашей эры уже существовали водяные мельницы в Китае, Индии, Средней и Малой Азии. На Руси водяные мельницы появились, судя по дошедшим до нас летописям, в XI веке и использовались для помола зерна. Особенно широко водяные колёса стали применяться в качестве промышленных двигателей во времена Петра I в связи с бурным развитием горнорудного дела на Урале. Водяные двигатели использовались для привода кузнечных мехов, поршневых воздуходувов, кузнечных молотов, прокатных станков, водоотливных насосов и других машин.
Для дальнейшего развития промышленности потребовалось создать более совершенный водяной двигатель, который был теоретически обоснован и разработан в начале XIX века и впервые назван турбиной. В отличие от примитивного водяного колеса, которое было создано по наитию, гидравлическая турбина оптимизирована для наилучшей передачи валу силы давления, создаваемой потоком на лопастях рабочего колеса.
Современные гидравлические турбины по принципу подвода и прохождения потока по рабочему колесу делятся на следующие три основных типа.
- Осевые (турбина Каплана и пропеллерная турбина), в которых поток воды поступает на лопасти колеса и протекает по ним в осевом направлении по спиральным линиям, причём ось вращения потока совпадает с осью вращения рабочего колеса.
- Радиально-осевые (турбина Френсиса). В этих турбинах поток воды поступает на лопасти колеса и вначале протекает по спиральным линиям в радиальном направлении, перпендикулярном оси вращения рабочего колеса, а затем изменяет свое направление с радиального на осевое.
- Ковшовые (турбина Пелтона), поток воды в которых поступает на рабочее колесо свободной струёй, направленной по касательной к рабочему колесу.
По второму способу классификации гидравлических турбин — в зависимости от изменения давления воды — различают реактивные турбины (осевые и радиально-осевые) и импульсные (ковшовые).
Большинство гидравлических турбин являются реактивными и подходят для работы при низком (
Источник
Первые гидроэлектростанции
Первая электростанция мощностью всего в несколько киловатт для питания системы освещения завода была сооружена в конце XIX века под руководством бельгийско-французского изобретателя Зеноба Грамма.
В 70-80 гг. XIX в. каждый более или менее солидный завод, дом, или даже улица, имели свой источник электроэнергии.
Первая электростанция (блок-станция) в России была построена на Сормовском машиностроительном заводе для питания осветительных установок в 1876 г.
Первая блок-станция в Петербурге была сооружена в 1879 г. при участии П. Яблочкова для освещения Литейного моста.
В 1879 г. была построена первая электростанция в США в г. Сан-Франциско на 30 кВт.
Первые центральные станции возникли уже в 80-х годах XIX в.
Они были более целесообразны и более экономичны, так как снабжали электричеством сразу много предприятий. В то время массовыми потребителями электроэнергии были источники света – дуговые лампы и лампы накаливания.
Первая в мире центральная станция была пущена в работу в 1882 г. в Нью-Йорке, она имела мощность 500 кВт.
В Москве первая центральная электростанция на 400 кВт (Георгиевская) на угольном топливе была построена в 1888 году.
Первые электростанции Петербурга вначале размещались на баржах, закрепленных у причалов на реках Мойке и Фонтанке в начале 80-х гг. Мощность каждой станции составляла примерно 200 кВт.
Первая паровая турбина на электростанции в России была установлена в Петербурге в 1891 г. Все электростанции вначале работали на постоянном токе, а это ограничивало радиус обслуживания потребителей несколькими сотнями метров, так как потери составляли почти 20 %.
Увеличение радиуса действия электростанций могло быть осуществлено только при переходе электростанций на переменный ток, при котором можно было использовать повышающие трансформаторы.
1884 г. была построена электростанция переменного тока в Лондоне.
В России крупная электростанция однофазного переменного тока была построена в 1887 г. в Одессе для освещения театра.
В Царском Селе протяженность электрической сети в 1887 г. составляла 64 км. Царское Село было первым городом в Европе, который был освещен исключительно электричеством.
Крупнейшая в России электростанция однофазного тока на 800 кВт была построена на Васильевском острове в Петербурге в 1894 г. под руководством инженера Н.В. Смирнова.
Применение переменного тока позволило упростить и удешевить электрическую сеть.
Начало современного этапа в развитии электроэнергетики относится к 90-м годам XIX в., когда была решена комплексная энергетическая проблема электропередачи и электропривода – применение трехфазного тока.
Первым в России предприятием с трехфазным электроснабжением был Новороссийский элеватор (1893 г.), строителем электростанции был русский инженер А.Н. Шенснович.
Первая трехфазная установка в Америке была сооружена в Калифорнии на гидроэлектростанции в 1893 г.
С 1897 г. началась электрификация крупных городов России.
В конце 1906 г. были изобретены подвесные изоляторы, что позволило увеличить величину передаваемого напряжения.
Первая гидроэлектростанция была построена в США в городе Эплтон (штат Висконсин). Ее мощность была всего 1 л.с.
В 1853 году Компания Найагагра Фоллс Хайдролик Пауэр энд Меньюфекчеринг в США впервые получила лицензию и в 1860 году начала строительство канала на реке Ниагара. 35 футов (11 м) шириной и 8 футов (2,4 м) глубиной канал был завершен в 1861 году, а в 1875 году, электростанция начала работать. Тем не менее, гидравлическая установка производила очень мало энергии, находясь в начале эры электричества. В 1877 году канал и само предприятие приобрел Якоб Шоеллкопф (Jacob Schoellkopf), успешный бизнесмен, которому удалось найти новых клиентов для гидравлической установки в лице нескольких заводов. Более того, в 1882 году он приспособил к одному из водяных колёс электрогенератор, питавший 16 осветительных ламп. Это была одна из первых, по-настоящему промышленных ГЭС в мире, мощностью 50 тыс. л. с., работавшая при напоре 41,2 м. Она была предназначена для электроснабжения г. Буффало и проработала до 1904 года. Здесь была реализована трехфазная система тока, а передача электроэнергии осуществлялась на расстояние 40 км.
Станция на Ниагаре, 1880-е гг.
Первой электростанцией трехфазного тока была Лаутенская гидроэлектростанция. На ней были установлены два одинаковых трехфазных синхронных генератора. Фазное напряжение при помощи трансформаторов повышалось с 50 до 5000 вольт. Ее электроэнергия использовалась для питания осветительной сети города Хейльбронна, а также ряда небольших заводов и мастерских. Понизительные трансформаторы устанавливались непосредственно у потребителей. Эта первая в мире промышленная установка трехфазного тока была запущена в эксплуатацию в начале 1892 г. Использование энергии вод в этой установке показало возможность использования гидроресурсов, отдаленных от промышленных центров. С тех пор число гидроэлектрических установок все время возрастает.
Первые гидростанции, как правило, возводились на базе построенных ирригационных плотин. По-видимому, первой плотиной в Европе, построенной для ГЭС, была Одерич, высочайшая плотина Германии конца ХIХ века. Длина 151 м, максимальная высота 22 м, толщина 16 м на гребне и 44 м у подошвы. Интересна конструкция этой плотины-сэндвича: три стены из гранитной кладки, верховая, низовая и центральная — ядро; пазухи между стенами заполнены грунтом и мхом.
В конце XIX века ГЭС интенсивно строятся в США, Англии, Германии, Франции. В это время были сооружены: Рейнфельдская гидроэлектростанция (Германия, 1898 г.) мощностью 16 800 кВт при напоре воды 3,2 м, Жонажская (Франция, 1901 г.) мощностью 11 200 л. с.
В начале второго десятилетия XX в. были пущены в ход гидроэлектростанции Аугст-Виллен (Германия, 1911 г.) мощностью 44 тыс. л. с, Кеокук (США, 1912 г.) мощностью 180 тыс. л. с. Качество турбинного оборудования было еще недостаточно высоким, КПД колебался в пределах 0,8—0,84. Несовершенными были формы и конструкции гидросооружений, что объясняется недостаточной изученностью вопросов инженерной гидравлики и гидротехники. Поэтому некоторые ГЭС, построенные в эти годы, в последующем подверглись более или менее серьезной реконструкции.
В ХХ веке почти все крупнейшие плотины возводились для получения электроэнергии на гидроэлектростанциях. Строительство ГЭС дало толчок плотиностроению.
В России в эти годы разрабатывается несколько проектов строительства ГЭС. В 1892 г. Н. Н. Бенардос предложил организовать электроснабжение Петербурга путем утилизации энергии Невы на специально построенных электрических станциях (мощностью до 20 000 л. с). В 1893 г. Н. С. Лелявский разработал схему использования гидроэнергии Днепровских порогов. Также разрабатывались проекты на порогах рек Нарова, Иматра, Волхов (В. Добротворский, 1895-99 гг.)
Строительство ГЭС сдерживали общая техническая отсталость и противодействие владельцев угольных шахт. Однако ряд российских инженеров участвовали в строительстве ГЭС в Европе. Так, русский политэмигрант М.О.Доливо-Добровольский в 1891 г. переоборудовал гидросиловую установку на р. Неккар (Германия) в гидростанцию мощностью 220 кВт с генератором трёхфазного тока и осуществил передачу ее переменным током с напряжением 8500 Вольт на расстояние 170 км во Франкфурт на Майне.
В дореволюционной России гидроэлектростанций было мало. Первая ГЭС в Российской империи была построена в 1892 году в Алтайском крае на реке Березовке, притоке Бухтармы, недалеко от г.Зыряновска. ГЭС предназначалась для водоотлива из рудников, располагалась в деревянном здании, имела 4 гидроагрегата общей мощностью 200 кВт. Станция могла работать равномерно весь год, даже если уровень реки резко падал. История сохранила и фамилию автора этого замечательного проекта горного инженера Николая Кокшарова.
ГЭС на реке Березовка, 1892 г
Вторая, мощностью 270 кВт, была построена на реке Охте недалеко от Санкт-Петербурга в 1896 году. Она была построена инженерами Владимиром Николаевичем Чиколевым и Робертом Эдуардовичем Классоном для электроснабжения охтинского порохового
завода в Петербурге.
Ро́берт Эдуа́рдович Классо́н (31 января (12 февраля) 1868, Киев — 11 февраля 1926, Москва) — российский и советский инженер-технолог и изобретатель, один из крупнейших российских энергетиков своего времени.
Ученик В. Н. Чиколева и М. О. Доливо-Добровольского.
После окончания в 1891 году Петербургского технологического института стажировался в Германии, где принимал участие (под руководством М. О. Доливо-Добровольского) в монтаже и пуске первой линии электропередачи трёхфазного тока от Лауффена до Франкфуртской электротехнической выставки.
Участвовал в Петербурге с М. И. Брусневым, Л. Б. Красиным, Н. К. Крупской и др. в первых марксистских кружках; позднее отошёл от политической деятельности.
1895—1896 — руководил строительством электростанции трёхфазного тока на Охтинских пороховых заводах под Петербургом.
1897—1898 — участвовал в проектировании и руководил строительством городских электростанций в Петербурге и Москве.
1900—1906 — совместно с Л. Б. Красиным участвовал в электрификации Бакинских нефтепромыслов (в частности, участвовал в строительстве Биби-Эйбатской электростанции в Баилово). В 1906 году вследствие отказа применить репрессии к бастовавшим рабочим был вынужден оставить пост директора акционерного общества «Электросила».
В 1906—1926 годах — директор тепловой электростанции МГЭС-1.
1912—1914 — участвовал в организации строительства первой российской торфяной электростанции «Электропередача» в Богородском уезде Московской области (ныне Электрогорск).
1914 — участвовал в строительстве линии электропередачи пос. Электропередача—Богородск—Москва (Измайлово) напряжением 70 кВ.
В 1914 году предложил и совместно с инженером В. Д. Кирпичняковым разработал гидравлический способ добычи торфа, который позволил существенно сократить трудоёмкость торфоразработок. Этот способ должен был использоваться на Шатурской электростанции, заложенной в 1916-м Обществом электрического освещения, но из-за событий 1917 года практически был осуществлен только в начале 20-х гг.
В 1918—1920 годы участвовал в разработке плана электрификации страны (ГОЭЛРО).
Работы Классона, выполненные в последние годы жизни, посвящены решению проблем сушки и обезвоживания гидроторфа.
Классон скончался на заседании ВСНХ после произнесения пламенной речи, посвящённой развитию энергетики.
Кроме того, действовали ГЭС «Белый уголь» на р. Подкумок (1903 г.) мощностью 990 л. с, напряжением 8000 В, Гиндукушская ГЭС (1909 г.) на р. Мургаб, мощностью 1 590 л. с. Кроме того, действовали несколько более мелких по мощности (Сашнинская, Аллавердинская, Тургусунская, Сестрорецкая и др.). Общая мощность гидростанций дореволюционной России составляла 8000 кВт.
В 1913 установленная мощность электростанций России составила около 1,1 миллиона кВт. К 1917 году в России было несколько гидростанций установленной мощность в 19 МВт. Самой мощной в то время была Гиндукушская ГЭС — 1,35 МВт.
Существенный вклад в строительство первых ГЭС в Европе внёс выходец из России Габриэль Нарутович. Студент Петербургского университета Нарутович в 1888 г. уехал в Швейцарию на лечение туберкулеза и там остался. По проектам Нарутовича в Европе было построено несколько десятков гидростанций. В их числе ГЭС Мюлленберг на р.Аар (1920 г, 48 тыс. л.с.) в Швейцарии — самая мощная тогда в Европе. Нарутович возглавлял комиссию по зарегулированию р. Рейн. В 1919 г. Нарутович вернулся в Польшу, был министром общественных работ, затем министром иностранных дел. Стал первым президентом независимой Польши.
Источник