Гидроэлектростанции не перегораживающие реки

Как устроена плотина и как она возводится

Одной из самых важных составляющих любой промышленной экономики являются электростанции, с помощью таких станций экономика обеспечивается электроэнергией. Во многих странах большое распространение получили гидроэлектростанции, или ГЭС, это те страны, которые имеют большой водный ресурс, в частности — реки. Обычно такие станции называются плотинами, состоят из специальных бетонированных дамб и целого комплекса сооружений, в которых размещается оборудование, с помощью которого «извлекается» электроэнергия из водяного потока, проходящего через дамбы. Следует хотя бы в общих чертах рассмотреть работу таких ГЭС и понять, по каким принципам они строятся.

Как работают плотины

Итак, плотины, или, что точнее, гидроэлектростанции — это гидротехнические сооружения, с помощью которых вырабатывается электрическая энергия в больших количествах. При этом используется энергия масс падающей воды, предварительно накопленной в сопутствующих плотинам водохранилищах. Преобразователем энергии кинетической в механическую является турбина, от которой физические усилия передаются на электрический генератор, который уже, в свою очередь, преобразует эту энергию в электричество.

Однако классификация ГЭС весьма обширна. Существуют не только гигантские станции, каждая из которых способна обеспечить электроэнергией миллионы людей и даже целые промышленные районы. Достаточно широко распространены совсем небольшие плотины, так называемые «микро-гидроэлектростанции», которые используются в основном для питания электроэнергией каких-нибудь небольших предприятий, или же всего нескольких жилых домов.

С точки зрения гражданского строительства, типичная плотина представляет собой стену, выполненную из твердого материала, перегораживающую реку так, чтобы блокировать ее поток и накопить массу воды. Основной целью большинства плотин является создание постоянного резервуара воды для последующего ее использования. Плотина должна быть водонепроницаемой, чтобы вода не вытекала через плотину без всякой пользы, нарушая гидрологический режим расположенной ниже по течению части реки и не являлась причиной затопления территорий. Поэтому существенной частью плотины является специальная «непроницаемая мембрана», то есть водонепроницаемая часть плотины, которая предотвращает утечку воды.

Однако плотина должна быть не только водонепроницаемой, но и устойчивой. Естественный земляной вал или каменный утес, с опорой на которые запруда построена (так называемые учредительство запруды) должны также быть водонепроницаемыми. Также должна хорошо держать массы запруженной воды и долина реки выше по течению, в которой резервуар хранения формируется. Если эти природные зоны не являются водонепроницаемыми, то вода может вытекать из резервуара, даже если сама плотина водонепроницаема. Утечка воды может происходить через естественные полости земли (пещеры, разломы скал), поэтому перед устройством плотины вся местность хорошо исследуется с применением самых современных средств геологической диагностики.

Устойчивость самой плотины достигается с помощью максимального упрочнения ее стен. Плотина должна противостоять не только давлению воды, собранной в озере выше по течению, но и собственному весу, особенно если, по крайней мере, часть стены плотины насыщена водой. Чем выше плотина, тем больше глубина водохранилища за плотиной, и тем больше давление воды на подводную часть стены дамбы. Также плотина должна противостоять другим силам, которым она может время от времени подвергаться, например, тряске от землетрясений. Угроза, которую землетрясения представляют для плотин, широко варьируется в зависимости от региона мира, в котором находится плотина. Поэтому при проектировании любых плотин в обязательном порядке к изысканиям подключаются и опытные специалисты-сейсмологи.

Для того чтобы вода из водохранилища не перетекала через верхний край дамбы в случае ее переизбытка, плотина должна иметь некоторый путь для выпуска «лишней» воды в контролируемом количестве по мере необходимости. В зависимости от назначения плотины вода может быть выпущена в трубопровод для снабжения города водой, или на ГЭС для получения электроэнергии, или просто производится выпуск излишка воды в русло реки без всякого использования, только лишь с целью снижения избыточного давления.

Если во время весеннего наводнения река, на которой построена плотина, переполнится, в водохранилище будет поступать очень большой объем паводковой воды. Обычно это намного больше воды, чем можно выпустить через клапан выхода. Поэтому плотина должна иметь некоторые средства, с помощью которых эти большие объемы паводковой воды могут течь вокруг плотины, не нанося ущерба самой плотине; а также территориям, расположенным ниже по течению. Для этого используется специальный водосброс, который в большинстве случаев представляет собой открытый прорезной канал, достаточно большой, чтобы направлять паводковые воды вокруг плотины. Если плотина построена из бетона, водосброс может быть частью самой стены плотины. Однако если плотина земляная, или ее тело состоит из каменной засыпки (грунт и разрушенная порода), водосброс должен быть отдельным сооружением. Дело в том, что паводковые воды не могут течь поверх насыпной плотины, не разрушая ее, так как неконтролируемый водный поток имеет очень большую мощность, а земля или каменная засыпка не могут ей противостоять в должной мере.

Строительство плотины

Для того чтобы построить плотину, инженеры должны сперва осушить часть реки, на которой они хотят разместить дамбу. Обычно это достигается путем отвода реки через тоннель, то есть нужно изменить русло реки, чтобы построить в намеченном месте прочное основание дамбы. Тоннель строится через одну сторону реки вокруг планируемой строительной площадки. Сначала бурится ряд отверстий в скале, взрывчатые вещества помещаются в буровые скважины, разрушенная порода удаляется. Эта процедура повторяется столько раз, сколько необходимо для завершения постройки тоннеля. Готовые водоотводные туннели часто облицовываются бетоном. Если же река равнинная, то просто роется обводной канал, который впоследствии легко перекрыть.

Обычно работы по отводу реки начинаются летом, когда уровень воды в ней самый низкий. Землеройное оборудование используется для того, чтобы построить малую запруду (коффердам) перед площадкой основной конструкции. Это действует как барьер для реки и заставляет ее течь в проделанный туннель. Другой коффердам строится ниже по течению от основной конструкции, он необходим для того, чтобы предотвратить обратный поток воды в район строительства. Вся вода, которая все же просачивается через коффердамы, активно откачивается специальными водяными насосами.

Водоотводные туннели не всегда необходимы при строительстве бетонных плотин. Иногда река просто направляется через большую трубу и плотину, построенную вокруг нее.

Методы строительства, используемые при строительстве плотины, зависят от типа строящейся плотины. Первый этап строительства включает удаление всех оставшихся после отвода реки скальных образований. Скалы взрываются, их остатки в виде щебня впоследствии можно использовать для строительных работ.

Строительство водохранилища – это один из самых ответственных этапов строительства всей ГЭС. Дно этой гигантской запруды должно быть хорошо проверено на наличие природных трещин, через которые могла бы уходить вода. Если трещины имеются, они расширяются бурением и в них под высоким давлением закачивается специальный водостойкий цементный раствор. В ряде случаев, особенно если плотина строится на равнинной реке, дно хорошо бетонируется, причем перед армированием основного массива покрытия производится подбетонка природной поверхности. Чтобы вода не просачивалась в породу по краям плотины, необходимо устраивать специальные бетонные плинтуса.

При строительстве плотины также возводятся и сопутствующие сооружения, главным из которых является здание самой электростанции, где размещаются генераторы. Сами турбины находятся в теле плотины. После полного завершения всего строительства водозаборный тоннель закрывается, и озеро начинает заполняться водой. Закрытие водоотводного туннеля осуществляется в два этапа. Во время низкой подачи большой многоразовый стальной строб опускается через вход. Обходной тоннель после этого преграждается бетонной пробкой. В некоторых дамбах водоотводные выходы устроены по типу штепсельных вилок, чтобы в случае экстренной ситуации воду можно было быстро выпустить.

Видео как работает плотина

Заключение

Любая плотина, даже небольшая, требует не только выполнения очень большого объема земляных и взрывных работ, но и привлечения самых высококвалифицированных специалистов. Также необходима специальная техника в большом количестве, но самое главное – требуются проверенные временем технологии сооружения таких станций, которые имеются только в экономически развитых странах.

Источник

Гидроэлектростанции принцип работы

Практически каждый представляет себе предназначение гидроэлектростанций, однако лишь немногие достоверно понимают принцип работы ГЭС. Основная загадка для людей – каким образом вся эта огромная плотина без какого-либо топлива генерирует электрическую энергию. Об этом и поговорим.

Что такое ГЭС?

Гидроэлектростанция – это сложный комплекс, состоящий из разных сооружений и специального оборудования. Возводятся гидроэлектростанции на реках, где есть постоянный приток воды для наполнения плотины и водохранилища. Подобные сооружения (плотины), создаваемые при постройке гидроэлектростанции, необходимы для концентрации постоянного потока воды, который при помощи специального оборудования для ГЭС преобразовывается в электрическую энергию.

Отметим, что важную роль в плане эффективности работы ГЭС играет выбор места для строительства. Необходимо наличие двух условий: гарантированная неиссякаемая обеспеченность водой и высокий угол уклона реки.

Принцип работы ГЭС

Работа гидроэлектростанции достаточно проста. Возведенные гидротехнические сооружения обеспечивают стабильный напор воды, который поступает на лопасти турбины. Напор приводит турбину в движение, в результате чего она вращает генераторы. Последние и вырабатывают электроэнергию, которую затем по линиям высоковольтных передач доставляют потребителю.

Основная сложность подобного сооружения – обеспечение постоянного напора воды, что достигается путем возведения плотины. Благодаря ей большой объем воды концентрируется в одном месте. В некоторых случаях используют естественный ток воды, а иногда плотину и деривацию (естественное течение) применяют совместно.

В самом здании находится оборудование для ГЭС, основная задача которого заключается в преобразование механической энергии движения воды в электрическую. Эта задача возложена на генератор. Также используется и дополнительное оборудование для контроля работы станции, распределяющие устройства и трансформаторные станции.

Ниже на картинке показана принципиальная схема ГЭС.

Как видите, поток воды вращает турбину генератора, тот вырабатывает энергию, подает ее на трансформатор для преобразования, после чего она транспортируется по ЛЭП к поставщику.

Мощности

Есть разные гидроэлектростанции, которые можно поделить по вырабатываемой мощности:

1. Очень мощные – с выработкой более 25 МВт.
2. Средние – с выработкой до 25 МВт.
3. Малые – с выработкой до 5 МВт.

Мощность ГЭС зависит от в первую очередь от потока воды и КПД самого генератора, который на ней применяется. Но даже самая эффективная установка не сможет производить большие объемы электроэнергии при слабом напоре воды. Также стоит учитывать, что мощность гидроэлектростанции не является постоянной. В силу естественных природных причин уровень воды в дамбе может увеличиваться или уменьшаться. Все это оказывает влияние на объемы производимой электроэнергии.

Роль плотины

Самый сложный, большой и вообще основной элемент любой ГЭС – плотина. Невозможно понять, что такое ГЭС, не разобравшись в сути работы плотины. Они представляют собой огромные перемычки, которые удерживают водный поток. В зависимости от конструкции они могут отличаться: есть гравитационные, арочные и другие сооружения, но их цель всегда одна – удержание большого объема воды. Именно благодаря плотине удается концентрировать стабильный и мощный поток воды, направляя его на лопасти турбины, которая вращает генератор. Он, в свою очередь, и производит электрическую энергию.

Технологии

Как мы уже знаем, принцип работы ГЭС основан на использовании механический энергии падающей воды, которая в дальнейшем с помощью турбины и генератора преобразуется в электрическую. Сами турбины могут быть установлены либо в дамбе, либо возле нее. В некоторых случаях применяют трубопровод, через который вода, находящаяся ниже уровня дамбы, проходит под высоким давлением.

Индикаторов мощности любой ГЭС несколько: расход воды и гидростатический напор. Последний показатель определяется разницей высот между начальной и конечной точкой свободного падения воды. При создании проекта станции на одном из этих показателей основывают всю конструкцию.

Известные сегодня технологии производства электричества позволяют получать высокий КПД при преобразовании механической энергии в электрическую. Иногда он в несколько раз превышает аналогичные показатели тепловых электростанций. Столь высокая эффективность достигается за счет применяемого на гидроэлектростанции оборудования. Оно надежное и относительно простое в использовании. К тому же за счет отсутствия топлива и выделения большого количества тепловой энергии срок службы подобного оборудования достаточно большой. Поломки здесь случаются крайне редко. Считается, что минимальный срок службы генераторных установок и вообще сооружений – около 50 лет. Хотя на самом деле даже сегодня вполне успешно функционируют гидроэлектростанции, которые были построены в тридцатых годах прошлого века.

Гидроэлектростанции России

На сегодняшний день на территории России действует около 100 гидроэлектростанций. Конечно, их мощность разная, и большая часть – это станции с установленной мощностью до 10 МВт. Есть также такие станции, как Пироговская или Акуловская, которые были введены в эксплуатацию еще в 1937 году, а их мощность составляет всего 0.28 МВт.

Самыми крупными являются Саяно-Шушенская и Красноярская ГЭС с мощностью 6400 и 6000 МВт соответственно. За ними следуют станции:

1. Братская (4500 МВт).
2. Усть-Илимская ГЭС (3840).
3. Бочуганская (2997 МВт).
4. Волжская (2660 МВт).
5. Жигулевская (2450 МВт).

Несмотря на огромное количество подобных станций, они вырабатывают всего 47700 МВт, что равно 20% от суммарного объема всей производимой энергии в России.

В заключение

Теперь вы понимаете принцип работы ГЭС, преобразовывающих механическую энергию потока воды в электрическую. Несмотря на достаточно простую идею получения энергии, комплекс оборудования и новые технологии делают подобные сооружения сложными. Впрочем, по сравнению с атомными электростанциями они действительно являются примитивными.

Принцип работы ГЭС Гидроэлектростанции

Принцип работы ГЭСГидроэлектростанции давно стали одним из символов промышленного прогресса. Их изображают на банкнотах и марках, посвящают им поэмы, а страны соревнуются в сооружении все более и более мощных «гидрогигантов». Однако несмотря на монументальность этих сооружений, принцип работ любой ГЭС довольно прост.

Вода под напором поступает на лопасти турбины гидроэлектростанции, которая в свою очередь приводит в действие генераторы, вырабатывающие электричество. Мощность ГЭС зависит от напора и количества воды, проходящей через гидроагрегаты.

Собственно, главной задачей в строительстве гидроэлектростанции является создание напора воды. По принципу решения этой проблемы ГЭС делятся на плотинные и деривационные. Иногда также встречаются ГЭС смешанного (плотинно-деривационного) типа.

Деривация – отвод воды от русла реки по каналу или тоннелю.

При наиболее распространенном варианте строительства реку перегораживают плотиной, которая поднимает уровень воды, создавая необходимый напор. Причем его величина напрямую зависит от высоты сооружения.

Деривационный канал Майкопской ГЭС

Самую высокую в мире плотину (305 метров) имеет Цзиньпинская ГЭС, расположенная на реке Ялунцзян.

Помимо плотины (или нескольких) такая ГЭС состоит из здания гидроэлектростанции и распределительного устройства. В здании ГЭС располагается все основное оборудование станции – турбины и генераторы. Также ГЭС могут включать в себя дополнительные сооружения, например, водосбросные устройства, шлюзы, судоподъемники или рыбоходы.

Саяно-Шушенская ГЭС – типичная станция плотинного типа

Деривационные ГЭС обычно строят в тех местах, где река имеет довольно большой уклон. Таким образом, отпадает необходимость в сооружении водохранилища, а вода через специальные водоводы (тоннели или каналы) попадает прямиком к зданию ГЭС. Впрочем, даже на деривационных ГЭС нередко стараются возводить небольшие водохранилища (бассейны суточного регулирования), чтобы иметь определенные возможности по регулированию стока и соответственно изменять выработку электроэнергии в зависимости от потребностей энергосистемы.

Видео не поддерживается на вашем устройстве

Схема работы Майкопской ГЭС (деривационной)

Это интересно: водохранилище Вольта в Гане – крупнейшее в мире. Его площадь – 8500 квадратных километров, что составляет 3,6% территории страны.

Отдельно можно выделить гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС). Их используют для сглаживания суточных перепадов нагрузки энергосистемы, чтобы обеспечить надежность ее работы. В отличие от обычной гидроэлектростанции ГАЭС работают не только в турбинном, но и в насосном режиме, закачивая воду из нижнего бьефа в верхний.

Бьеф – часть водохранилища, реки, канала или другого водного объекта, примыкающая к гидротехническому сооружению. Различают верхний бьеф, располагаемый выше по течению, и нижний, располагаемый по другую сторону гидротехнического сооружения. Верхним бьефом часто является водохранилище.

Пожалуй, самой необычной ГАЭС в мире является Том Сок в Лестервиле, штат Миссури. Ее уникальность в том, что она расположена в 80 км от ближайшего источника воды – реки Миссисипи!

Верхний бассейн ГАЭС Том Сок в США

Одним из главных отличий гидроэлектростанций от других энергетических сооружений является их индивидуальность. Если тепловые или атомные станции строят по давно отлаженным схемам из одинаковых типовых блоков, то каждая ГЭС является уникальной в своем роде.

В 2005 произошла авария, излилось 4 миллиона кубических метров воды за двенадцать минут, тем самым вызвав 7 метровый гребень воды по Черной Реке.Привет! Приглашаю вас в сообщество Лига образования (http://pikabu.ru/community/education). Ваши посты прекрасно там будут смотреться ;)Всегда интересно было, что с рыбой происходит при прохождении в потоке воды через турбину. Или перед водоводом фильтры какие-то стоят?

Принцип работы и классификация гидроэлектростанций

Гидроэлектрические станции для выработки электрической энергии используют энергию падающей воды. Речная вода из-за разности уровней непрерывным потоком перемещается от истока к устью. Если построить такое сооружение как плотина, которая перекроет движение воды реки, то уровень воды перед плотиной будет намного больше чем после нее.

Разность между верхним и нижним уровнем (бьефом) называют напором, или еще могут называть высотой падения. Принцип работы гидроэлектростанции довольно прост – на уровне нижнего бьефа устанавливают турбину и направляют на ее лопатки поток воды с верхнего бьефа. Под действием силы падающего водяного потока турбина начнет вращаться, приводя в движение ротор электрического генератора, с которым связана механически. Мощность гидроэлектростанций напрямую зависит от величины напора, а также от количества воды, которая пройдет через все турбины гидроэлектрической станции. Коэффициент полезного действия (КПД) гидроэлектрических станций значительно выше тепловых и составляет порядка 85%.

По характеру воздвигнутых сооружений гидроэлектростанции разделяют на:

• Приплотинные – в них напор создается плотиной. Такие сооружения строятся на равнинных реках с небольшим напором. Это связано с тем, что для получения большого напора необходимо создавать водохранилища, которые затопляют значительные территории;

• Деривационные – значительный напор здесь создается за счет деривационных (обходных) каналов. Гидроэлектростанции такого типа сооружают на горных реках, из-за больших уклонов, которые создают нужный напор при относительно малом расходе воды;

Крупные гидроэлектростанции не работают изолировано от других электрических станций. Наиболее часто применяют работу гидроэлектростанций параллельно с тепловыми, тем самым создавая оптимальный режим потребления топлива ТЭС и гидроэнергии ГЭС. Это процесс заключатся в следующем – зимой, когда уровень воды в реках идет на спад и, соответственно, ГЭС не могут работать на полную мощность, тогда часть нагрузки ГЭС берет на себя ТЭС, а летом, когда уровень воды в реках увеличивается, ГЭС начинают работать на полную мощность, а ТЭС снижает выработок электрической энергии, снижая тем самым потребления органического топлива. Таким образом происходит экономия средств на твердом топливе, что снижает стоимость электрической энергии.

Гидроэлектростанции имеют ряд преимуществ над тепловыми электростанциями, а именно:

• Процесс выработки электроэнергии на гидроэлектростанции намного проще, чем на тепловой;
• КПД гидроэлектростанции значительно выше ТЭС;
• Себестоимость производства электроэнергии на крупных ГЭС примерно в 5 раз ниже чем на ТЭС сравнимой мощности. Это объясняется очень просто – на ГЭС нет необходимости в подвозе органического топлива, а это минус цена за само топливо и транспортировку его. На ГЭС нет топливных устройств и служб, которые необходимо для его обслуживания, что уменьшает количество обслуживающего персонала и затраты на запасные части и техническое обслуживание.

Главным недостатком ГЭС является их длительное сооружения и очень высокая стоимость.

ГЭС: принцип работы, схема, оборудование, мощность

ГЭС как основной и постоянный источник электроэнергии. Лаконичное объяснение принципа работы ГЭС и их схемы, разработка собственной мини ГЭС. Отличие ГЭС от ГАЭС.

Содержание статьи

• ГЭС ее понятие и виды гидроэлектростанций
• Схемы различных видов гидроэлектростанций
• Принцип работы гидроэлектростанции
• Оборудование гидроэлектростанций
• Мощность гидроэлектростанций
• Крупнейшие ГЭС России

ГЭС ее понятие и виды гидроэлектростанций

Гидроэлектростанция (ГЭС) — это станция для выроботки электроэнергии, использующая в качестве источника энергии энергию водных масс, приливов на водотоках. В основном размещение ГЭС происходит на реках, сооружая плотины и водохранилища. Для эффективной работы гидроэлектростанции необходимы как минимум два фактора, такие как:

1. Гарантированность обеспеченния водой круглый год
2. Большие улоны реки, для более сильного течения

ГЭС отличаются вырабатываемой мощностью, поэтому выделяют три вида ГЭС по мощности:

• Мощные — от 25 МВт и выше;
• Средние — до 25 МВт;
• Малые гидроэлектростанции — до 5 МВт;

Также ГЭС отличают по максимальному количеству использования воды:

• Высоконапорные — более 60 м;
• Средненапорные — от 25 м;
• Низконапорные — от 3 до 25 м.

Существует и отдельный тип ГЭС, так называемая ГАЭС, что расшифровывается как гидроаккумулирующая электростанция.

Гидроаккумулирующая электростанция — это гидроэлектростанция, используемая для выравнивания суточной неоднородности графика электрической нагрузки. ГАЭС служат для накопления электроэнергии во время низкого потребления сетями электричества (в ночной период) и отдачи её во время пиковых нагрузок, уменьшая тем самым необходимость изменения мощности в течение суток основных электростанций.

Здание ГЭС Сооружение, подземная выработка или помещение в плотине, в которомустанавливается гидросиловое электротехническое

Схемы различных видов гидроэлектростанций

Гидроэлектрические станции делятся также в зависимости от принципа использования природных ресурсов, можно выделить следующие ГЭС:

• Плотинная ГЭС. Плотинная система ГЭС является наиболее распространенной. При таком принципе река полностью перекрывается плотиной. Такие гидроэлектростанции строят на многоводных равнинных реках, а также на горных реках, в местах, где русло реки более узкое, сжатое.
• Приплотинная ГЭС.Возводятся при более сильных напорах воды. При этом принципе река также полность перекрывается плотиной. В таком случае здание ГЭС располагается за плотиной, в нижней её части. Вода же подводится к турбинам через напорные тоннели.
• Деривационная ГЭС. Гидроэлектростанции такого типа возводятся, если велик уклон реки. Необходимый напор создается с помощью деривации.
• Гидроаккумулирующая электростанция.
• Схема собственных мини гидроэлектростанций.

Принцип работы гидроэлектростанции

Принцип действия ГЭС дотстаточно прост. Вода под давлением, большим напором попадает, а чаще падает, на лопасти гидротурбины, которые, в свою очередь вращают ротор генератора, который уже вырабатывает электричество. Для достяжения необходимого напора воды создаются плотины, и как следствие, образуется концентрация реки в определенном месте. Также может использоваться и деривация- отвод воды от главного русла реки в сторону по каналу. Есть случаи использования двух методов создания напора одновременно.

Принцип работы гидроаккумулирующей электростанции отличен от обычной, привычной нас ГЭС. У ГАЭС существуют два периода работы, такие как турбинный и насосный. Во время насосного режима ГАЭС потребляет электроэнергию, которая подаётся от тепловых электростанций во время минимальной нагрузки (примерно 7-12 часов в сутки). В этом режиме на ГАЭС происходит перекачка воды в верхний аккумулирующий бассейн из нижнего питающего водохранилища (станция запасает энергию). В турбинном режиме ГАЭС отдаёт накопленную энергию обратно в сеть во время максимальной нагрузки на неё (2-6 часов в сутки). Вода в этот период из верхнего бассейна направляется обратно в питающее водохранилище, вращая при этом турбину генератора.

Оборудование гидроэлектростанций

Существует несколько групп оборудования ГЭС для осуществленния главной ее функции — выработки электроэнергии:

Гидросиловое оборудование включает в себя турбины, и гидрогенераторы. В состав данной группы кроме перечисленного входят устройства, связанные с подачей воды на турбину и регулированием ее количества.

Электрические устройства включают в себя токопроводы от генератора, главные силовые трансформаторы, выводы высокого напряжения, открытое распределительное устройство и ряд других систем. Трансформаторы повышают напряжение до значения, требуемого для передачи энергии на большие расстояния (110 — 750 кВ). Выводы высокого напряжения служат для передачи энергии от силовых трансформаторов к открытому распределительному устройству (ОРУ), которое предназначено для распределения вырабатываемой ГЭС электроэнергии между отдельными линиями электропередачи.

Механическое оборудование включает в себя гидротехнические затворы, подъемно-транспортные механизмы, сороудерживающие решетки и т. п.

Вспомогательное оборудование состоит из системы технического водоснабжения, пневматического хозяйства, масляного хозяйства, противопожарных и санитарно-технических устройств. Из перечисленного оборудования далее рассмотрим более подробно конструкции турбин.

Мощность гидроэлектростанций

Режим работы ГЭС в энергосистеме зависит от расхода воды, напора, объема водохранилища, потребностей энергосистемы, ограничений по верхнему и нижнему бьефу. Агрегаты ГЭС по техническим условиям могут быстро включаться, набирать нагрузку и останавливаться. Причем включение и выключение агрегатов, регулирование нагрузки могут происходить автоматически при изменении частоты электрического тока в энергосистеме. Для включения остановленного агрегата и набора полной нагрузки обычно требуется всего 1—2 мин.

Мощность на валу гидротурбины можно определить по формуле указанной справа, где :

• т — расход воды через гидротурбину, м3/с;
• Нт — напор турбины, м;
• ηт — коэффициент полезного действия (КПД) турбины.

Для расчета мощности гидроэлектростанции нужно значение напора воды,

который можно расчитать по следующей формуле, где:

• ∇ВБ, ∇НБ — отметки уровня воды соответственно в верхнем и нижнем бьефе, м;
• Нг — геометрический напор;
• ∆h — потери напора в водоподводящем тракте, м.

КПД современных турбин может достигать значения 0,95.

Крупнейшие ГЭС России

Подведя итоги рассмотрим на примере пару из крупнейших гидроэлектростанций в России.

1. Красноярская ГЭС — вторая по мощности ГЭС в России. Расположена на реке Енисее в 2380 км от его устья.

• На Красноярской ГЭС установленная мощность — 6000 МВт. Ежегодно вырабатывается в среднем — 20 400 млн кВт·ч.
• Размеры плотины. Длина — 1072,5 м, максимальной высотой — 128 м и шириной по основанию — 95,3 м. Также плотина делится на несколько частей на левобережную глухую плотину длиной 187,5 м, водосливную плотину длиной 225 м, глухую русловую — 60 м, станционную — 360 м и правобережную глухую — 240 м.
• Здание ГЭС приплотинного типа, длина здания — 428,5 м, ширина 31 м.

2. Братская ГЭС — гидроэлектростанция на реке Ангаре в городе Братске Иркутской области. Является третьей по мощности и первой по среднегодовой выработке гидроэлектростанцией России.

• На Братской ГЭС установленная мощность равняется 4500 МВт. Каждый год в среднем она вырабатывает 22 600 млн кВт·ч энергии.
• Размеры плотины. Общая длина 1430 м и максимальная высотой 125 м. Плотина делится на три участка: русловой, длиной 924 м, левобережный глухой, длина 286 м и правобережный глухой длина 220 м.

В заключение можно сказать, что гидроэлектростанции являются менее воздействующими на окружающую среду, нежели други види электростанций.

Видео по теме

Источники

• Википедия
• Нефтегаз
• Состав оборудования ГЭС
• Школа электрика
• Википедия

Производство электроэнергии на ГЭС: просто о сложном

Принцип работы гидроэлектростанции состоит в том, что вода падает на лопасти турбины и вращает их. Далее энергия передается генератору, который за счет явления электромагнитной индукции генерирует ток. На ГЭС производят порядка 15% всей электроэнергии в мире.

Гидроэлектростанции называют сокращенно ГЭС. Важно не путать их с ГРЭС – государственными районными электростанциями, работающими за счет сжигания топлива (угля, торфа или иного). Сокращение ГРЭС относится к временам СССР, сейчас его практически не используют.

Как производят э/э на ГЭС, ясно уже из названия – с помощью энергии гидры – воды.

Около 15% всего электричества в мире производится именно на гидроэлектростанциях.

Устройство

Общий принцип работы прост: для вращения турбины используется энергия воды. Чем больше турбина, тем сильнее должен быть напор воды. Отчасти он достигается перепадом высоты.

Фото: схема работы ГЭС

Чтобы обеспечить нужный перепад, строится плотина. Этим решается еще одна задача: создается водохранилище, запасы воды в котором позволяют не зависеть от колебаний объема реки в зависимости от времени года. Водохранилище перед плотиной называется верхним бьефом, вода, которая прошла через плотину, образует нижний бьеф. Разность высот между бьефами влияет на напор Н.

Комплекс сооружений ГЭС состоит из:

• плотины;
• непосредственно электростанции;
• шлюзов для забора воды и пропуска судов.

Фото: вид на Саяно-Шушенскую ГЭС сверху

Вода приводит в движение гидротурбины, которые вращают синхронные гидрогенераторы. Формула мощности проста: прямая зависимость от напора H и расхода жидкости Q: P = H*Q.

Получается, чем круче перепад высот и чем больше поток воды, тем мощнее станция.

Самая высокая в мире платина – 305 метров. Она находится на Цзиньпинской ГЭС на реке Ялунцзян в западной части провинции Сычуань на Юго-Западе Китая. Ее мощность − 3,6 ГВт.

Виды ГЭС, в зависимости от природных особенностей

Каждая гидроэлектростанция строится по собственному проекту. Она должна использовать энергию рек или приливов, которые в любой точке земного шара уникальны.

Водохранилища и плотины большой площади возводят там, где реки полноводны, но большого перепада высот нет и сложно создать достаточный напор.

В горных районах, где реки текут по большому уклону, строят так называемые деривационные ГЭС. Вода в них вначале отводится из русла, а затем направляется на турбины через специальные каналы или тоннели. Именно на станциях такого типа часто применяют систему, позволяющую работать в двух режимах: как производителю, так и потребителю электроэнергии.

Еще один тип ГЭС получил название ГАЭС – гидроаккумулирующие электростанции. Принцип устройства у них такой же, как у ГЭС, но в часы минимального потребления электрической энергии генераторы начинают работать как двигатели, а турбины − как насосы. Система перекачивает воду в верхний бьеф, где она накапливается, чтобы в нужный момент потечь вниз.

Водохранилище Акосомбо в Гане на реке Вольта – самое крупное в мире. Его площадь − 8500 км2 – 3,6% площади страны.

Еще один вид ГЭС – приливной. В этом случае используется энергия приливов, а станции называют ПЭС. При их строительстве перекрывают плотиной залив или устье реки.

Технология производства электроэнергии

Гидростанции во многом напоминают старинные водяные мельницы, только усилие передается не на жернова, которые перемалывают зерно в муку, а на генераторы э/э.

Происходит преобразование кинетической энергии (течения воды) в электрическую. Каким образом? Здесь надо вспомнить законы электромагнитной индукции: в проводнике, который движется перпендикулярно магнитному полю, появляется электрический ток.

Фото: Схема устройства гидрогенератора

Произведенное электричество подается на трансформаторы, которые преобразуют полученный электрический ток в высоковольтный. Он передается по линиям электропередач к распределительным станциям и через них – потребителям.

Фото: Выработка э/э на ГЭС

Управление

При всей простоте принципа работы сама гидроэлектростанция – стратегический объект, который нуждается в оперативном управлении. Необходимо не только отслеживать запасы воды в водохранилище, но и регулировать подачу потока на турбины, количество производимой электроэнергии.

Если река, на которой расположена станция, судоходная, то нужно пропускать суда через специальные шлюзы. Ошибки могут привести как к техногенным, так и к экологическим катастрофам.

Запуск агрегата ГЭС происходит не более чем за 50 секунд. КПД – 85-90%. На современных станциях предусмотрены системы аварийно-ремонтного затвора, установлены датчики для контроля важных параметров.

ГЭС в России и мире

Самый крупный российский холдинг, которому принадлежит более 70 объектов, – ПАО «РусГидро». По данным портала «Зачестныйбизнес», компания зарегистрирована в 2004 году с уставным капиталом 426 млрд рублей в Красноярске. На момент создания 100% акций принадлежало ОАО РАО «ЕЭС РОССИИ».

В дополнение: история успеха генерального директора «РусГидро» Николая Шульгинова.

В 2007 году более половины акций компании было передано в государственное управление.

Саяно-Шушенская им. П.С. Непорожнего

Хакасия, г. Саяногорск

Красноярский край, г. Кодинск

Источник: официальные сайты ГЭС

Есть еще Волжская, Жигулевская, Бурейская и другие менее мощные объекты. А на берегу Баренцева моря расположилась единственная в России приливная ЭС – Кислогубская.

Какими бы мощными ни были российские гидроэлектростанции, они уступают лидерам отрасли в мире.

Китай, провинция Хубэй

Источник: сайт «Альтернативная энергия»

Преимущество ГЭС в том, что стоимость произведенной на ней электроэнергии ощутимо ниже, по сравнению с энергией АЭС, ТЭС и других станций. Поэтому ее стараются использовать алюминиевые заводы – очень энергоемкие производства. Российская компания «РУСАЛ» даже объединилась с «РусГидро» для реализации проекта БЭМО, в котором на Богучанском алюминиевом заводе используется энергия местной гидроэлектростанции.

ГЭС – удивительный пример того, как простое технологическое решение может воплощаться в таких громадных масштабах.

Устройство и принцип работы гидроэлектростанции

Дать краткое описание общего устройства и принципа работы русловой ГЭС плотинного или приплотинного типа. Объяснить роль отдельных элементов ГЭС (турбины, спиральной камеры, отсасывающей трубы, направляющего аппарата и генератора) при преобразовании механической энергии воды в электрическую. Привести зависимости для определения энергетических показателей ГЭС и объяснить назначение в них расчетных параметров (напора, расхода воды и установленной мощности).

Практическая работа № 2

Установление типа и основных параметров турбины

По заданной мощности всей ГЭС (N,тыс. КВт ) и числу турбин (m) определить мощность на валу одной турбины (NТ, тыс. КВт). В зависимости от установленной мощности и заданной величины расчетного напора (Н, м) по сводному графику областей применения поворотно-лопастных и радиально-осевых турбин установить тип турбины. Определить приближенные значения диаметра рабочего колеса (Д1, м) частоты вращения (n, об/мин.) и высоты отсасывания (Нs, м). Окончательные значения диаметра рабочего колеса выбирают из ряда унифицированных значений согласно номенклатуре.

Если заданным значениям мощности и расчетного напора на сводном графике соответствуют два типа турбин, то в этом случае необходимо выполнить технико-экономическое сравнение. Объяснить физический смысл отдельных параметров и их влияние на энергетические показатели турбины.

СОДЕРЖАНИЕ КУРСОВОГО ПРОЕКТА И ПОРЯДОК ЕГО

ВЫПОЛНЕНИЯ

1. По типу турбины выбрать тип турбинной камеры и установить предварительные размеры ее входного сечения.

2. Произвести гидромеханический расчет турбинной камеры и вычертить в установленном масштабе продольный разрез входного сечения камеры и очертание в плане спирального канала.

3. Выбрать тип отсасывающей трубы, ее колена и определить их основные размеры. Продольный разрез и план отсасывающей трубы вычерчивается в таком же масштабе, как и турбинная камера.

4. Выбрать конструкцию и установить основные размеры здания ГЭС, предусмотрев, если это целесообразно, водосбросные отверстия в здании станции. Вычертить схему ГЭС и разрез по оси агрегата.

5. Выбрать тип и определить основные размеры затвора отсасывающей трубы. Составить схему конструкции затвора и выполнить расчет его основных элементов. Определить тяговое усилие для подъема затвора.

6. Распределить максимальный расчетный расход воды в реке по водопропускным сооружениям (ГЭС, плотина и судоходный шлюз). Расположить сооружения на плане реки. Построить разрезы по напорной линии и по оси судоходной трассы. Дать обоснование предлагаемой компоновки с указанием последовательности производства работ, при которой обеспечивается пропуск строительных расходов и непрерывность судоходства при сооружении гидроузла.

Оформление практических работ и курсового проекта

В состав практических работ входит пояснительная записка, которая должна содержать основные сведения по изучаемым вопросам, необходимые расчеты, схемы и эскизы. Курсовой проект представляется в виде пояснительной записки и одного листа чертежей. Материал записки должен соответствовать содержанию проекта и последовательности выполнения задания.

Лист чертежей должен содержать схемы устройства здания ГЭС и ее основных элементов (разрезы и планы здания, турбинной камеры, отсасывающей трубы) в масштабе 1:200 – 1:500, а также чертежи затвора отсасывающей трубы.

Пояснительная записка и чертежи выполняются в соответствии с требованиями ЕСКД.

ОБЩЕЕ УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ

ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

Гидроэлектрическая станция (ГЭС) – гидротехническое сооружение, предназначенное для преобразования механической энергии потока воды в электрическую. ГЭС представляют собой комплекс сооружений, создающих подпор, подводящих к турбинам и отводящих от них воду, и здания, необходимого для размещения гидроагрегатов, механического и электрического оборудования.

Гидроэлектростанции используют механическую энергию водотоков и являются высокоэффективными источниками электроэнергии. В конструктивном отношении они имеют самое разнообразное устройство, определяемое величиной используемого напора, типом турбины, топографическими, гидрологическими, экологическими и другими условиями. Наиболее широкое применение получили русловые ГЭС (плотинные и приплотинные) и станции деривационного типа (напорные и безнапорные).

Основным элементом ГЭС является турбина, позволяющая преобразовать энергию водного потока в механическую энергию вращения рабочего колеса, которое приводит во вращение ротор генератора электрического тока.

Подача воды к турбине плотинной ГЭС (рис. 1) осуществляется по водоводу 2, называемому спиральной камерой, охватывающему по окружности рабочее колесо турбины 1, а отвод воды в нижний бьеф – по изогнутому водоводу – отсасывающей трубе 11.

Спиральная камера со стороны верхнего бьефа закрывается быстропадающими затворами 6, перед которыми располагаются сороудерживающие решетки с механизмами их очистки. Для ремонта и осмотра турбины спиральная камера со стороны верхнего бьефа и отсасывающая труба со стороны нижнего бьефа закрывается ремонтными затворами 7. Маневрирование затворами осуществляется при помощи специальных механизмов.

В машинном зале 9 для перемещения турбины и частей генераторов предусмотрены мостовые краны, передвигающиеся по путям на колоннах. Оборудование ГЭС и мастерские располагаются в соответствующих помещениях здания. Трансформаторные подстанции, передающие электрический ток в линию высокого напряжения, обычно размещают со стороны нижнего бьефа. Со стороны верхнего бьефа устроен мост 8 для проезда автомобильного и железнодорожного транспорта

Здание гидроэлектростанции проверяется на прочность и устойчивость, а подземный контур на фильтрационное воздействие грунтовых вод. Для увеличения пути фильтрационного потока со стороны верхнего бьефа устраивают железобетонный анкерный понур или предусматривают забивку шпунта 12. Для предотвращения размыва дна реки перед зданием ГЭС и в нижнем бьефе предусматривается крепление бетонными плитами.

Рис. 1. Общее устройство гидроэлектростанции:

1 – турбина; 2 – спиральная камера; 3 – генератор; 4 – вал турбины; 5 – возбудитель; 6 – паз рабочего затвора ГЭС; 7 – паз ремонтного затвора; 8 – мост; 9 – машинный зал; 10 – паз ремонтного затвора отсасывающей трубы; 11 – отсасывающая труба; 12 – шпунт

По длине здание ГЭС разделяется на отдельные блоки, в которых устроено определенное число агрегатов. При разбивке на блоки по соображениям простоты схемы электрических соединений чаще всего принимают четное число агрегатов. Наименьшее число агрегатов по условию обеспечения непрерывности работы ГЭС обычно принимается равным двум: предусматривается возможность ремонта одного из агрегатов.

Подвод воды к приплотинным и деривационным ГЭС осуществляется по напорным водоводам, устроенным в теле плотины или непосредственно на местности к каждому агрегату. Станции этих типов работают преимущественно при больших напорах, они используют значительную часть потенциальной энергии потока и отличаются от плотинных станций более высокими энергетическими показателями.

Источник энергии гидроэлектростанции

Гидроэлектрические станции или в гидроэлектростанциях используется потенциальная энергия воды рек и является на сегодняшний день распространенным средством производства электроэнергии из возобновляемых источников.

Гидроэлектростанции поставляют более чем 16% мировой электроэнергии (99% в Норвегии, 58% в Канаде, 55% в Швейцарии, 45% в Швеции, 7% в США, 6% в Австралии) из более чем 1060 ГВт установленной мощности. Половина этих мощностей находится в пяти странах: Китай (212 ГВт), Бразилия (82,2 ГВт), США (79 ГВт), Канада (76,4 ГВт) и Россия (46 ГВт). Помимо этих четырех стран с относительным обилием (Норвегия, Канада, Швейцария и Швеция), гидропотенциал обычно применяется при пиковой нагрузке, потому что гидроэлектростанция легко может быть остановлена и запущена. Это также означает, что она является идеальным дополнением к энергии ветра в сетке системы и используется наиболее эффективно в Дании.

Гидроэлектростанции используют энергию падающей воды для выработки электроэнергии. Турбина преобразует кинетическую силу падающей H2O в механическую. Затем генератор преобразует механическую из турбины в электроэнергию.

Гидроэнергетика в мире

Гидроэнергетика использует большие площади и не является основным вариантом на будущее в развитых странах потому, что большинство крупных мест в этих странах, имеющих потенциал для освоения гидроэнергетики, либо уже эксплуатируются или недоступны по другим причинам, например из экологических соображений. Главным образом в Китае и Латинской Америке ожидается рост гидроэнергетики до 2030 года. Китай в последние годы ввел в эксплуатацию на $26 млрд гидроэлектростанций, которые производят 22,5 ГВт. Гидроэнергетика в Китае сыграла определенную роль переместив свыше 1,2 миллиона человек с мест расположения плотин.

Главным преимуществом гидросистем является их способность обрабатывать сезонные (а также ежедневные) высокие пиковые нагрузки. На практике использование хранимой энергии воды иногда осложняется требованиями для орошения, которые могут произойти в противофазе с пиком нагрузок.

Запуск из реки гидросистем обычно гораздо дешевле, чем создание плотин и имеет потенциально более широкое применение. Мелкие гидроэлектростанции под 10 МВт представляют около 10% мирового потенциала и большинство из них работают из реки.

Существует три типа гидроэнергетических сооружений: гидроэлектростанции, насосные станции, гидроаккумулирующие электростанции.

Принцип работы гидроэлектростанции

Принцип работы гидроэлектростанции когда энергия воды преобразуется в механическую через гидравлические турбины. Генератор преобразует эту механическую энергию воды в электричество.

Работа генератора основана на принципах Фарадея: когда магнит перемещается мимо проводника то вырабатывается электроэнергия. В генераторе электромагниты созданы текущим постоянным током. Они создают поля полюсов и установлены по периметру ротора. Ротор присоединен к валу который вращают турбины на фиксированной скорости. Когда ротор вращается, это вызывает смену полюсов в проводнике, смонтированном в статоре. Это, в свою очередь, по закону Фарадея вырабатывает электричество на выводах генератора.

Состав гидроэлектростанции

Мощность гидроэлектростанций варьируется в размерах от «микро ГЭС» питающую несколько домов до гигантских плотин, которые обеспечивают электроэнергией миллионы людей.

Большинство обычных ГЭС включают в себя четыре основных компонента:

1. Плотина. Поднимает уровень реки для создания падающей воды. Также управляет потоком. Водохранилище, которое формируется, по сути, чтобы аккумулировать мощность.
2. Турбина. Сила падающей воды толкает турбину во вращение. Турбина воды так же, как ветряная мельница, преобразует кинетическую мощность падающей воды в механическую.
3. Генератор. Подключен к турбине через валы и шестерни редуктора для вращения генероатора. Преобразует механическую энергию турбины в электрическую энергию. Генераторов ГЭС работают так же, как генераторы в других типах электростанций.
4. Линии электропередачи. Проводят электричество от ГЭС до потребителей.

Использование гидроэнергии достигло пика в середине 20-го века, но идея использования H2O для выработки электроэнергии насчитывает тысячи лет. Более чем 2000 лет назад, греки использовали водяное колесо для помола пшеницы в муку. Эти древние колеса, как турбины сегодня, через которые идет поток воды.

Гидроэнергетические станции крупнейший источник возобновляемой энергии мира.

Устройство и принцип работы гидроэлектростанции

Федеральное государственное бюджетное образовательное

Учреждение высшего образования

Государственный университет морского и речного флота

Имени адмирала С.О. МАКАРОВА»

Кафедра Гидротехнических сооружений, конструкций и гидравлики

Дисциплина «ГТС общего назначения»

Практическая работа № 1

Устройство и принцип работы гидроэлектростанции

Выполнил: ст. гр. В-5-4

Проверил: Гапеев А.М.

Гидроэлектрическая станция (ГЭС) – гидротехническое сооружение, предназначенное для преобразования механической энергии потока воды в электрическую. ГЭС представляют собой комплекс сооружений, создающих подпор, подводящих к турбинам и отводящих от них воду, и здания, необходимого для размещения гидроагрегатов, механического и электрического оборудования.

Гидроэлектростанции используют механическую энергию водотоков и являются высокоэффективными источниками электроэнергии. В конструктивном отношении они имеют самое разнообразное устройство, определяемое величиной используемого напора, типом турбины, топографическими, гидрологическими, экологическими и другими условиями. Наиболее широкое применение получили русловые ГЭС (плотинные и приплотинные) и станции деривационного типа (напорные и безнапорные).

Основным элементом ГЭС является турбина, позволяющая преобразовать энергию водного потока в механическую энергию вращения рабочего колеса, которое приводит во вращение ротор генератора электрического тока.

Подача воды к турбине плотинной ГЭС (рис. 1) осуществляется по водоводу 2, называемому спиральной камерой, охватывающему по окружности рабочее колесо турбины 1, а отвод воды в нижний бьеф – по изогнутому водоводу – отсасывающей трубе 11.

Спиральная камера со стороны верхнего бьефа закрывается быстропадающими затворами 6, перед которыми располагаются сороудерживающие решетки с механизмами их очистки. Для ремонта и осмотра турбины спиральная камера со стороны верхнего бьефа и отсасывающая труба со стороны нижнего бьефа закрывается ремонтными затворами 7. Маневрирование затворами осуществляется при помощи специальных механизмов.

В машинном зале 9 для перемещения турбины и частей генераторов предусмотрены мостовые краны, передвигающиеся по путям на колоннах. Оборудование ГЭС и мастерские располагаются в соответствующих помещениях здания. Трансформаторные подстанции, передающие электрический ток в линию высокого напряжения, обычно размещают со стороны нижнего бьефа. Со стороны верхнего бьефа устроен мост 8 для проезда автомобильного и железнодорожного транспорта

Здание гидроэлектростанции проверяется на прочность и устойчивость, а подземный контур на фильтрационное воздействие грунтовых вод. Для увеличения пути фильтрационного потока со стороны верхнего бьефа устраивают железобетонный анкерный понур или предусматривают забивку шпунта 12. Для предотвращения размыва дна реки перед зданием ГЭС и в нижнем бьефе предусматривается крепление бетонными плитами.

Рис. 1. Общее устройство гидроэлектростанции:

1 – турбина; 2 – спиральная камера; 3 – генератор; 4 – вал турбины; 5 – возбудитель; 6 – паз рабочего затвора ГЭС; 7 – паз ремонтного затвора; 8 – мост; 9 – машинный зал; 10 – паз ремонтного затвора отсасывающей трубы; 11 – отсасывающая труба; 12 – шпунт

В ГЭС приплотинного типа здание располагается в нижнем бьефе за плотиной и не воспринимает давление воды. На крупных гидроэлектростанциях такого типа напор может достигать 500 м и более. В них чаще всего устанавливаются радиально-осевые турбины (рис. 2). При напорах от 45 до 75 м возможна также установка высоконапорных поворотно-лопастных турбин. В этом случае могут быть использованы бетонные турбинные камеры с металлической облицовкой.

В зданиях ГЭС приплотинного типа подвод воды к турбине осуществляется по напорному водоводу, как правило, круглого сечения. Давление верхнего бьефа на здание в этом случае сравнительно невелико и оно учитывается только в расчетах отдельных конструкций здания. Для обеспечения равномерного подвода воды к турбине водовод перед турбинной камерой имеет горизонтальный участок длиной (4 ÷ 6)Д1.

Гидроэлектростанции приплотинного типа, как уже отмечалось, возводятся при больших напорах и поэтому имеют высокие энергетические показатели. На рис. 2 приведен вариант проекта здания Саяно-Шушенской ГЭС с агрегатами мощностью по 640 МВт (напор в среднем 200 м).

Рис. 2. Здание ГЭС приплотинного типа (Вариант конструкции здания Саяно-Шушенской ГЭС):

1 – рабочий затвор; 2 – паз ремонтного затвора; 3 – сороудерживающая решетка;

4 – турбинный водовод; 5 – трансформаторная подстанция; 6 – здание ГЭС;

7 – бетонная плотина; 8 – скважины цементации;

9 – скважины вертикального дренажа

Подвод воды к приплотинным и деривационным ГЭС осуществляется по напорным водоводам, устроенным в теле плотины или непосредственно на местности к каждому агрегату. Станции этих типов работают преимущественно при больших напорах, они используют значительную часть потенциальной энергии потока и отличаются от плотинных станций более высокими энергетическими показателями.

Турбина

Турбина преобразует энергию воды, текущей под напором, в механическую энергию вращения вала. В зависимости от вида гидравлической энергии, преобразуемой рабочим колесом турбины, они разделяются на два класса: реактивного и активного действия.

Турбины, преобразующие гидравлическую энергию в механическую в основном за счет потенциальной энергии потока воды, относятся к классу реактивных турбин, а турбины, преобразующие гидравлическую энергию в механическую за счет кинетической энергии потока воды, относятся к классу активных турбин.

Реактивные турбины нашли самое широкое распространение при наиболее часто встречающихся напорах на ГЭС от 3 до 700 м. По принципу протекания воды по рабочему колесу их разделяют на осевые, диагональные и радиально-осевые. Если поток поступает на лопасти рабочего колеса и протекает в направлении, параллельном оси вращения турбины (рис. 2, а, г), то такие турбины называют осевыми. Турбины, у которых меридианные составляющие скорости наклонены относительно оси турбины, являются диагональными (рис. 2, в), а турбины, лопасти рабочего колеса которых расположены в зоне поворота меридианных скоростей из радиального направления в осевое – радиально-осевыми (рис. 2, б).

Рис. 2. Схемы гидротурбин:

а – осевая вертикальная; б – радиально-осевая вертикальная; в – диагональная вертикальная; г –капсульно-горизонтальная; д – ковшовая горизонтальная

Спиральная камера

Спиральная камера обеспечивает равномерное поступление воды по всему периметру направляющего аппарата, т. е. осесимметричный режим работы всех направляющих лопаток; сечение спиральной камеры равномерно

сужается по ходу потока. На ГЭС с напором, превышающим 50—60м,

применяются стальные. Спиральная камера круглого сечения, охватывающие статор почти полностью.

На ГЭС с меньшим напором спиральная камера изготовляются из железобетона, уголохвата составляет около 225 , сечение имеет вид тавра. Спиральная камера в отличие от других турбинных камер(например, открытых) позволяют вынести значительную часть механизмов гидротурбины в сухое помещение, что улучшает условия эксплуатации турбины.

Отсасывающие трубы

Отсасывающие трубы определяют габариты подводной части здания ГЭС и оказывают существенное влияние на энергетические показатели и условия надежной работы гидроагрегата. Они обеспечивают:

· преобразование значительной части кинетической энергии потока в энергию давления, особенно в турбинах повышенной быстроходности;

· полное использование перепадов уровней между верхним и нижним бьефами ГЭС;

· благоприятные условия отвода воды от гидромашины в нижний бьеф.

В настоящее время используются два основных типа отсасывающих труб: прямоосные конические и изогнутые.

Направляющий аппарат

Направляющий аппарат является одним из главных узлов, определяющих компоновку всей турбины. Подает воду на лопасти рабочего колеса(РК) под некоторым углом. Окружная скорость на лопасти всегда поддерживается неизменной, так как неизменной должна оставаться частота вращения ротора генератора. Это необходимо для поддержания постоянной частоты переменного электрического тока в сети.

Генератор

Гидрогенератор — электрическая машина, предназначенная для выработки электроэнергии на гидроэлектростанции.

Гидрогенераторы имеют сравнительно малую частоту вращения (до 500 об/мин) и достаточно большой диаметр (до 20 м).

Гидрогенераторы состоят из следующих основных частей: статор, ротор, верхняя крестовина, нижняя крестовина, подпятник (упорный подшипник, который воспринимает вертикальную нагрузку от вращающихся частей гидрогенератора и гидротурбины), направляющие подшипники.

Гидрогенераторы для ГЭС специально проектируются соответственно частоте вращения и мощностью гидротурбин, для которых они предназначаются. Гидрогенераторы на большую единичную мощность обычно устанавливают вертикально на подпятниках с соответствующими направляющими подшипниками. Они, как правило, трехфазные и рассчитаны на стандартную частоту. Система воздушного охлаждения — замкнутая, с теплообменниками воздух — вода.

Как устроена Саяно-Шушенская ГЭС.

Как устроена Саяно-Шушенская ГЭС.

March 14th, 2015

Саяно-Шушенская гидроэлектростанция имени П. С. Непорожнего — крупнейшая по установленной мощности электростанция России, 8-я — среди ныне действующих гидроэлектростанций в мире.

Расположена на реке Енисей, на границе между Красноярским краем и Хакасией, у посёлка Черёмушки, возле Саяногорска. Является верхней ступенью Енисейского каскада ГЭС. Уникальная арочно-гравитационная плотина станции высотой 242 м — самая высокая плотина России и одна из высочайших плотин мира. Название станции происходит от названий Саянских гор и расположенного неподалёку от станции села Шушенское, широко известного в СССР как место ссылки В. И. Ленина.

Проект Саяно-Шушенской ГЭС был разработан Ленинградским отделением института «Гидропроект». Строители приступили к работам в 1963 году. Первый гидроагрегат принял промышленную нагрузку в декабре 1978 года, десятый – в 1985-м.

Саянскую ГЭС строила молодежь, в 1967 году ЦК ВЛКСМ объявил строительство Всесоюзной ударной комсомольской стройкой. Летом 1979 года в возведении крупнейшей ГЭС принимали участие студенческие строительные отряды общей численностью 1700 человек, в 1980 году – более 1300 человек со всех концов страны. К этому времени на строительстве сформировались уже 69 собственных комсомольско-молодежных коллективов, 15 из них – именные.

2. Строительство Саяно-Шушенской ГЭС, начатое в 1963 году, было официально завершено только в 2000 году. В ходе строительства и эксплуатации ГЭС имели место проблемы, связанные с разрушением водосбросных сооружений и образованием трещин в плотине, позднее успешно решённые.Памятник строителям ГЭС на смотровой площадке.

3. 17 августа 2009 года на станции произошла крупнейшая в истории российской гидроэнергетики авария, ставшая причиной гибели 75 человек. Восстановление станции завершилось 12 ноября 2014 года.

4. 10 февраля 2011 года в 78 км от Саяно-Шушенской ГЭС произошло землетрясение силой около 8 баллов по шкале MSK-64. В районе плотины ГЭС сила толчков составила около 5 баллов, каких-либо повреждений сооружений станции не зафиксировано.

5. Саяно-Шушенская ГЭС представляет собой мощную высоконапорную гидроэлектростанцию приплотинного типа.Конструктивно сооружения ГЭС разделяются на плотину, здание ГЭС с корпусами вспомогательного назначения, водобойный колодец эксплуатационного водосброса, береговой водосброс, открытое распределительное устройство (ОРУ).

6. Периодически в средствах массовой информации высказываются сомнения в надёжности плотины Саяно-Шушенской ГЭС. В то же время авторитетные специалисты в области гидротехники неоднократно заявляли о безопасности сооружений станции.Саяно-Шушенская ГЭС имеет действующую декларацию безопасности.

7. Напорный фронт Саяно-Шушенской ГЭС образует уникальная бетонная арочно-гравитационная плотина, устойчивость и прочность которой обеспечивается действием собственного веса (на 60 %) и частично упором верхней арочной части в берега (на 40 %).Плотина имеет максимальную высоту 245 м, её верховая грань очерчена дугой с радиусом 600 м, ширина плотины по основанию — 105,7 м, по гребню — 25 м. Длина гребня плотины с учётом береговых врезок составляет 1074,4 м.

8. Эксплуатационный водосброс предназначен для сброса избыточного притока воды в половодье и паводки, который не может быть пропущен через гидроагрегаты ГЭС либо аккумулирован в водохранилище. Проектная максимальная пропускная способность эксплуатационного водосброса составляет 13 600 м³/сек, фактическая при отметке водохранилища 540 м — 13 090 м³/сек.

10. Плотина врезана в породы левого и правого берегов на глубину 15 м и 10 м соответственно, в породы основания — на глубину до 5 м.

14. В здании ГЭС размещено 10 гидроагрегатов, мощностью 640 МВт каждый.

17. Гидроагрегат № 2. Именно с него в августе 2009 года началась авария на Саяно-Шушенской ГЭС, которая вывела из строя всё оборудование станции и унесла жизни 75 человек. Под сильнейшим напором воды была сорвана крышка турбины, ротор этой машины (весом в 900 тонн!) поднялся на несколько метров и, вращаясь, стал крушить машинный зал — потолок, стены.

21. Саяно-Шушенская ГЭС является крупнейшей электростанцией России, к тому же вырабатывающей очень дешёвую электроэнергию — себестоимость 1 кВт⋅ч электроэнергии в 2001 году Саяно-Шушенского гидроэнергетического комплекса составляла 1,62 коп.

22. ГЭС является самым мощным источником покрытия пиковых перепадов электроэнергии в Единой энергосистеме России. Гидроэлектростанция является основой и источником энергоснабжения Саянского территориально-производственного комплекса, включающего в себя крупные алюминиевые заводы — Саянский и Хакасский (принадлежат компании «Российский алюминий»), Абаканвагонмаш, угольные разрезы, железные рудники, ряд предприятий лёгкой и пищевой промышленности.

25. Плотина ГЭС образует крупное Саяно-Шушенское водохранилище .

26. Береговой водосброс расположен на правом берегу и предназначен для пропуска паводков редкой повторяемости.

31. Береговой водосброс.Конструктивно водосброс состоит из водоприёмного сооружения, двух безнапорных тоннелей, пятиступенчатого перепада и отводящего канала.

32. Саяно-Шушенская ГЭС любимая станция главы «РусГидро» Евгения Дода.

33. Ночной вид на бреговой водосброс.

34. Увидев один раз эту махину, в нее влюбляешься на всю жизнь, и все время опять тянет опять вернуться на берега Енисея.

Взят у dervishv в Саяно-Шушенская ГЭС

Если у вас есть производство или сервис, о котором вы хотите рассказать нашим читателям, пишите Аслану (shauey@yandex.ru) и мы сделаем самый лучший репортаж, который увидят не только читатели сообщества, но и сайта Как это сделано

Еще раз напомню, что посты теперь можно читать на канале в Телеграме

и как обычно в инстаграме. Жмите на ссылки, подписывайтесь и комментируйте, если вопросы по делу, я всегда отвечаю.

Все авторские ролики загружаются на мой канал, поддержите его подпиской, кликнув по этой ссылке — Как это сделано или по этой картинке. Спасибо всем подписавшимся!

Tags: Хакасия, электростанция

ГЭС — это что такое? Список крупнейших ГЭС России

ГЭС – это гидроэлектростанция, преобразующая энергию водного потока в электрическую. Поток воды, падая на лопасти, вращает турбины, которые, в свою очередь, приводят в движение генераторы, преобразующие механическую энергию в электрическую. Гидроэлектростанции сооружаются на руслах рек, при этом обычно строятся плотины и водохранилища.

Принцип работы

Основа работы ГЭС – это энергия падающей воды. Из-за разности уровней речная вода образует непрерывный поток от истока к устью. Плотина – неотъемлемая часть практически всех гидроэлектростанций, перекрывает движение воды в русле реки. Перед плотиной образуется водохранилище, создавая значительную разницу уровня воды до и после нее.

Верхний и нижний уровень воды называют бьефом, а разницу между ними — высотой падения или напором. Принцип работы достаточно прост. На нижнем бьефе устанавливается турбина, на лопасти которой направляется поток с верхнего бьефа. Падающий поток воды приводит в движение турбину, а она через механическую связь вращает ротор электрического генератора. Чем больше напор и количество воды, проходящее через турбины, тем выше мощность гидроэлектростанции. Коэффициент полезного действия составляет около 85%.

Особенности

Существует три фактора эффективного производства энергии на гидроэлектростанциях:

• Круглогодичная гарантированная водообеспеченность.
• Благоприятствующий рельеф. Наличие каньонов и перепадов способствуют гидростроительству.
• Больший уклон реки.

Эксплуатация гидроэлектростанция имеет несколько, в том числе сравнительных особенностей:

• Себестоимость производимой электроэнергии существенно меньше, чем на других видах электростанций.
• Возобновляемый источник энергии.
• В зависимости от количества энергии, которое должна производить ГЭС, ее генераторы можно быстро включать и выключать.
• По сравнению с другими видами электростанций ГЭС намного меньше влияет на воздушную среду.
• В основном ГЭС — это удаленные от потребителей объекты.
• Строительство гидроэлектростанций очень капиталоемкое.
• Водохранилища занимают большие территории.
• Строительство плотин и устройство водохранилищ перекрывает многим видам рыб пути к нерестилищам, что кардинально меняет характер рыбного хозяйства. Но при этом в самом водохранилище устраиваются рыбоводческие хозяйства, увеличиваются запасы рыбы.

Гидроэлектростанции разделяют по характеру возведенных сооружений:

• Приплотинные ГЭС – это самые распространенные в мире станции, в которых напор создается плотиной. Строятся на реках с преимущественно небольшим уклоном. Для создания большого напора под водохранилища затопляются значительные территории.
• Деривационные – станции, сооружаемые на горных реках с большим уклоном. Нужный напор создается в обходных (деривационных) каналах при сравнительно малом расходе воды. Часть потока реки через водозабор направляется в трубопровод, в котором создается напор, что приводит в движение турбину.
• Гидроаккумулирующие станции. Они помогают справиться энергосистеме с пиковыми нагрузками. Гидроагрегаты таких станций способны работать в насосном и генераторном режиме. Состоят из двух водохранилищ в разных уровнях, соединенных трубопроводом с гидроагрегатом внутри. При высоких нагрузках вода сбрасывается из верхнего водохранилища в более низкое, при этом происходит вращение турбины и вырабатывается электричество. При низком спросе вода перекачивается назад из низкого хранилища в более высокое.

Гидроэнергетика России

На сегодняшний день в России суммарно вырабатывается более 100 МВт электроэнергии на 102 гидроэлектростанциях. Общая мощность всех гидроагрегатов ГЭС России составляет порядка 45 млн кВт, что соответствует пятому месту в мире. Доля ГЭС в общем количестве вырабатываемой электроэнергии в России составляет 21 % — 165 млрд кВт*ч/год, что также соответствует 5 месту в мире. По количеству потенциальных гидроэнергоресурсов Россия стоит на втором месте после Китая с показателем 852 млрд кВт*ч, но при этом степень их освоения составляет лишь 20%, что существенно ниже, чем практически у всех стран мира, в том числе развивающихся. Для освоения гидропотенциала и развития российской энергетики в 2004 году была создана Федеральная программа по обеспечению надежной эксплуатации функционирующих гидроэлектростанций, завершение действующих строек, проектирование и возведение новых станций.

Список крупнейших ГЭС России

• Красноярская ГЭС — г. Дивногорск, на реке Енисей.
• Братская ГЭС — г. Братск, р. Ангара.
• Усть-Илимская — г. Усть-Илимск, р. Ангара.
• Саяно-Шушенская ГЭС — г. Саяногорск.
• Богучанская ГЭС — на реке. Ангара.
• Жигулёвская ГЭС — г. Жигулевск, р. Волга.
• Волжская ГЭС — г. Волжский, Волгоградская обл, река Волга.
• Чебоксарская — г. Новочебоксарск, река Волга.
• Бурейская ГЭС — пос. Талакан, река Бурея.
• Нижнекамская ГЭС — Челны, р. Кама.
• Воткинская — г. Чайковский, р. Кама.
• Чиркейская — река. Сулак.
• Загорская ГАЭС — река. Кунья.
• Зейская — г. Зея, р. Зея.
• Саратовская ГЭС — река. Волга.

Волжская ГЭС

В прошлом Сталинградская и Волгоградская ГЭС, а ныне «Волжская», расположенная в одноименном городе Волжский на реке Волга, средненапорная станция руслового типа. На сегодняшний день считается крупнейшей гидроэлектростанцией в Европе. Количество гидроагрегатов – 22, электрическая мощность – 2592,5 МВт, среднегодовое количество вырабатываемой электроэнергии 11,1 млрд кВт*ч. Пропускная способность гидроузла – 25000 м3/с. Большая часть вырабатываемой электроэнергии поставляется местным потребителям.

Возведение ГЭС стартовало в 1950 году. Пуск первого гидроагрегата был осуществлен в декабре 1958. В полном объеме Волжская гидроэлектростанция заработала в сентябре 1961 года. Ввод в эксплуатацию сыграл важнейшую роль в объединении значимых энергосистем Поволжья, Центра, Юга и энергоснабжения Нижнего Поволжья и Донбасса. Уже в 2000-х годах было произведено несколько модернизаций, что позволило увеличить общую мощность станции. Кроме производства электроэнергии Волжская ГЭС используется для орошения засушливых земельных массивов Заволжья. На сооружениях гидроузла устроены автодорожные и железнодорожные переходы через Волгу, обеспечивающие связь районов Поволжья между собой.

ГИДРОЭЛЕКТРИ́ЧЕСКАЯ СТА́НЦИЯ

Рис. 1. Схема ГЭС: 1 – плотина; 2 – затвор на гребне водослива; 3 – водоприёмник; 4 – затвор водоприёмника; 5 – напорный водоток; 6 – задвижка; 7 – гидравличе.

ГИДРОЭЛЕКТРИ́ЧЕСКАЯ СТА́НЦИЯ (гид­ро­элек­тро­стан­ция, ГЭС), ком­плекс со­ору­же­ний и обо­ру­до­ва­ния для пре­об­ра­зо­ва­ния энер­гии по­то­ка во­ды (во­до­тока) в элек­трич. энер­гию. Гид­рав­лич. 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 про­из-ва 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 (св. 250), сред­ние (до 250) и ма­лые (до 10); ве­ли­чи­не на­по­ра; схе­ме ис­поль­зо­ва­ния вод­ных ре­сур­сов; ус­ло­ви­ям ра­бо­ты. Мощ­ность ГЭС N (кВт) за­ви­сит от на­по­ра Нб (раз­но­сти уров­ней верх­не­го и ниж­не­го бье­фа, м), рас­хо­да во­ды Q (м3/с), про­хо­дя­ще­го че­рез гид­ро­тур­би­ны, кпд гид­ро­аг­ре­га­та hг и оп­ре­де­ля­ет­ся вы­ра­же­ни­ем N=hгQНб.

Крупные и средние ГЭС

Круп­ные и сред­ние ГЭС за­ни­ма­ют гла­вен­ст­вую­щее по­ло­же­ние в по­лу­че­нии гид­ро­элек­трич. энер­гии и стро­ят­ся на круп­ных ре­ках; со­сто­ят из си­сте­мы гид­ро­тех­ни­че­ских со­ору­же­ний, обес­пе­чи­ваю­щих соз­да­ние не­об­хо­ди­мо­го на­по­ра, энер­ге­тич. обо­ру­до­ва­ния (гид­рав­лич. тур­бин), пре­об­ра­зую­ще­го энер­гию дви­жу­щей­ся под на­по­ром во­ды в ме­ха­нич. энер­гию, ко­то­рая, в свою оче­редь, пре­об­ра­зу­ет­ся в элек­трич. энер­гию. Схе­ма круп­ной (сред­ней) ГЭС пред­став­ле­на на рис. 1. Пло­ти­на об­ра­зу­ет во­до­хра­ни­ли­ще, обес­пе­чи­вая по­сто­ян­ный на­пор во­ды, ко­то­рая че­рез за­щит­ную ре­шёт­ку и ре­гу­ли­руе­мый за­твор вхо­дит в во­до­при­ём­ник и, прой­дя по во­до­то­ку, вра­ща­ет гид­рав­лич. тур­би­ну, при­во­дя­щую в дей­ст­вие гид­ро­ге­не­ра­тор. Вы­ход­ное на­пря­же­ние гид­ро­ге­не­ра­то­ров по­вы­ша­ет­ся транс­фор­ма­то­ра­ми для пе­ре­да­чи на рас­пре­де­лит. под­стан­ции, а за­тем – по­тре­би­те­лям. По­сле со­вер­ше­ния ра­бо­ты во­да вы­те­ка­ет в ре­ку. В зда­нии ГЭС раз­ме­ща­ет­ся осн. энер­ге­тич. обо­ру­до­вание: в ма­шин­ном за­ле – гид­ро­аг­ре­га­ты, вспо­мо­гат. обо­ру­до­ва­ние, уст­рой­ст­ва ав­то­ма­тич. управ­ле­ния и кон­тро­ля; на центр. по­сту управ­ле­ния – пульт опе­ра­то­ра-дис­пет­че­ра или ав­то­опе­ра­тор ГЭС. По­вы­шаю­щая транс­фор­ма­тор­ная под­стан­ция мо­жет на­хо­дить­ся как внут­ри зда­ния ГЭС, так и в отд. зда­ни­ях или на от­кры­тых пло­щад­ках. Рас­пре­де­лит. уст­рой­ст­ва за­час­тую рас­по­ла­га­ют­ся на от­кры­той пло­щад­ке. При зда­нии ГЭС или внут­ри не­го соз­да­ёт­ся мон­таж­ная пло­щад­ка для сбор­ки и ре­мон­та обо­ру­до­ва­ния и для вспо­мо­гат. опе­ра­ций по об­слу­жи­ва­нию ГЭС.

Крупнейшие ГЭС мира (2005)*
ГЭС	Страна	г Год завершения строительства	Мощность, тыс. МВт
«Itaipo»	Бразилия-Парагвай	1983	12,6
«Guri»	Венесуэла	1983	10,0
«Grand Cooley»	США	1988	6,8
Саяно-Шушенская	Россия	1988	6,4
Красноярская	Россия	1972	6,0
«La Grande 2» (с 1981 «Robert-Bourassa»)	Канада	1981	5,6
«Churchill Falls»	Канада	1971	5,4
Братская	Россия	1967	4,5
«Tucurui»	Бразилия	1986	4,2
Усть-Илимская	Россия	1980	3,8
* В 2003 на p. Янцзы (КНР) введено в эксплуатацию 6 блоков ГЭС «Санься» («Три ущелья»), которая при достижении проектной мощности в 18,2 тыс. МВт ежегодно будет производить 84,7 млрд. кВт-ч (2009) и может стать самой большой ГЭС в мире.

По ве­ли­чи­не на­по­ра раз­ли­ча­ют ГЭС вы­со­ко­на­пор­ные (св. 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. От­ли­чит. 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 разл. энер­ге­тич. 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 осн. рус­ло обыч­но пе­ре­кры­ва­ет­ся зем­ля­ной пло­ти­ной, к ней при­мы­ка­ет бе­тон­ная во­до­слив­ная пло­ти­на, на ко­то­рой со­ору­жа­ет­ся зда­ние ГЭС. Та­кая ком­по­нов­ка ти­пич­на для мн. отеч. ГЭС на боль­ших рав­нин­ных ре­ках, напр. Волж­ской ГЭС (г. Вол­го­град) мощ­но­стью 2,56 тыс. МВт (1962); Майн­ской ГЭС на р. Ени­сей мощ­но­стью 321 МВт (1987). При бо­лее вы­со­ких на­по­рах зда­ние ГЭС не мо­жет вос­при­ни­мать боль­шое гид­ро­ста­тич. 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 (напр., Брат­ская ГЭС на р. Ан­га­ра). При­ме­ром др. типа при­пло­тин­ных ГЭС, со­от­вет­ст­вую­щих гор­ным ус­ло­ви­ям, мо­жет быть ком­понов­ка Ну­рек­ской ГЭС на р. Вахш (Тад­жи­ки­стан) про­ект­ной мощ­но­стью 2,7 тыс. МВт, Мин­ге­ча­ур­ской ГЭС на р. 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, т. к. ис­поль­зу­ют­ся оба прин­ци­па соз­да­ния на­по­ра. В ря­де слу­ча­ев с по­мо­щью де­ри­ва­ции про­из­во­дит­ся пе­ре­бро­ска сто­ка ре­ки в со­сед­нюю ре­ку, имею­щую бо­лее низ­кие от­мет­ки рус­ла, напр., на Ин­гур­ской ГЭС (Гру­зия), где сток р. Ин­гу­ри пе­ре­бра­сы­ва­ет­ся тун­не­лем в со­сед­нюю р. 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 тыс. МВт, а с без­на­пор­ной от­во­дя­щей де­ри­ва­ци­ей – Ин­гур­ская ГЭС мощ­но­стью 1,3 тыс. 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 тыс. МВт. ГЭС с на­пор­ной от­во­дя­щей де­ри­ва­ци­ей при­ме­ня­ет­ся в ус­ло­ви­ях зна­чит. из­ме­не­ний уров­ня во­ды в ре­ке в мес­те вы­хо­да от­во­дя­щей де­ри­ва­ции или по эко­но­мич. со­об­ра­же­ни­ям. В этом слу­чае не­об­хо­ди­мо со­ору­же­ние урав­нит. ре­зер­вуа­ра (в на­ча­ле от­во­дя­щей де­ри­ва­ции) для вы­рав­ни­ва­ния не­ус­та­но­вив­ше­го­ся по­то­ка во­ды в ре­ке – напр., 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 мор. 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. Отд. 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 счи­та­ные ми­ну­ты, по­кры­вая пи­ко­вые на­груз­ки. Для те­п­ло­вых стан­ций (ТЭС) этот по­ка­за­тель из­ме­ря­ет­ся ча­са­ми, для АЭС – сут­ка­ми. Мощ­ность круп­ней­ших ГЭС ми­ра пре­вы­ша­ет 3 тыс. МВт (табл.).

Малые ГЭС

Рис. 2. Схема микроГЭС: 1 – водозаборное устройство; 2 – напор воды (Н); 3 – водовод; 4 – энергоблок; 5 – устройство автоматического регулирования; 6 – ток к потребителю.

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 пол. 1950-х гг. Схе­ма мик­ро­ГЭС пред­став­ле­на на рис. 2. Ма­лые ГЭС пред­на­зна­че­ны для вы­ра­бот­ки элек­тро­энер­гии в пром. 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 ки­не­тич. 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 обл. на р. Бы­ст­рая (мощ­ность 1,7 МВт), кас­кад Тол­ма­чёв­ской ГЭС.

Ми­ни- и мик­ро­ГЭС ус­та­нав­ли­ва­ют­ся так­же в во­до­то­ках (про­дук­то­про­во­дах), где тре­бу­ет­ся при­ме­не­ние га­си­те­лей дав­ле­ния – пить­е­вых во­до­про­во­дах и тех­но­ло­гич. во­до­то­ках пред­при­ятий, во­до­сбро­сах ТЭЦ, а так­же на пром. и ка­на­ли­зац. сто­ках.

Строи­тель­ст­во ма­лых ГЭС ра­цио­наль­но там, где со­ци­аль­но-эко­но­мич. ус­ло­вия и пер­спек­ти­вы раз­ви­тия про­из­во­дит. сил ре­гио­на не тре­бу­ют соз­да­ния боль­шой энер­ге­ти­ки и ма­лые ГЭС мо­гут обес­пе­чить ме­ст­ное энер­го­снаб­же­ние отд. го­ро­дов и по­сёл­ков (напр., ми­ни-ГЭС мощ­но­стью 1000 кВт мо­жет вы­ра­ба­ты­вать 6000 МВт·ч/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 гид­ро­элек­трич. ус­та­но­вок мощ­но­стью в неск. со­тен ватт бы­ли со­ору­же­ны в 1876–81 в Штан­гас­се и Лау­фе­не (Гер­ма­ния) и в Грей­сай­де (Анг­лия). Раз­ви­тие ГЭС и их пром. ис­поль­зо­ва­ние тес­но свя­за­но с про­бле­мой пе­ре­да­чи элек­тро­энер­гии на рас­стоя­ние: как пра­ви­ло, мес­та, наи­бо­лее удоб­ные для со­ору­же­ния ГЭС, уда­ле­ны от осн. 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 Ме­ж­ду­нар. элек­тро­тех­нич. вы­став­ки (1891) от­кры­ло ши­ро­кие воз­мож­но­сти для раз­ви­тия ГЭС.

Пер­вен­цем гид­ро­энер­ге­ти­ки в Рос­сии сле­ду­ет счи­тать стан­цию на Руд­ном Ал­тае, по­стро­ен­ную в 1892. Эта че­ты­рёх­тур­бин­ная ГЭС (мощ­ность 0,15 МВт) бы­ла соз­да­на под рук. гор­но­го инж. Н. И. Кок­ша­ро­ва для шахт­но­го во­до­отли­ва Зы­ря­нов­ско­го руд­ни­ка на р. Бе­рё­зов­ка (ны­не г. Зы­ря­новск, Ка­зах­стан). В Ев­роп. час­ти Рос­сии пер­вая пром. ГЭС мощ­но­стью 0,26 МВт по­строе­на в 1896 на р. Ох­та близ С.-Пе­тер­бур­га под рук. ин­же­не­ров В. Н. Чи­ко­ле­ва и Р. Э. Клас­со­на. Она снаб­жа­ла элек­тро­энер­ги­ей Ох­тин­ский по­ро­хо­вой за­вод. В 1898 на Лен­ских при­ис­ках (р. 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 за­кон­чи­лось строи­тель­ст­во круп­ней­шей в до­ре­во­люц. Рос­сии Гин­ду­куш­ской ГЭС на р. Мур­габ (Турк­ме­ния) мощ­но­стью 1,35 МВт. В пе­ри­од 1905–17 всту­пи­ли в строй Сат­кин­ская, Ала­вер­дин­ская, Ка­ра­куль­тук­ская, Тур­гу­сун­ская, Се­ст­ро­рец­кая и др. ГЭС не­боль­шой мощ­но­сти.

Ста­нов­ле­ние элек­тро­энер­ге­ти­ки СССР (Рос­сии) свя­за­но с ГОЭЛРО пла­ном. Сов. Со­юз впер­вые в ми­ре на­чал стро­ить круп­ные гид­ро­уз­лы на мяг­ких ос­но­ва­ни­ях. В СССР (Рос­сии) бы­ли по­строе­ны пло­ти­ны но­вых ти­пов, чрез­вы­чай­но вы­со­кие, а в отд. слу­ча­ях – ре­корд­ные по вы­со­те в ми­ро­вой прак­ти­ке: ароч­ные – Ин­гур­ская (выс. 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-х гг. про­дол­жа­лось строи­тель­ст­во круп­ных гид­ро­уз­лов с вы­со­ки­ми пло­ти­на­ми в вы­со­ко­сейс­мич­ных рай­онах (Ток­то­гуль­ский в зо­не св. 9 бал­лов и ряд др.).

Архив Н. В. Надыкто Саяно-Шушенская ГЭС. Архив Н. В. Надыкто Машинный зал Саяно-Шушенской ГЭС.

В РФ 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 по­сле­до­ват. 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 вост. рай­онов стра­ны фор­ми­ру­ют­ся пром. ком­плек­сы, спе­циа­ли­зи­рую­щие­ся на энер­го­ём­ких про­из­вод­ст­вах. Наи­бо­лее эф­фек­тив­ные по тех­ни­ко-эко­но­мич. 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 тыс. МВт, 2006).

ГЭС и окружающая среда

Про­цесс про­из-ва элек­тро­энер­гии на ГЭС, в от­ли­чие от ТЭС и АЭС, эко­ло­ги­че­ски без­вре­ден. При нор­маль­ной ра­бо­те ГЭС к.-л. вред­ные вы­бро­сы в ок­ру­жаю­щую сре­ду от­сут­ст­ву­ют. Боль­шин­ст­во ГЭС Рос­сии рас­по­ла­га­ет­ся в Ев­роп. час­ти стра­ны, ко­то­рая ха­рак­те­ри­зу­ет­ся рав­нин­ной ме­ст­но­стью. Соз­да­ние во­до­хра­ни­лищ для экс­плуа­та­ции ГЭС вле­чёт за со­бой из­ме­не­ние при­род­ных ус­ло­вий. Влия­ние ис­кусств. 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 хо­зяйств. обо­ро­та, подъ­ё­му грун­то­вых вод и, как след­ст­вие, к из­ме­не­нию тем­пе­ра­тур­но­го ре­жи­ма во­ды, за­бо­ла­чи­ва­нию и свя­зан­но­му с этим ухуд­ше­нию са­ни­тар­но-эпи­де­мио­ло­гич. ус­ло­вий ме­ст­но­сти. Из-за уве­ли­че­ния зер­ка­ла вод­ной по­верх­но­сти рез­ко воз­рас­та­ют по­те­ри во­ды на ис­па­ре­ние. Ле­том и осе­нью темп-ра 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 темп-ры в те­че­ние су­ток. Уве­ли­че­ние дав­ле­ния на дно ре­ки мо­жет при­вес­ти к соз­да­нию ус­ло­вий для по­вы­ше­ния сейс­мич. 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 пром. и бы­то­вых сто­ков в ре­ку). Это прак­ти­че­ски на­все­гда вы­во­дит тер­ри­то­рию из даль­ней­ше­го ис­поль­зо­ва­ния, да­же в слу­чае спус­ка во­до­хра­ни­ли­ща. Ли­к­ви­да­ция во­до­хра­ни­лищ по­тре­бу­ет до­пол­нит. строи­тель­ст­ва же­лез­ных и шос­сей­ных до­рог и за­труд­не­на так­же тем, что совр. су­да при­спо­соб­ле­ны к бóльшим глу­би­нам, чем в ре­ках с не­за­ре­гу­ли­ро­ван­ным сто­ком, и за­ме­на их на су­да с мень­шей осад­кой по­тре­бу­ет зна­чит. 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 сейс­мич. не­ста­биль­но­сти этих рай­онов. Зем­ле­тря­се­ния при­во­дят к ог­ром­ным жерт­вам; так, в 1963 при про­ры­ве пло­ти­ны ГРЭС в Вай­о­не (Ита­лия) по­гиб­ло бо­лее 2 тыс. чел., а в 1979 в шта­те Гуд­жа­рат (Ин­дия) при про­ры­ве пло­ти­ны на ГЭС «Мор­ви-Ма­чу» – бо­лее 15 тыс. че­ло­век.

Эко­ло­гич. 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 тра­диц. ис­точ­ни­ки, а 1 кВт·ч элек­трич. энер­гии, про­из­ве­дён­ный ма­лы­ми ГЭС, в 300 раз чи­ще, чем при сжи­га­нии бу­ро­го уг­ля. См. так­же Гид­ро­энер­ге­ти­ка.

Принцип действия ГЭС. Основные сооружения и оборудование гидроэлектростанций

Гидроэлектростанция ? это комплекс сооружений и оборудования, посредством которых энергия потока воды преобразуется в электрическую энергию.

Гидроэлектростанции являются составной частью гидроузла — комплекса гидротехнических сооружений, предназначенных для использования водных ресурсов в интересах народного хозяйства: получения электрической энергии, ирригации, водоснабжения, улучшения условий судоходства, защиты от наводнений, рыбоводства и др.

Мощность гидравлического потока зависит от расхода и напора. Скорость потока воды в реке изменяется по ее длине с изменением сечения русла и гидравлического уклона. Для концентрации мощности и сосредоточения напора реки в каком-либо одном месте возводят гидротехнические сооружения: плотину, деривационный канал.

Плотина, перегородив реку, образует водохранилище, достигающее иногда таких больших размеров, что его называют морем. Таковы, например, Волгоградское, Цимлянское море, простирающиеся более чем на 100 км. Поверхность воды перед плотиной называется верхним бьефом, а за плотиной — нижним бьефом.

Водосбросные сооружения перепускают воду из верхнего бьефа в нижний во избежание превышения максимального расчетного уровня воды в период паводка, сбрасывает лед, шугу и т.п.

Если река судоходна, то к плотине примыкают шлюзы (судоподъемники) с подходными каналами для пропуска судов и плотов через гидроузел, перевалки грузов и пересадки пассажиров с водного на сухопутный транспорт и пр.

Для обеспечения отбора и подачи воды неэнергетическим потребителям в состав гидроузла входят водоприемные сооружения и насосные станции.

Рыбохозяйственные сооружения — это рыбоходы и рыбоподъемники для пропуска через гидроузел ценных пород рыб к местам постоянных нерестилищ, рыбозащитные сооружения и сооружения для искусственного рыборазведения. Иногда рыбу пропускают через шлюзы в процессе шлюзования судов.

Для связи объектов гидроузла между собой, соединения их с сетью государственных автомобильных и железных дорог, а также для пропуска этих дорог через сооружения гидроузла строят транспортные сооружения: мосты, дороги и др.

Для выработки электроэнергии и ее распределения потребителям в состав гидроузла входят различные энергетические сооружения. К ним относятся: водоприемные устройства и водоводы, подводящие воду из верхнего бьефа к турбинам и отводящие воду в нижний бьеф; здание гидроэлектростанций с гидротурбинами, гидрогенераторами и трансформаторами; вспомогательное механическое и подъемно — транспортное оборудование; пульт управления; открытые распределительные устройства, предназначенные для приема и распределения энергии.

Принцип действия ГЭС заключается в следующем: плотина образует водохранилище, обеспечивая постоянный напор воды. Вода входит в водоприемник и, пройдя по напорному водоводу, вращает гидротурбину, которая приводит в действие гидрогенератор. Выходное напряжение гидрогенераторов повышается трансформаторами для передачи на распределительные подстанции и затем потребителям.

Напор создаётся концентрацией падения реки на используемом участке плотиной, либо деривацией, либо плотиной и деривацией совместно. Деривацией в гидротехнике называют совокупность сооружений, осуществляющих отвод воды из реки, водохранилища или другого водоёма, транспортировку её к станционному узлу ГЭС, насосной станции, а также отвод воды от них. Различают деривацию безнапорную и напорную. Напорная деривация — трубопровод, напорный туннель, применяется, когда колебания уровня воды в месте её забора или отвода значительны. При малых колебаниях уровня может применяться как напорная, так и безнапорная деривация. Тип деривации выбирается с учётом природных условий района на основании технико-экономического расчёта. Протяжённость современных деривационных водоводов достигает нескольких десятков километров, пропускная способность более 2000 м3/сек. Основное энергетическое оборудование размещается в здании ГЭС: в машинном зале электростанции — гидроагрегаты, вспомогательное оборудование, устройства автоматического управления и контроля; в центральном посту управления пульт оператора-диспетчера или автооператор гидроэлектростанции. Повышающая трансформаторная подстанция размещается как внутри здания ГЭС, так и в отдельных зданиях или на открытых площадках. Распределительные устройства зачастую располагаются на открытой площадке. Здание может быть разделено на секции с одним или несколькими агрегатами и вспомогательным оборудованием, отделённые от смежных частей здания. При здании ГЭС или внутри него создаётся монтажная площадка для сборки и ремонта различного оборудования и для вспомогательных операций по обслуживанию. По установленной мощности различают мощные (свыше 250 МВт), средние (до 25 МВт) и малые (до 5 МВт). Мощность ГЭС зависит от напора (разности уровней верхнего и нижнего расхода воды Q (м3/сек)), используемого в гидротурбинах, и КПД гидроагрегата.

По максимально используемому напору ГЭС делятся на высоконапорные (более 60 м), средненапорные (от 25 до 60 м) и низконапорные (от 3 до 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.

Одними из самых важных составляющих ГЭС считаются гидрогенераторы и гидротурбины.

Гидротурбины.

Гидравлическая турбина преобразует энергию воды, текущей под напором, в механическую энергию вращения вала.

По принципу действия гидротурбины делят на реактивные (напороструйные) и активные (свободноструйные). Вода к рабочему колесу поступает либо через сопла (в активных гидротурбинах), либо через направляющий аппарат (в реактивных гидротурбинах).

Наиболее распространённой разновидностью активной гидротурбины является ковшовая турбина. Ковшовые турбины конструктивно сильно отличаются от наиболее распространенных реактивных гидротурбин (радиально-осевых, поворотно-лопастных), у которых рабочее колесо находится в потоке воды. В ковшовых турбинах вода подается через сопла по касательной к окружности, проходящей через середину ковша. Вода, проходя через сопло, формирует струю, летящую с большой скоростью и ударяющую о лопатку турбины, после чего колесо проворачивается, совершая работу. После отклонения одной лопатки под струю подставляется другая. Процесс использования энергии струи происходит при атмосферном давлении, а производство энергии осуществляется только за счет кинетической энергии воды. Лопатки турбины имеют двояковогнутую форму с острым лезвием посередине; задача лезвия — разделять струю воды с целью лучшего использования энергии. Ковшовые гидротурбины применяются при напорах более 200 метров (чаще всего 300-500 метров и более), при расходах до 100 м³/сек. Мощность наиболее крупных ковшовых турбин может достигать 200-250 МВт и более. При напорах до 700 метров ковшовые турбины конкурируют с радиально-осевыми, при больших напорах их использование безальтернативно. Как правило, ГЭС с ковшовыми турбинами построены по деривационной схеме, поскольку получить столь значительные напоры при помощи плотины проблематично. Преимуществами ковшовых турбин является возможность использования очень больших напоров, а также небольших расходов воды. Недостатки турбины — неэффективность при небольших напорах, невозможность использования как насоса, высокие требования к качеству подаваемой воды.

Радиально-осевая турбина (турбина Френсиса) — реактивная турбина. В рабочем колесе турбин данного типа поток сначала движется радиально (от периферии к центру), а затем в осевом направлении (на выход). Применяют при напорах до 600 м. Мощность до 640 МВт.

Основным преимуществом турбин данного типа является самый высокий оптимальный КПД из всех существующих типов. Недостаток — менее пологая рабочая характеристика, чем у поворотно-лопастной гидротурбины.

Поворотно-лопастная турбина (турбина Каплана) — реактивная турбина, лопасти которой могут поворачиваться вокруг своей оси одновременно, за счёт чего регулируется её мощность. Также мощность может регулироваться с помощью лопаток направляющего устройства. Лопасти гидротурбины могут быть расположены как перпендикулярно её оси, так и под углом. Поток воды в поворотно-лопастной турбине движется вдоль её оси. Ось турбины может располагаться как вертикально, так и горизонтально. При вертикальном расположении оси поток перед поступлением в рабочую камеру турбины закручивается в спиральной камере, а затем спрямляется с помощью обтекателя. Это необходимо для равномерной подачи воды на лопасти турбины, а значит, уменьшения её износа. Применяется в основном на средненапорных ГЭС.

Диагональная турбина— реактивная турбина, используемая на средних и высоких напорах. Диагональная турбина представляет собой поворотно-лопастную турбину, лопасти которой расположены под острым (45-60°) углом к оси вращения турбины. Такое расположение лопастей позволяет увеличить их количество (до 10-12 штук) и применять турбину на более высоких напорах. Диагональные турбины применяются на напорах от 30 до 200 метров, конкурируя на низких напорах с классическими поворотно-лопастными турбинами, а на высоких — с радиально-осевыми турбинами. По сравнению с последними, диагональные турбины имеют несколько более высокий КПД, но конструктивно более сложны и более подвержены износу.

Гидрогенератор — электрическая машина, предназначенная для выработки электроэнергии на гидроэлектростанции. Обычно гидрогенератор представляет собой синхронную явнополюсную электрическую машину вертикального исполнения, приводимую во вращение от гидротурбины, хотя существуют и гидрогенераторы горизонтального исполнения (в том числе капсульные гидрогенераторы).

Гидрогенераторы имеют сравнительно малую частоту вращения (до 500 об/мин) и достаточно большой диаметр (до 20 м), чем в первую очередь определяется вертикальное исполнение большинства гидрогенераторов, так как при горизонтальном исполнении становится невозможным обеспечение необходимой механической прочности и жесткости элементов их конструкции.

Гидрогенераторы состоят из следующих основных частей: статор, ротор, верхняя крестовина, нижняя крестовина, подпятник (упорный подшипник, который воспринимает вертикальную нагрузку от вращающихся частей гидрогенератора и гидротурбины), направляющие подшипники. По особенностям конструкции подразделяются на подвесные и зонтичные. У подвесных подпятник располагается над ротором в верхней крестовине, у зонтичных подпятник располагается под ротором в нижней крестовине или опирается на крышку турбины (в этом случае нижняя крестовина у гидрогенератора отсутствует).

На гидроаккумулирующих электростанциях используются обратимые гидрогенераторы (гидрогенераторы-двигатели), которые могут как вырабатывать электрическую энергию, так и потреблять ее. От обычных гидрогенераторов они отличаются особой конструкцией подпятника, позволяющей ротору вращаться в обе стороны.

Гидрогенераторы для ГЭС специально проектируются соответственно частоте вращения и мощностью гидротурбин, для которых они предназначаются. Гидрогенераторы на большую единичную мощность обычно устанавливают вертикально на подпятниках с соответствующими направляющими подшипниками. Они, как правило, трехфазные и рассчитаны на стандартную частоту. Система воздушного охлаждения — замкнутая, с теплообменниками воздух — вода.

Большое будущее малых ГЭС

Одно из наиболее перспективных направлений в развитии нетрадиционной энергетики в России — освоение энергии небольших водотоков с помощью микро- и мини-ГЭС. Это связано, прежде всего, со сравнительной простотой их строительства и эксплуатации, а также с большим энергетическим потенциалом малых рек.

К малой гидроэнергетике принято относить гидроэнергетические объекты разного типа с установленной мощностью менее 25 МВт, в том числе совсем небольшие — микроГЭС мощностью от 3 до 100 кВт. Использование гидроэлектростанций таких мощностей для нашей страны — далеко не новое явление: в 1950-1960-х гг. в СССР действовало более шести тысяч подобных станции. Сегодня же в России их насчитывается всего несколько сотен, что явно меньше наших возможностей и потребностей.

Принципиально важно отметить, что в малой гидроэнергетике нет необходимости строить крупные гидротехнические сооружения и затапливать большие территории водохранилищами. Маленькая станция может быть установлена практически на любой реке или даже ручье, что особенно актуально для России, где зоны децентрализованного энергоснабжения охватывают более 70% территории страны, на которой проживают около 20 млн человек. Мини-ГЭС может применяться для энергоснабжения дачных посёлков, фермерских хозяйств, хуторов, а также небольших производств в труднодоступных районах — там, где строить и содержать электрические сети невыгодно.

Основные ресурсы малой гидроэнергетики России сосредоточены в горных районах республик Северного Кавказа, в Ставропольском и Краснодарском краях, на Среднем Урале, в Южной Сибири, Прибайкалье и на Дальнем Востоке.

Конструкция типовой малой ГЭС базируется на гидроагрегате, который включает в себя турбину, водозаборное устройство и элементы управления. В зависимости от того, какие гидроресурсы задействованы малыми гидростанциями, их делят на несколько категорий:

русловые или приплотинные с небольшими искусственными водохранилищами; основанные на существующих перепадах уровней воды; использующие энергию свободного течения рек.

По величине напора выделяют низконапорные (Н 75 м) малые гидроэлектростанции.

Как и на крупных станциях, на малых ГЭС, используются пропеллерные, радиально-осевые и ковшовые турбины (более подробно о них см. «Энерговектор» № 5/2014 г.) соответствующих размеров и модификаций. Чаще применяются пропеллерные турбины и турбины Френсиса.

Мини-ГЭС устраивают непосредственно в потоке воды или на небольших водохранилищах, которые не могут обеспечить достаточного регулирования стока. Отсюда одна из основных проблем эксплуатации малых ГЭС — непостоянный расход воды. В период зимней и летней межени сток реки минимален, тогда как во время весеннего половодья объём воды может быть достаточно большим. По этой причине турбины, используемые на мини-ГЭС, должны быть способны работать как при минимальном, так и при максимальном стоке с наибольшей производительностью.

Таким свойством обладают, например, радиальные двухкамерные проточные турбины системы Ossberger производства одноимённой немецкой компании. Стандартное соотношение размеров камер — 1:2. Малая камера предназначена для низких расходов, большая камера открывается при средних расходах (при этом малая камера закрывается). Обе камеры работают при полном расходе. В результате поток воды величиной 12-100% от расчётного максимума используется с наибольшей эффективностью (КПД более 80%), причём турбина запускается при расходе всего 6%.

Существует множество типов конструкций малых ГЭС, проектируемых с учётом различных условий применения. Конечно, охватить их все в этой статье не удастся, поэтому остановимся на некоторых оригинальных разработках.

Гирлянды и рукава

Советский инженер Б. С. Блинов изобрёл и в 1950-1960-х годах впервые применил гирляндные ГЭС для малых рек и рукавные ГЭС для малых рек и ручьёв с дебитом воды более 50 л/с. Гирляндная мини-ГЭС состоит из лёгких турбин — гидровингроторов, нанизанных в виде гирлянды на трос, который переброшен через реку. Один конец троса закреплён за ось в опорном подшипнике, второй — за ротор генератора. Трос в этом случае играет роль своеобразного вала, вращение которого передаётся к генератору. Одна гирлянда турбин (энергоблок) обеспечивает мощность от нескольких десятков ватт до 5-15 кВт. Такие энергоблоки можно объединять, заставляя их работать на общую нагрузку и повышая тем самым мощность гидростанции.

Для устройства рукавной микроГЭС на реке или ручье строится небольшая плотина, к отверстию в которой прикрепляется труба-шланг, уложенная вниз по склону вдоль водотока до электрогенератора. Перепад высот от плотины до генератора должен быть не менее 4-5 м. Вход в «рукав» располагают так, чтобы захватить среднюю, самую быструю, часть течения реки, и воду по сужающемуся каналу подводят к турбинам. Установленная мощность такой станции может варьироваться от 1 до 100 кВт. В 70-х годах прошлого века гидроагрегаты для рукавных микроГЭС выпускались серийно на предприятиях сельхозмашиностроения.

Интересную конструкцию для малых ГЭС в 2003 г. запатентовал изобретатель из Австрии Франц Цотлётерер. Он назвал свой проект «Технический водоворот», а мини-ГЭС — «Водоворотно-гравитационной станцией».

При строительстве станции Цотлётерера часть воды из водотока отводится в бетонный канал, проложенный вдоль береговой линии. Канал завершается бетонным цилиндром, внизу которого выполнено выпускное отверстие с жёлобом-отводом. Вода поступает в цилиндр по касательной и, подчиняясь силе гравитации, стремится вниз, закручиваясь по спирали. В центре находится турбина, её то и раскручивает водоворот (средняя скорость вращения турбины — 30 об./мин.). На водоворотной мини-ГЭС, построенной на ручье с перепадом высоты в 1,3 м и работающей при расходе воды 0,9 м3/с, мощность достигает 9,5 кВт, выработка за год — порядка 35000 кВт/ч. В такой мини-ГЭС КПД доходит до 74%.

Водоворотно-гравитационная ГЭС отличается от станций других видов особенно бережным отношением к биоресурсам реки: скорость вращения турбины всегда остаётся достаточно низкой, и для рыбы лопасти рабочего колеса турбины не представляют опасности. К тому же лопасти воду не рассекают, а поворачиваются вместе с потоком. Ещё один экологический плюс этого проекта — хорошая аэрация воды и перемешивание в водовороте разного рода загрязнителей. Всё это способствует более интенсивной жизнедеятельности микроорганизмов, которые естественным образом очищают воду.

В 2008 г. компания Bourne Energy (Калифорния) разработала генераторные установки RiverStar («Речная звезда») для устройства мини-ГЭС на небольших реках. RiverStar представляет собой капсулу с поплавком для фиксации ротора на требуемой глубине, ориентируемым глубинным стабилизатором, крыльчаткой, генератором с блоком преобразователя напряжения.

Модули RiverStar удерживаются на месте стальными тросами, натянутыми под водой поперёк течения реки, поэтому они не нуждаются в установке плотин, якорей и проведении каких-либо дополнительных работ на речном дне. Параллельно тросам на берег выходят кабели, по которым, собственно, и идёт электроэнергия. Мощность одного модуля при скорости течения реки 7,4 км/ч составляет 50 кВт. Генераторные установки RiverStar можно устанавливать блоками по несколько штук для увеличения мощности.

В середине прошлого века британский изобретатель Элвин Смит предложил оригинальную конструкцию волновой малой гидроаккумулирующей электростанции. В основе установки — два поплавка, способных двигаться друг относительно друга. Верхний раскачивается волнами, нижний соединён с морским дном с помощью цепи и якоря. Предусмотрена автоматическая подстройка высоты положения верхнего поплавка в зависимости от уровня моря, который постоянно меняется из-за приливов и отливов, с помощью телескопической трубы, раздвигающейся и складывающейся под действием сил Архимеда и тяжести. Между поплавками находится «насосная станция» (цилиндр с поршнем двойного действия, который качает воду при движении вниз и вверх). Она подаёт воду на сушу, в горы. В горах устраивают бассейн, в котором вода накапливается и в часы пиковых нагрузок выпускается обратно в море, по пути вращая водяную турбину.

Установка способна поднимать морскую воду на высоту до 200 м и вырабатывать мощность 0,25 МВт.

Природные условия в России весьма благоприятны для развития малой гидроэнергетики, а при современном уровне доступности информации и всевозможных материалов умельцы могут сделать мини-ГЭС даже своими руками, была бы подходящая река или ручей. Поэтому у малых ГЭС как альтернативных источников энергии, есть все шансы вновь широко распространиться в нашей стране.

Несколько фактов о ГЭС, которые вас удивят

На первый взгляд, гидроэлектростанция штука довольно простая — льётся вода, крутится генератор, вырабатывается электричество. На самом деле современная ГЭС — система с очень сложным оборудованием и тысячами датчиков, управляемая компьютерами.

Сегодня я расскажу о том, что мало кто из обычных людей знает о ГЭС.

Сейчас я нахожусь на стройплощадке Усть-Среднеканской ГЭС, которая расположена в 400 километрах от Магадана. Подробно о ГЭС и строительстве я ещё расскажу, а сегодня несколько любопытных фактов.

1. ГЭС — возможно единственный крупный инженерный объект, который начинает эксплуатироваться задолго до окончания строительства. На Усть-Среднеканской ГЭС ещё не до конца возведена плотина, не до конца построен машинный зал, а первые два гидроагрегата из четырёх уже вырабатывают электричество.

2. Пока ГЭС строится, в её гидроагрегатах работают временные рабочие колёса, рассчитанные на малый напор воды. Когда плотина будет достроена, напор воды повысится и временные колёса заменят постоянными для высокого напора с другой формой лопастей.

3. Несмотря на то, что строительство ГЭС очень дорогое удовольствие, многие ГЭС окупаются ещё до того, как их достраивают до конца. Кстати, Усть-Среднеканская ГЭС продаёт электричество по 1.10 руб за кВтч.

4. Перед тем, как попасть на турбину ГЭС, вода закручивается с помощью огромной стальной улитки — спиральной камеры. Сейчас на Усть-Среднеканской ГЭС как раз заканчивается монтаж спиральной камеры третьего энергоагрегата и мне удалось увидеть и сфотографировать её. Когда энергоагрегат будет достроен, гигантская улитка окажется в толще бетона.

Чтобы осознать размеры конструкции, обратите внимание на рабочих, занимающихся монтажом спиральной камеры.

5. Рабочее колесо гидроагрегата всегда крутится с одинаковой скоростью, обеспечивая стабильную частоту 50 герц. Для меня всегда было загадкой, как поддерживается стабильная скорость вращения. Оказалось, просто с помощью изменения потока воды. Лопатки, управляемые компьютером, постоянно находятся в движении, уменьшая и увеличивая поток воды. Задача системы добиться точной скорости вращения независимо от усилия, с которым крутится вал генератора (а оно зависит от вырабатываемой мощности).

6. Напряжение, выдаваемое генератором, регулируется с помощью изменения напряжения возбуждения. Это постоянное напряжение, которое подаётся на электромагнит ротора. При этом напряжение, которое генерируется обмоткой статора зависит от силы магнитного поля. На фото у меня над головой вращается многотонный ротор.

7. Генератор ГЭС вырабатывает напряжение 15.75 кВ. На Усть-Среднеканской ГЭС установлены генераторы, имеющие номинальную мощность 142.5 МВт (142500000 Вт) и ток в проводах, отводящих выработанное электричество от генератора, может достигать 6150 А. Поэтому эти провода, а точнее шины, имеют огромное сечение и заключены вот в такие трубы.

Любая коммутация при таких токах превращается в большую проблему. Вот так выглядит простой выключатель. Конечно, на токе в шесть тысяч ампер и напряжении пятнадцать тысяч вольт он становится совсем непростым.

8. Повышающие трансформаторы обычно стоят на улице за машинным залом ГЭС (для передачи потребителям напряжение, полученное с генераторов, повышается чаще всего до 220 кВ).

9. По проводам линий электропередач передаётся не только электроэнергия на частоте 50 Гц, но и информационные сигналы на высокой частоте. С помощью них, например, можно с высокой точностью определить место аварии на ЛЭП. На электростанциях и подстанциях ставятся специальные фильтры высокочастотного сигнала. Наверняка, вы такие штуки видели, но вряд ли знали, для чего они.

10. Вся коммутация на высоких напряжениях происходит в среде элегаза (фторид серы, имеющий очень низкую электропроводность), поэтому провода выглядят, как трубы и электрика больше напоминает сантехнику. 🙂

p.s. Спасибо сотрудникам Усть-Среднеканской ГЭС Илье Горбунову и Вячеславу Сладкевичу (он на фото) за подробные ответы на мои многочисленные вопросы, а так же компании Русгидро за возможность своими глазами посмотреть на строительство и работу такого грандиозного сооружения.

© 2016, Алексей Надёжин

Основная тема моего блога — техника в жизни человека. Я пишу обзоры, делюсь опытом, рассказываю о всяких интересных штуках. А ещё я делаю репортажи из интересных мест и рассказываю об интересных событиях. Добавьте меня в друзья здесь. Запомните короткие адреса моего блога: Блог1.рф и Blog1rf.ru.

Второй мой проект — lamptest.ru. Я тестирую светодиодные лампы и помогаю разобраться, какие из них хорошие, а какие не очень.

Метки: ГЭС, Интересное, Русгидро

Гидрогенератор – строение, особенности и самостоятельная сборка

Гидрогенератор на одной из кубанских ГЭС

Все мы приблизительно представляем, что для промышленной выработки электрической энергии люди используют атомные, ветровые и гидроэлектростанции. За исключением первого варианта, практически каждый может установить такие генераторы у себя дома, и пользоваться практически бесплатной энергией, естественно, при соблюдении определенных условий. Например, чтобы поставить у себя ветряк, необходимо проживать в достаточно ветреном районе, где средняя скорость ветра будет составлять 5-6 м/с, соответственно, для водяной установки требуется наличие реки.

Гидрогенераторы имеют неоспоримое преимущество перед ветряными аналогами – их работа не зависит от условий погоды, речной поток практически не меняет скорости, что в значительной мере упрощает конструкцию агрегата. Сегодня мы поговорим с вами про устройство гидрогенератора, расскажем много интересного про их параметры и характеристики, а также попробуем собрать такое устройство своими руками.

Строение гидрогенераторов и их типы

Горизонтальный гидрогенератор (Ленинградский электромеханический завод)

Состоит гидрогенератор их двух частей: гидравлической машины (турбины, обратимой гидромашины или насоса) и электрической машины (генератор, двигатель, двигатель-генератор) – результате гидроагрегаты можно подразделять на турбинные, обратимые или насосные.

Строение гидрогенераторов разных типов

• Две указанные части машины обычно имеют жесткое механическое соединение деталей, отчего скорость вращения двух элементов является одинаковой.
• В некоторых случаях, например, для уменьшения размеров гидромашины, соединение валов турбины и гидрогенератора (при небольшой мощности всей системы) выполняется через специальные устройства, которые могут повысить либо, наоборот, понизить частоту вращения ведомого устройства, то есть генератора. В первом случае применяется мультипликатор, а во втором – редуктор.

Интересно знать! Эффективно применяется мультипликатор в капсульных гидрогенераторах на ГЭС, позволяя снизить диаметры статора и капсулы. Для аналогичных целей применяются редукторы, но уже в капсульных наносных станциях.

Строение капсульного гидроагрегата киевской ГЭС

• Если агрегат является обратимым, то применяемое в нем передаточное устройство называется мультипликатором-редуктором.

Конструкции гидрогенераторов

Массивная турбина гидрогенератора

Итак, на гидроэлектростанциях в основном устанавливают трехфазные генераторы синхронного типа. Иногда ставят и гидрогенераторы асинхронные, но они, несмотря на большую надежность не столь эффективны

• Все гидрогенераторы можно разделить на три типа по расположению оси вращения – бывают вертикальные агрегаты, горизонтальные и наклонные.
• Вертикальные гидрогенераторы малой мощности обычно устанавливаются на низконапорных (до 100 об/мин) и средненапорных (от 100 до 200 об/мин) ГЭС. Также эта конструкция может применяться и в качестве быстроходной (свыше 200 об/мин).

Гидрогенераторы для малых ГЭС: схемы генераторов подвесного и зонтичного типа

• В вертикальных агрегатах может быть установлен подвесной или зонтичный тип генератора. Первый тип применяется при изготовлении устройств с вращением свыше 150 оборотов в минуту, а второй – ниже.
• Горизонтальные гидрогенераторы, которые размещаются в капсуле, омываются водой от прямоосного проточного тракта турбины. Поэтому они и называются капсульными.

Генератор подвесного типа

Характеристики гидрогенератора Куйбышевской ГЭС

Давайте разберем строение вертикального гидрогенератора на примере подвесного типа. Для наглядности прилагаем следующую схему.

Схематическое строение подвесного гидрогенератора

• Итак, как мы знаем, основной вращающейся частью любого генератора является ротор, который и представлен на схеме выше.
• На роторе закрепляются полюса с обмоткой постоянного тока. Ротор состоит из вала (19), на который насажена ступица (18), а также остова (16), и обода (13) с полюсами (12).
• Полюса ротора являются электромагнитами, которые, как и положено, состоят из металлического сердечника и токопроводящей обмотки.
• Полюса крепятся к ободу при помощи специальных хвостовиков, которые задвигаются в пазы на ободе и фиксируются при помощи клиньев.
• Сам обод состоит из штампованных элементов, сделанных из листовой стали, толщиной 4-5 миллиметров. Такая конструкция называется шихтованным ротором.
• Сердечники полюсов делаются похожим образом, только толщина стали составляет 1,5-2 миллиметра.

Шихтованный сердечник ротора

• Концы обмоток подводятся к контактным кольцам, через которые подключается питание для ротора, или другими словами – возбуждение. Иногда используется щеточный аппарат гидрогенератора, который, однако, менее надежен.
• Нижняя часть обода, с торца, оснащается тормозным кольцом (15), к которому при необходимости прижимаются тормозные колодки (14).
• Вал агрегата, при небольшом диаметре, изготавливается обычно цельнокованым, включая фланец (17). Если речь идет о более массивных конструкциях, то вал вместе с фланцем вытачиваются из отдельных поковок на заводе, после чего заготовки свариваются в одно целое.
• Вал обычно изготавливается полым. Данная особенность помогает осуществлять контроль за качеством сварки на этапе производства, а при введении в строй в отверстии располагают маслопроводы от системы, предназначенной для разворота лопастей (поворотно-лопастные гидротурбины).
• Через отверстие в валу также подается воздух под колесо жестколопастной гидротурбины, что позволяет уменьшить пульсации от давления в потоке.

Пассивная часть гидрогенератора – статор

• Вторая часть гидрогенератора, принимающая участие в непосредственной выработке тока – это статор. Данный элемент является пассивным, то есть не вращается, в отличие от того же ротора.
• Для гидрогенераторов ГЭС, из-за условий транспортировки, изготавливается разборным – из 2-6 частей, которые соединяются фланцами и болтами.
• Статор располагается внутри кожуха (7). Состоит он также из сердечника (10) и обмотки переменного тока (11) – в принципе обмотки переменного и постоянного токов только и отличаются тем, какой ток по ним протекает, то есть строение у них одинаковое.
• Статор помещается в прочный металлический корпус (9), дающий агрегату устойчивость и защищающий от внешних механических повреждений.
• Обмотка у статора бывает катушечной или стержневой. Все катушки соединяются в определенной последовательности, создавая фазы обмотки статора, коих, как помним, три штуки.
• Сердечник, с целью снижения индукционных потерь изготавливается из специальной электротехнической стали, высоколегированной, холоднокатаной. Он также является шихтованным и изготавливается из элементов толщиной 0,5 миллиметров. Данный элемент имеет определенный профиль, позволяющий удобно укладывать провода обмотки – конструкция также предусматривает наличие вентиляционных каналов, используемых для охлаждения установки.

• Корпус, в котором закреплен статор, монтируется на массивное бетонное основание через болтовые соединения.
• Ротор стоит на опорных конструкциях, которые состоят из подшипников, распорных домкратов и крестовин.

Интересно знать! Упорный подшипник называется подпятником.

Как видите, строение этой огромной машины ничем не отличается от любого другого компактного генератора, например, автомобильного. При вращении ротора, запитанный электромагнит, который, как вы понимаете, тоже вращается, заставит двигаться вслед за собой магнитное поле.

Далее в действие вступает закон электромагнитной индукции – в проводнике, перемещающемся перпендикулярно направлению электромагнитного поля, будет образовываться электродвижущая сила (ЭДС), которая при подключении внешней цепи с нагрузкой станет электрическим током.

Напомним, что нет никакой разницы, двигается ли проводник относительно магнитного поля, или все происходит наоборот – ЭДС всегда вырабатывается. Проводником в случае любого генератора является обмотка статора, которая соединяется с трансформатором, задающим получаемому току нужные параметры.

Все это значит, что применить гидрогенератор в домашних условиях будет довольно просто, если суметь правильно изготовить гидротурбину, о чем мы поговорим в нашей статье дальше.

Типы гидрогенераторов непромышленного назначения

Итак, мы поняли, что гидрогенератор – это устройство способное преобразовывать энергию движения воды в электрическую. Применяются такие устройства в основном на ГЭС, однако и небольшие модели, вырабатывающие сотни киловатт не стали редкостью, особенно в регионах, не обедненных водными ресурсами.

Давайте посмотрим, какие типы таких устройств можно сегодня приобрести в магазине, или сделать самому.

Станция гирляндного типа

Поперек реки натягивается гибкий стальной трос, на который на манер гирлянды, вешается цепь из роторов (не путать с ротором генератора). Трос при этом играет роль вала вращения, один конец которого присоединен к валу генератора, а второй к свободно вращающемуся подшипнику качения.

• Такая конструкция очень эффективна и при условии, что скорость потока воды составляет 2,5 м/с, каждый гидроротор, способен передать до 2 кВт энергии.
• Данные агрегаты с успехом применялись еще в середине 20-го века, и часто изготавливались кустарными методами. Роль винтов могли выполнять обыкновенные консервные банки или пропеллеры.
• Сегодня можно приобрести готовые решения от заводов изготовителей, которые будут отличаться по условиям эксплуатации, эффективности, габаритам и прочему.
• Конструкция весьма проста, но применение ее на практике весьма затруднительно, в виду некоторых особенностей. Во-первых, «гирлянда» перегораживает речной поток, что может не понравиться вашим соседям или представителям органов по охране экологии и водных ресурсов. Во-вторых, если зимой река замерзает, агрегат становится бесполезным и его приходится демонтировать.

Совет! Гирляндные гидростанции возводятся преимущественно в безлюдных местах и на время, например, на летних пастбищах для скота, где энергию взять больше не откуда.

Гидрогенератор гирляндного типа погружной, рамный

Сегодня конструкция гирляндного гидрогенератора получила свое продолжение в виде погружных рамных устройств. Их преимущество в том, что они не преграждают все русло, плюс устройство можно расположить на дне водоема, где оно никому не будет мешать.

Такая станция способна вырабатывать до 9,3 МВт в месяц, что позволяет решать проблемы электрификации в населенных пунктах, удаленных от центральных магистралей.

Ротор Дарье

Если вы читали нашу предыдущую статью про вертикальные ветрогенераторы, то наверняка помните про конструкции роторов Дарье.

Ротор Дарье на ветрогенераторе

Данные устройства могут успешно применяться и в воде, правда, используют их в силу сложности эксплуатации в основном промышленные предприятия.

Такие роторы очень сложно раскрутить, ровно, как и остановить (происходит это только при замерзании реки). Сама конструкция обладает приличными показателями КПД.

Подводные пропеллеры

«Ветряк» под водой

Еще одна конструкция, сделанная по образу и подобию ветряного генератора, но теперь с вертикально расположенной осью – пропеллерный генератор. Ставятся они напротив потока, однако вращаются не за счет давящего напора воды, а по принципу возникновения подъемной силы, так же как это делает винт корабля или крыло самолета.

Водяное колесо, оснащенное лопастями

Самый старый из известных водяных двигателей

Конструкция водяного колеса известна человечеству еще со временен далекой античности, однако данный гидродвигатель применяется и сегодня, не потеряв ни капли актуальности. Эффективность данного двигателя целиком зависит от типа источника, на котором он установлен.

По этому критерию различают три типа:

• Нижнебойные или подливные – располагаются на мелководных реках так, что водяной поток толкает нижние лопасти.
• Среднебойные – конструкции, располагающиеся на реках с природными каскадами так, чтобы поток попадал приблизительно в центр вращающегося колеса.
• Верхнебойные или наливные – установить такую конструкцию можно под плотиной, высоким естественным порогом или трубой, чтобы поток воды падал на вершину колеса, заставляя его раскручиваться.

Несмотря на некоторые отличия, принцип работы всех вариантов одинаков – напор воды толкает лопасти, которые приводят в движение колесо, центральная ось которого соединена с валом. Далее подключается генератор – напрямую или через цепь передаточных устройств.

Наливное колесо под акведуком из металлической бочки

Именно эта конструкция используется чаще всего народными умельцами при изготовлении самодельных гидрогенераторов. Строение ее очень простое, что позволяет применять различные подручные материалы.

Промышленное производство водяные колеса тоже не забывает, и сегодня на рынке предлагаются очень эффективные модели, лопасти которых рассчитаны на работу при определенной скорости потока воды. Из чего можно сделать такое колесо, и как собирается сам генератор, мы разберем чуть позже.

Водный генератор в водопроводной трубе

А теперь несколько слов о последних достижениях мировой инженерной мысли.

Буквально каких-то 10 лет назад, американская компания Lucid Energy представила миру первые гидрогенераторы в водопроводе. Представители фирмы утверждают, что проблема энергоснабжения населения может быть частично решена за счет совершенно новой технологии, при которой гидрогенераторы приводятся в движение от водопровода. На фото выше показано строение подобного устройства.

• За основу был взят принцип деривационной гидроэлектростанции безнапорного типа. Вода приводит в движение лопасти ротора, который продолжает вращаться, оказывая потоку лишь небольшое сопротивление.
• Опробовать новинку было решено в американском городе Портленд штата Орегон. Компания принялась за установку в действующий водопровод с чистой питьевой водой мини турбин, располагающихся в специальных трубах.

Гидрогенераторы водопровода: процесс установки

• Самым главным преимуществом такой системы является ее абсолютная безопасность для окружающей среды. Получаемая электрическая энергия очень дешева, и включает в себя только стоимость установки оборудования и его дальнейшее периодическое обслуживание.
• При этом генераторы весьма эффективны, из-за того, что вода в трубах практически никогда не останавливается. Не повлияют на работу и такие внешние факторы, как капризы непогоды.

• Несколько таких устройств хватает, чтобы полноценно обеспечить электроэнергией муниципальное учреждение, например, школу.
• В частности, в названном городе, за счет водопроводных гидрогенераторов на испытуемом участке было реализовано бесперебойное освещение улиц города. Согласитесь, весомое достижение.
• Недостатки у системы все-таки есть, и заключаются они в ограниченности мест для установки. Имеется в виду, что подходят только те участки водопровода (с достаточным уклоном), где вода движется не за счет электронасосов, а самотеком, иначе эффективность установки будет небольшой.

Транспортировка водопроводного гидрогенератора

Проблемы с гидрогенераторами

Авария на Саяно-Шушенской ГЭС

Как и любое другое устройство механического типа, гидрогенераторы имеют привычку ломаться и выходить из строя. Некоторые поломки конструкции можно счесть несущественными, но все-таки важными, а некоторые могут привести к разрушительным последствиям – вспомним знаменитую аварию на Саяно-Шушенской ГЭС в 2009 году, когда погибло 75 человек, был нанесен серьезный удар по экологии и помещение электростанции сильно пострадало.

• Частой причиной поломок становится вибрация гидрогенератора. Данный эффект возникает из-за неуравновешенности роторов, несимметричного воздействия электромагнитных сил, нарушения шабровки или центровки подшипников, появления трещин в фундаментной плите, удерживающей корпус агрегата.

Подпятник для гидрогенератора

• Вибрация на гидрогенераторах может наблюдаться в результате температурной нестабильности, когда при нагреве обмоток, неравномерных потоках охлаждающих газов (воздуха), и межвиткового замыкания, бочка ротора начинает неравномерно греться. Далее наблюдается изменение упругой линии прогиба ротора, то есть он теряет баланс вращения.
• Вибрация гидрогенераторов может быть также вызвана недостаточной жесткостью корпуса и изменением линии прогиба консольных концов ротора в местах расположения контактных колец.
• Даже незначительные вибрации на высоких оборотах ротора создают вредные нагрузки на подшипники и на сам ротор. Если генератор продолжит работать в таком режиме, то со временем могут перетереться провода обмотки, из-за чего последует межвитковое замыкание на роторе или статоре, способное вызвать полный выход агрегата из строя.
• Как видите, даже небольшая нестабильность в работе, не устраненная вовремя, способна привести к серьезным проблемам. Все это одинаково справедливо и для компактных устройств — повреждения гидрогенераторов идентичны, хотя последствия куда менее разрушительны.
• Устранение всех неисправностей гидрогенераторов промышленного образца описывается стандартами организации его собравшей.
• Ремонт обмоток гидрогенераторов, а также его механических частей выполняется только обученным, высококвалифицированным персоналом.

Создание собственного гидрогенератора

Изготовление промышленного гидрогенератора

Итак, добрались до самого интересного. Далее будет дана инструкция, как своими руками смастерить устройство, которое поможет существенно сэкономить на электроэнергии.

Самодельный гидрогенератор в действии

Наша основная задача – смастерить водяное колесо, которое нужно через привод соединить с валом генератора. Сам генератор можно также изготовить самостоятельно, либо задействовать готовое устройство, которое при имеющихся оборотах будет выдавать необходимую мощность.

Строение электрической части гидрогенератора ничем не отличается от вертикального ветряка, что мы рассматривали в прошлой статье. Поэтому, если вам интересно, как самому сделать генератор (и ротор, и статор) обязательно ее прочитайте. Нас же сейчас больше интересует механическая часть, которая сильно зависит от мощности водяного потока.

Водяное колесо из влагостойкой фанеры, применяемой в судостроительстве

• Чтобы собрать водяное колесо, вам понадобятся два одинаковых диска, лопасти и ступицы, за счет которых и будет происходить вращение. В крайнем случае, возможна установка центральной оси в виде круглой трубы.
• Боковые диски и лопасти можно изготовить из влагостойкой фанеры, но лучше всего сразу собирать конструкцию из металла, так как прослужит она не в пример дольше, однако цена решения будет не на много выше.

Колесо из металла будет служить дольше

• Удерживаться колесо будет за счет рамы, надежности которой должно хватить на то, чтобы выдержать вес колеса и напор водяного потока.
• Материал тут тоже можно взять любой – в приоритете металл, но и дерево будет хорошим решением, если оно достаточно плотное, например, вы возьмете дуб или лиственницу.

• Если поток воды в речушке слабоват, то для обеспечения нужных оборотов генератора не обойтись без сопла. В данном случае в качестве этого элемента приспособлен поддон, который аккумулирует водный поток и тем самым его усиливает.

Сопло можно сделать закрытым

• Конструкция устанавливается в воду, и располагается в зависимости от того, как течет вода. Лучше всего будет турбина наливного типа, но неплохо покажет себя и среднебойный вариант.
• Рама хорошо укрепляется за счет всевозможных укосов и растяжек. Пока происходит установка, придется изрядно подмочиться.
• Центральная ось вращения дополняется приводом. Он может быть прямым (ротор расположен на той же оси), ременным (самый простой и недорогой в реализации), цепным, шестереночным.
• К приводу подключается электрическая установка, от которой провода идут к аккумуляторам.

• От аккумулятора уже могут запитываться различные электрические устройства. Например, можно напрямую подключить систему освещения, рассчитанную на работу при низких напряжениях. Также можно установить инвертор, который позволит преобразовывать постоянный ток в переменный, для использования домашней техники.

Совет! Если вы используете в агрегате генератор переменного тока, то вам потребуется дополнить цепь выпрямителем в виде диодного моста, который к аккумулятору уже будет подавать постоянный ток.

На этом закончим наш обзор. Мы разобрали характеристики гидрогенераторов нескольких типов, посмотрели, как эти устройства могут быть собраны самостоятельно и узнали много чего интересного.

Решение об установке такого устройства поможет принять видео в этой статье, рассказывающее и показывающее основные требования к монтажу таких устройств.

Источник