Гидроэлектростанция, принцип работы, конструкция и составляющие

Технические нюансы

ГЭС выходят на проектную мощность быстрее, чем другие электростанции. Вследствие того, что природный напор воды непостоянен, сооружения без компенсаторных механизмов выдают разную производительность. В качестве основной характеристики для гидроэлектростанций принято брать установленную мощность всех ее генераторов. В зависимости от этого различают:

• установленная мощность свыше 1000 МВт;
• от 100 до 1000 МВт;
• от 10 до 100 МВт;
• до 10 МВт.

По высоте напорного потока ГЭС делятся на:

• высоконапорные — свыше 60 м;
• средненапорные — от 25 м;
• низконапорные — от 3 до 25 м.

От силы потока зависит выбор типа турбины. В высоконапорных ГЭС используют ковшевую, не погружаемую конструкцию. Вода в нее подается сильной струей из сопел и толкает ковши. При более низком напоре применяют радиально-осевые или поворотно-лопастные аппараты. Они полностью погружены в емкость с водой, имеют различный наклон оси, строение и количество лопастей, за счет своей конструкции раскручиваются при потоке небольшой силы. Камеры для турбин производят из стали или железобетона. Здание с электрооборудованием может располагаться непосредственно внутри плотины, рядом с ней или, в случае деривационного типа, далеко от источника воды. В состав сооружений ГЭС включают шлюзы для судов, рыбоходы, водосбросы, ирригационные отводы при условии, что такое дополнение необходимо для поддержания действующей транспортной, сельскохозяйственной или экосистемы в пойме реки.

Малая гидроэнергетика, потенциал, технические решения

Развитие малой гидроэнергетики – тенденция будущего, которая пользуется огромной популярностью из-за стремления улучшить экологическую ситуацию в мире. Сооружение и эксплуатация МГЭС не влияет на качество воды, вызывает минимальное затопление местности. Современные мини-ГЭС полностью автоматизированы. Их срок службы составляет примерно 40 лет.

Использование малых гидроэлектростанций является замечательной альтернативой традиционным источникам электроэнергии, особенно, для тех районов, где подключение к централизованной энергосети затруднительно.

Малая гидроэнергетика, потенциал. Расчет энергетического потенциала водотоков осуществляется на основе информации о количестве и мощности водотоков, приведенной в Водном кадастре Республики Беларусь. Для расчета потенциальной энергии Э реки на участке протяженностью L (км), при падении на нем (напор) Н (м) и среднем расходе на этом участке Q (м3/с) в течение времени Т (час) осуществляется с использование эмпирических формул:

где N – мощность, кВт; Т – время, часы; Э – вырабатываемая энергия, кВт·ч.

Таким образом, для расчета валовых гидроэнергетических ресурсов следует знать значения расход воды Q на определенном участке реки и перепад высот H.

При выборе энергетических параметров малой ГЭС, для обеспечения ее надежной и безаварийной эксплуатации, наибольший практический интерес представляет среднемноголетний расход Q_мнг и максимальный паводковый расход Q_макс.

Для определения расчетного расхода Qмакс необходимо иметь значение среднемноголетнего расхода Qмнг, позволяющего при выбранном значении напора H подсчитать мощность (N) ГЭС

Правильное решение этой задачи важно для определения экономической эффективности малой ГЭС

Запасы гидроэнергоресурсов Республики Беларусь составляет теоретический потенциал ее рек – около 7,5 млрд кВт·ч в средний по водности год, а его часть, которая путем выработки электроэнергии на ГЭС или иными техническими средствами может быть использована (технический потенциал) – 2,5–3,0 млрд кВт·ч/год. Экономический гидроэнергопотенциал в Республике Беларусь составляет 1,3 млрд кВт·ч/год, или 325 МВт общей установленной мощности возможных ГЭС в условиях Беларуси.

Глобальное производство гидроэлектроэнергии в 4 г. составило 1064 ГВт. Как видно из рис. 23, в топ 10 стран мировых производителей гидроэлектроэнергии входит Китай (около 28 % мирового производства), Бразилия, США, Канада и др.

Рис. 23. Производство гидроэлектроэнергии ведущими мировыми производителями (2016 г.)

Как видно из табл. 1 развитие малой энергетики приносит значительные экономические, технические, экологические и социальные преимущества.

Таблица 1. Преимущества использования малых ГЭС

№ п/п	Факторы	Преимущества
1	Экономические	себестоимость вырабатываемой электроэнергии в 2–2,5 раза ниже, чем на крупных ГЭС; не требует строительства плотин и больших площадей затопления; не отвлекает из хозяйственного оборота плодородные земли; приближенность к потребителю и отсутствие необходимости прокладки дорогостоящих ЛЭП, в том числе в труднодоступных районах; возможность привлечения средств населения, среднего и малого бизнеса; открывает дополнительные возможности для освоения новых территорий; более короткие сроки получения электроэнергии
2	Технические и технологические	не требуется использования большегрузной автотехники, строительства дорог для транспортировки техники и материалов для строительства плотин и т. д.; простота в регулировании режимов эксплуатации; возможность использования при строительстве МГЭС маломощных транспортных средств
3	Экологические	отсутствие зон заполнения и сохранение естественных земельных угодий (без засоления и эрозии), лесов, флоры и фауны; сохранение экологического равновесия; сохранение качества влаги, поступающей для коммунальных нужд и орошения
4	Социальные	электрификация удаленных от основных коммуникаций поселений; создание новых рабочих мест и привлечение рабочей силы на освоение новых и более эффективное использование действующих производств; улучшение социально-бытовых условий населения

По состоянию на 01.08.2017 г. в Беларуси эксплуатировалось 53 ГЭС общей установленной мощностью 95,4 МВт. Наиболее крупные ГЭС: Витебская (40 МВт, 2017 г.) (рис. 24) и Полоцкая (21 МВт, 4 г.). В 2018–2020 годах намечается поэтапный ввод на Днепре и Западной Двине относительно крупных ГЭС: Бешенковичская ГЭС (30 МВт); Оршанская ГЭС (5,7 МВт); Речицкая ГЭС (4,6 МВт); Верхнедвинская ГЭС (20 МВт); Шкловская ГЭС (4,9 МВт).

Рис. 24. Панорамный вид Витебской ГЭС

Классификация гидроэлектростанций

В основу классификации ГЭС положен ряд признаков: способ использования гидроресурсов, определяющий напор; уровень производимой мощности и максимум достижимого напора.

По принципу действия

Плотинные

Поперёк реки сооружается плотина, предназначенная для подъёма уровня воды. Местом установки станций – полноводные реки равнин или горные реки в местах сужения русла.

Приплотинные

В случае естественного значительного перепада воды (до 300 м) сооружаются приплотинные ГЭС. Где здание станции возводится непосредственно за плотиной внизу, а подача воды к турбинам происходит с помощью специально выполненных напорных тоннелей.

Структурная схема приплотинной ГЭС

Деривационные

Деривационные речные ГЭС возводят в тех местах, где уклон реки не позволяет напрямую воспользоваться её потоком. Для чего выполняется отвод воды по спрямлённым водоводам или каналом (деривация). В итоге, – поток поступает непосредственно внутрь станции. Различают два вида деривационных гидроэлектростанций – с напором, возникающим в результате значительного уклона водовода, или без него – за счёт возведения высокой плотины.

Деривационная Каштау ГЭС на Северном Кавказе

Гидроаккумулирующие

Станции, что созданы для выработки электроэнергии в моменты пиковых нагрузок. Они могут иметь шлюзы и судоподъёмники, ирригационные, водозаборные и рыбопропускные сооружения.

По вырабатываемой мощности

Величина генерируемой мощности находится в прямой зависимости от расхода воды, напора и технических характеристик турбогенераторов. Малые ГЭС вырабатывают до 5 МВт, средние до 25 МВт, мощные – свыше 25 МВт. Деление весьма условно и в целом ряде стран мира приняты другие цифры для классификации гидроэлектростанций по вырабатываемой мощности.

Источники энергии Что такое альтернативные источники энергии

57618.03.2023

По напору воды

В зависимости от максимума напора воды ГЭС бывают:

• низконапорные – 3÷25 м,
• средненапорные – 25÷60 м,
• высоконапорные – более 60 м.

Условия создания гидроэлектростанций строго нормированы целым рядом федеральных законов, постановлений Правительства РФ, ГОСТов, Правил и СТО. Наиболее актуальным регламентирующим документом, учитывающим все нормативно-технические требования можно считать разработанный НП «Гидроэнергетика России», ОАО «Инженерный центр ЕЭС» СТО 17330282.27.140.011-2008 «Гидроэлектростанции. Условия создания. Нормы и требования» (далее – Стандарт).

Обложка СТО 17330282.27.140.011-2008

Документ был принят и введён в действие приказом по ОАО РАО «ЕЭС России» от 30 июня 2008 года за № 306, в результате чего стал действующим Стандартом этой организации. Однако его действие не распространяется на сооружение бесплотинных, приливных и волновых гидроэлектростанций.

Стандарт предписывает принимать решение о строительстве гидроузла, составной частью которого может быть и гидроэлектростанция, «на основании комплексного рассмотрения всех технических, природоохранных, водохозяйственных, водноэнергетических, социальных и экономических проблем, возникающих в результате строительства гидроузла».

Рассмотрим подробнее некоторые из них, упоминаемые партнёрством компаний-лидеров в международном строительстве Limak Marash: Limak Group и МАРАЩСТРОЙ.

Сильная река, текущая под углом и обеспечивающая круглогодичный доступ воды

Идеальные условия для возведения гидростанции это – мощный  стабильный поток с большим уклоном. Что обеспечит круглогодичную работу турбогенераторов и нивелирование испарения с водного зеркала водохранилища.

Приближённость мест добычи сырья и строительных материалов

Данный момент не критичен. Однако близость размещения нерудных материалов для строительства существенным образом снижает капитальные затраты и сокращает сроки выполнения проекта. Тем более что иногда их доставка может потребовать прокладки новых дорог.

Также весьма важным условием выступает прочность грунта, на котором будет возводиться сооружение. Ведь он должен выдерживать сильнейшее давление воды и тяжесть построенных зданий в течение многих лет эксплуатации.

Плюсы и минусы гидроэлектростанций

Говоря о гидроэлектростанциях, надо, прежде всего, помнить, что используемая ими гидроэнергия выступает здесь как альтернативный источник энергии. То есть, является возобновляемым ресурсом и не требует расходования топлива, запасы которого на планете постепенно и неуклонно истощаются. Кроме того, положительными сторонами ГЭС служат:

• низкая цена вырабатываемой электрической энергии;
• длительный – продолжительностью свыше 100 лет – срок эксплуатации;
• простота содержания и обслуживания;
• низкая вероятность возникновения аварий и катастроф;
• высокий уровень генерируемых мощностей на одном объекте при первоначальных оптимальных условиях;
• строительство станций на малых реках и значительная концентрация гидроэлектростанций при благоприятных природных обстоятельствах – каскад ГЭС;
• форсированность достижения рабочего режима эксплуатации при запуске станции и быстрота её адаптации к нужному уровню потребления мощности – простота и высокая скорость регулирования;
• отсутствие прямых вредных воздействий на воздушную среду;
• создание условий для прохождения судов путём строительства водохранилищ,
• орошение сельскохозяйственных угодий;
• размножение рыб в искусственных водоёмах.

Источники энергии Что такое топливно-энергетические ресурсы (ТЭР) в энергетике

58508.01.2023

К недостаткам станций можно отнести:

• занятие больших площадей под водохранилища, что приводит к сокращению раннее обжитых территорий и сельскохозяйственных угодий;
• длительные сроки возведения гидросооружений, сопровождающиеся значительными первоначальными вложениями и необходимостью периодических реконструкций;
• ограниченность количества мест для строительства гидростанций, обусловленная природным потенциалом гидроресурсов;
• опасность вовлечения значительных территорий в зону экологического бедствия в случае разрушения самой станции,
• вредное воздействие на окружающую среду.

Преимущества и недостатки гидроэнергетики

Преимущества

Действительно, ГЭС имеют ряд преимуществ перед другими источниками энергии. Ниже перечислены некоторые из преимуществ гидроэлектростанций:

1. Чистота производства: ГЭС являются одними из самых чистых источников энергии, поскольку при их работе не выделяются вредные выбросы в атмосферу, которые могут привести к загрязнению окружающей среды. Также нет необходимости в хранении и транспортировке опасных отходов.

2. Высокая производительность: ГЭС имеют высокую производительность благодаря возможности использования большого объема воды для привода турбин. Это делает их идеальными для обеспечения базовой нагрузки в энергосистемах.

3. Надежность: ГЭС являются одними из наиболее надежных источников энергии, так как они могут работать без перерыва на протяжении долгих периодов времени. Кроме того, ГЭС могут работать автономно, без зависимости от изменений погодных условий.

4. Управляемость: ГЭС обладают высокой управляемостью, что позволяет регулировать выработку энергии в зависимости от изменений спроса на электроэнергию.

5. Экономическая эффективность: ГЭС имеют низкие эксплуатационные расходы и могут работать на протяжении десятилетий без значительных затрат на обслуживание и модернизацию.

Таким образом, гидроэлектростанции являются одними из наиболее перспективных источников энергии в современном мире благодаря своим многим преимуществам.

Недостатки

Как и у любой другой формы производства энергии, у гидроэлектростанций есть свои недостатки. Ниже перечислены некоторые из них:

В целом, недостатки гидроэлектростанций связаны с их воздействием на окружающую среду и требованиями к инвестициям для их строительства и эксплуатации. Однако, при правильном планировании и управлении, эти проблемы могут быть минимизированы.

Развитие гидроэнергетики

Краткая история развития гидроэнергетики

История развития гидроэнергетики начинается задолго до нашей эры. Одним из первых примеров использования водной энергии является мельница, которая была изобретена еще в древности. Она работала на водяных колесах, которые использовали поток воды для перемещения механизмов.

Первая гидроэлектростанция была построена в 1878 году в США в городе Николсон на реке Фокс. Эта станция использовала генератор постоянного тока для производства электроэнергии.

В начале XX века гидроэнергетика стала более широко распространяться. В 1902 году было создано первое управление гидроэнергетическим строительством в США, что стало отправной точкой для развития этой отрасли. Крупные гидроэлектростанции были построены в период с 1920-х по 1960-е годы, когда были созданы такие известные объекты, как ГЭС на Ниагарском водопаде в США и Канаде и ГЭС имени В. И. Ленина на Волге в СССР.

Сегодня гидроэнергетика продолжает развиваться, используя новые технологии и методы производства электроэнергии. Кроме того, гидроэнергетика стала одним из ключевых инструментов борьбы с изменением климата, так как является экологически чистым источником энергии.

Современное состояние гидроэнергетики в мире и России

Современное состояние гидроэнергетики в мире и России можно охарактеризовать следующим образом:

В мире:

• Гидроэнергетика является одним из крупнейших источников электроэнергии, с общей установленной мощностью более 1 ТВт.
• Согласно отчету Международной энергетической агентства (МЭА), гидроэнергия составляет около 16% от общего объема производства электроэнергии в мире.
• Крупнейшими производителями гидроэлектроэнергии являются Китай, Бразилия, США, Канада, Индия и Россия.

В России:

• Гидроэнергетика является крупнейшим источником производства электроэнергии в стране. В 2020 году доля гидроэнергетики в общем объеме производства электроэнергии составила 17%.
• Крупнейшими гидроэлектростанциями России являются ГЭС имени В. И. Ленина на Волге, Куйбышевская ГЭС, Саяно-Шушенская ГЭС и Братская ГЭС.
• В России продолжается строительство новых гидроэлектростанций. Например, планируется построить Кубанскую ГЭС на реке Кубань в Краснодарском крае, которая будет иметь установленную мощность 360 МВт.

Однако, стоит отметить, что строительство гидроэнергетических объектов может вызывать экологические проблемы, такие как изменение гидрологических условий в реках, разрушение экосистем и вынужденное переселение населения. Поэтому при проектировании и строительстве гидроэнергетических объектов необходимо учитывать и минимизировать их возможный негативный влияние на природу и людей.

Перспективы развития гидроэнергетики

Гидроэнергетика является одной из наиболее важных форм возобновляемой энергии, и ее перспективы развития весьма благоприятны. Существует несколько факторов, которые способствуют росту гидроэнергетики.

Во-первых, гидроэнергетика имеет очень высокий потенциал производства энергии. Существующие гидроэлектростанции могут производить значительное количество энергии, но также есть потенциал для создания новых станций и увеличения производства.

Во-вторых, гидроэнергетика считается одним из наиболее экологически чистых источников энергии. Гидроэлектростанции не производят выбросов вредных веществ в атмосферу, что делает их более безопасными для окружающей среды, по сравнению с другими формами энергии.

В-третьих, гидроэнергетика является очень надежным и устойчивым источником энергии. Гидроэлектростанции могут производить энергию в течение продолжительного периода времени без необходимости перезарядки или замены топлива, что делает их более надежными, чем другие формы энергии.

Наконец, существует большое количество потенциальных проектов гидроэнергетики, которые могут быть разработаны и реализованы в различных странах мира. Это создает возможности для новых инвестиций и развития отрасли.

В целом, гидроэнергетика имеет очень хорошие перспективы развития, и это один из наиболее важных источников возобновляемой энергии.

Влияние ГЭС на экологию

Использование гидроэнергии даёт существенные блага в сравнении с традиционными методами выработки электроэнергии в плане отсутствия выброса дымовых газов, исключения опасностей в процессе добычи топливных полезных ископаемых. Но вместе с тем она оказывает широкомасштабное воздействие на близлежащую среду посредством:

• затопления обширных территорий, приводящего к потере земель и нанесению значительного ущерба экосистеме;
• испарений с поверхности зеркала водохранилища и вызывания засухи на прилегающих к нему регионах;
• заиливания русла реки, приводящего к уменьшению стока;
• выбросов метана за счёт разложения затопленной растительности в анаэробных условиях пребывания;
• необходимости переселения местных жителей (число которых по данным Всемирной комиссии по плотинам к 2000 году составило 40-80 млн человек);

Источники энергии Принцип работы дизельной электростанции

2.4к.23.11.2022

рисков возникновения стихийных бедствий с катастрофическими последствиями при разрушении или повреждении плотины.

Набор вредных воздействий на водную среду и атмосферу

Экологический мониторинг процессов вызванных в окружающей среде строительством гидростанции продемонстрирован в видеоматериале:

Кто здесь не бывал…

Плюсы и минусы гидроэлектростанций

Как и любое сооружение, гидроэлектростанция имеет свои плюсы и минусы. К основным плюсам можно отнести:

• полную самовозобновляемость источника энергии;
• отсутствие вредных выбросов в атмосферу;
• долгая эксплуатация сооружения: более 100 лет;
• дешевая и выгодная энергия.

К недостаткам относятся:

• выбросы водяного пара, который является фактором, провоцирующим глобальное потепление;
• заболачивание земель и миграция животных с затопленных территорий;
• неестественное изменение русел рек;

Несмотря на наличие недостатков, можно смело утверждать, что достоинств у такого способа добычи энергии больше. И самое главное из них заключается в том, что для работы гидроэлектростанций не нужно ядерное топливо или другое топливо, а в результате их работы не возникает вредных выбросов в окружающую среду.

Крупнейшие аварии и происшествия

• Крупнейшей аварией за всю историю ГЭС является прорыв плотины китайского водохранилища Баньцяо на реке Жухэ в провинции Хэнань в результате тайфуна Нина 1975 года. Число погибших более 170 тыс. человек, пострадало 11 млн.
• 17 мая 1943 года — операция британских войск Chastise по подрыву плотин на реках Мёне (водохранилище Мёнезее) и Эдер (водохранилище Эдерзее), повлёкшие за собой гибель 1268 человек, в том числе около 700 советских военнопленных.
• 9 октября 1963 года — одна из крупнейших гидротехнических аварий на плотине Вайонт в северной Италии, погибло более двух тысяч человек.
• В ночь на 11 февраля 2005 года в провинции Белуджистан на юго-западе Пакистана из-за мощных ливней произошёл прорыв 150-метровой плотины ГЭС у города Пасни. В результате было затоплено несколько деревень, более 135 человек погибли.
• 5 октября 2007 года на реке Чу во вьетнамской провинции Тханьхоа после резкого подъёма уровня воды прорвало плотину строящейся ГЭС Кыадат. В зоне затопления оказалось около 5 тыс. домов, 35 человек погибли.
• 17 августа 2009 года — авария на Саяно-Шушенской ГЭС (самой мощной в России). В результате аварии погибло 75 человек, оборудованию и помещениям станции был нанесён серьёзный ущерб.

Типы гидроэлектростанций

Гидроэлектростанции могут быть разных типов в зависимости от способа преобразования энергии потока воды в электрическую энергию. Наиболее распространенными типами ГЭС являются:

1. Поточные ГЭС, которые используют поток реки для привода турбин.

2. Накопительные ГЭС, которые накапливают воду в большом резервуаре и используют ее потенциальную энергию для привода турбин.

3. Комбинированные ГЭС, которые сочетают в себе элементы поточной и накопительной ГЭС.

4. Приливные ГЭС, которые используют приливы и отливы океана для привода турбин.

Кроме того, существуют также мини-гидроэлектростанции, которые могут быть установлены на небольших реках и используются для производства электроэнергии в удаленных районах или для обеспечения автономности домашних хозяйств.

По типу дамбы

Конструктивно гидроэлектростанции могут быть разделены на несколько типов в зависимости от типа дамбы, используемой для создания водохранилища:

1. Высокие дамбы: такие ГЭС имеют высокую бетонную или земляную дамбу, которая создает большое водохранилище за ней. Такие ГЭС являются наиболее распространенным типом и обеспечивают высокую производительность благодаря большому объему воды, который может быть использован для привода турбин.

   

   

   

   

   

2. Низкие дамбы: такие ГЭС имеют низкую дамбу, которая создает мелкое водохранилище за ней. Такие ГЭС могут быть использованы для производства электроэнергии на мелких реках или для управления уровнем воды на прибрежной зоне.

3. Бездамбовые ГЭС: такие ГЭС не имеют дамбы, а используют специальные устройства, такие как приплывные платформы или плавучие барьеры, для создания водохранилища. Эти ГЭС могут быть использованы для производства электроэнергии на реках с низким потоком воды или для создания временных водохранилищ в случае необходимости.

По типу турбин

Гидроэлектростанции могут быть разделены на несколько типов в зависимости от типа турбин, которые используются для преобразования энергии потока воды в электрическую энергию. Наиболее распространенными типами ГЭС по типу турбин являются:

1. Гидравлические турбины с колесом Каплана: такие турбины работают на большой скорости и могут использоваться для работы на высоких и низких напорах.

2. Турбины Пелтона: эти турбины могут использоваться для работы на очень высоких напорах, когда вода стекает через дюзу на лопасти колеса и вызывает его вращение.

3. Турбины Фрэнсиса: такие турбины работают на средних и высоких напорах и состоят из спирально-конической обечайки и ротора с лопастями.

4. Турбины типа Пропеллер: Эти турбины имеют прямую ось и используются для работы на низких напорах. Они обычно используются на ГЭС с большим объемом воды и низкими скоростями потока.

Кроме того, на ГЭС могут использоваться и другие типы турбин, такие как горизонтальные валовые турбины или вертикально-осевые турбины. Каждый тип турбины используется в зависимости от условий работы ГЭС и характеристик потока воды.

По назначению

Гидроэлектростанции могут быть разделены на несколько типов в зависимости от их назначения и режима работы:

1. Базовые ГЭС: такие ГЭС предназначены для постоянного обеспечения потребителей электроэнергией без значительных колебаний в выработке. Это обычно крупные ГЭС, которые работают на максимальной мощности в течение всего года.

2. Регулирующие ГЭС: такие ГЭС используются для регулирования нагрузки на энергосистему в зависимости от изменений спроса на электроэнергию. Они могут быстро изменять свою мощность в соответствии с потребностями системы.

3. Пиковые ГЭС: такие ГЭС предназначены для доставки дополнительной электроэнергии в периоды пикового спроса, например, в периоды холодов или жары. Эти ГЭС могут быстро реагировать на изменения загрузки и увеличивать или уменьшать мощность благодаря своей гибкости.

Каждый тип ГЭС имеет свои преимущества и недостатки и используется в зависимости от нужд потребителей электроэнергии и характеристик гидрологического режима.