Гідроелектро і чна ст а нція, гідроелектростанція (ГЕС), комплекс споруд і устаткування, за допомогою яких енергія потоку води перетворюється в електричну енергію. ГЕС складається з послідовного ланцюга гідротехнічних споруд , Що забезпечують необхідну концентрацію потоку води і створення напору, і енергетичного обладнання, що перетворює енергію рухається під напором води в механічну енергію обертання (див. гідротурбіна ), Яка, в свою чергу, перетворюється в електричну енергію (див. гідрогенератор ).
Напір ГЕС створюється концентрацією падіння річки на використовуваному ділянці (аб) греблею (Рис. 1), або деривацией (Рис. 2), або греблею і деривації спільно (рис. 3). Основне енергетичне обладнання ГЕС розміщується в будівлі ГЕС: у машинному залі електростанції - гідроагрегати , Допоміжне обладнання, пристрої автоматичного управління та контролю; в центральному посту управління - пульт оператора-диспетчера або автооператор гідроелектростанції . Що підвищує трансформаторна підстанція розміщується як усередині будівлі ГЕС, так і в окремих будівлях або на відкритих майданчиках. розподільні пристрої часто розташовуються на відкритому майданчику. Будівля ГЕС може бути розділене на секції з одним або декількома агрегатами і допоміжним обладнанням, відокремлені від суміжних частин будівлі. При будівлі ГЕС або всередині нього створюється монтажна майданчик для складання і ремонту різного устаткування і для допоміжних операцій по обслуговуванню ГЕС.
За встановленої потужності (в МВт) розрізняють ГЕС потужні (понад 250), середні (до 25) і малі (до 5). Потужність ГЕС залежить від напору НБ (різниці рівнів верхнього і нижнього б'єфу ), Витрати води Q (м3 / сек), використовуваного в гідротурбінах, і ккд гідроагрегату hг. По ряду причин (внаслідок, наприклад, сезонних змін рівня води в водоймах, мінливості навантаження енергосистеми, ремонту гідроагрегатів або гідротехнічних споруд і т.п.) натиск і витрата води безперервно змінюються, а крім того, змінюється витрата при регулюванні потужності ГЕС. Розрізняють річний, тижневий і добовий цикли режиму роботи ГЕС.
За максимально використовується напору ГЕС діляться на високонапірні (більше 60 м), середньонапірні (від 25 до 60 м) і низьконапірних (від 3 до 25 м). На рівнинних річках напір рідко перевищують 100 м, в гірських умовах за допомогою греблі можна створювати напір до 300 м і більше, а за допомогою деривації - до 1500 м. Класифікація за напору приблизно відповідає типам застосовуваного енергетичного устаткування: на високонапірних ГЕС застосовують ковшові і радіально-осьові турбіни з металевими спіральними камерами; на середньонапірних - поворотнолопастниє і радіально-осьові турбіни із залізобетонними і металевими спіральними камерами, на низьконапірних - поворотнолопастниє турбіни в залізобетонних спіральних камерах, іноді горизонтальні турбіни в капсулах або у відкритих камерах. Підрозділ ГЕС за використовуваному напору має приблизний, умовний характер.
За схемою використання водних ресурсів і концентрації напорів ГЕС звичайно підрозділяють на руслових, пріплотінние, дериваційні з напірної і безнапірної деривації, змішані, гідроакумулюючі і приливні. У руслових і схилів ГЕС напір води створюється греблею, що перегороджує річку і піднімає рівень води у верхньому б'єфі. При цьому неминуче деякий затоплення долини річки. У разі спорудження двох гребель на тій же ділянці річки площа затоплення зменшується. На рівнинних річках найбільша економічно допустима площа затоплення обмежує висоту греблі. Руслових і пріплотінние ГЕС будують і на рівнинних багатоводних річках і на гірських річках, у вузьких стислих долинах.
До складу споруд руслової ГЕС, крім греблі, входять будівля ГЕС і водоскидні споруди (рис. 4). Склад гідротехнічних споруд залежить від висоти напору і встановленої потужності. У руслової ГЕС будівля з розміщеними в ньому гідроагрегатами служитьпродовженням греблі і разом з нею створює напірний фронт. При цьому з одного боку до будівлі ГЕС примикає верхній б'єф, а з іншого - нижній б'єф. Підводять спіральні камери гідротурбін своїми вхідними перетинами закладаються під рівнем верхнього б'єфу, вихідні ж перетину відсмоктувальних труб занурені під рівнем нижнього б'єфу.
Відповідно до призначення гідровузла в його склад можуть входити судноплавні шлюзи або суднопідіймач , рибопропускні споруди , Водозабірні споруди для іригації і водопостачання. У руслових ГЕС іноді єдиним спорудою, пропускає воду, є будівля ГЕС. У цих випадках корисно використовувана вода послідовно проходить вхідний перетин з мусорозадержівающей гратами, спіральну камеру, гідротурбіну, відсмоктувальну трубу, а за спеціальними водоводах між сусідніми турбінними камерами проводиться скидання паводкових витрат річки. Для руслових ГЕС характерні напори до 30-40 м; до найпростіших руслових ГЕС відносяться також раніше будувалися сільські ГЕС невеликої потужності. На великих рівнинних річках основне русло перекривається земляною греблею, до якої примикає бетонна водозливна гребля і споруджується будинок ГЕС. Така компоновка типова для багатьох вітчизняних ГЕС на великих рівнинних річках. Волзька ГЕС ім. 22-го з'їзду КПРС - найбільша серед станцій руслового типу.
При більш високих напору виявляється недоцільним передавати на будівлю ГЕС гідростатичний тиск води. У цьому випадку застосовується тип пригреблева ГЕС, у якої напірний фронт на всьому протязі перекривається греблею, а будівля ГЕС розташовується за греблею, примикає до нижнього б'єфу (рис. 5). До складу гідравлічної траси між верхнім і нижнім бьефом ГЕС такого типу входять глибинний водоприймач з мусорозадержівающей гратами, турбінний водовід, спіральна камера, гідротурбіна, відсмоктуюча труба. В якості додаткових споруд до складу вузла можуть входити судноплавні споруди і рибоходи, а також додатковий водоскид. Прикладом подібного типу станцій на багатоводної річці служить Братська ГЕС на р. Ангара.
Інший вид компонування схилів ГЕС, відповідний гірських умов, при порівняно малих витратах річки, характерний для Нурекської ГЕС на р. Вахш (Середня Азія), проектною потужністю 2700 Мвт. Будівля ГЕС відкритого типу розташовується нижче греблі, вода підводиться до турбін по одному або декільком напірним тунелях (див. Рис. 2 в ст. гідровузол ). Іноді будівля ГЕС розміщують ближче до верхнього б'єфу в підземній (підземна ГЕС) виїмці. Така компоновка доцільна при наявності скельних підстав, особливо при земляних або накидних греблях, що мають значну ширину. Скидання паводкових витрат виробляється через водоскидні тунелі або через відкриті берегові водоскиди.
У дериваційних ГЕС концентрація падіння річки створюється за допомогою деривації; вода на початку використовуваного ділянки річки відводиться з річкового русла водоводом, з ухилом, значно меншим, ніж середній ухил річки на цій ділянці і з випрямлення вигинів і поворотів русла. Кінець деривації підводять до місця розташування будівлі ГЕС. Відпрацьована вода або повертається в річку, або підводиться до наступного деривату ГЕС. Деривация вигідна тоді, коли ухил річки великий. Дериваційна схема концентрації напору в чистому вигляді (бесплотинной водозабір або з низькою водозабірної греблею) на практиці може призвести до того, що з річки забирається лише невелика частина її стоку. В ін. Випадках на початку деривації на річці споруджується вища гребля і створюється водосховище: така схема концентрації падіння називається змішаною, тому що використовуються обидва принципи створення напору. Іноді, в залежності від місцевих умов, будівля ГЕС вигідніше розташовувати на деякій відстані від кінця використовуваного ділянки річки вгору за течією; деривация розділяється по відношенню до будівлі ГЕС на підвідних і відводять. У ряді випадків за допомогою деривації проводиться перекидання стоку річки в сусідню річку, що має нижчі відмітки русла. Характерним прикладом є Інгурська ГЕС, де стік р. Інгурі перекидається тунелем в сусідню р. Ерісцкалі (Кавказ).
Споруди безнапірних дериваційних ГЕС складаються з трьох основних груп: водозабірних споруд, Водоприймальна гребля і власне деривация (канал, лоток, безнапірний тунель). Додатковими спорудами на ГЕС з безнапірної деривації є відстійники і басейни добового регулювання, напірні басейни, неодружені водоскиди і турбінні водоводи. Найбільша ГЕС з безнапірної дериватом, що підводить - ГЕС Роберт-Мозес (США) потужністю 1950 Мвт, а з безнапірної відводить деривації - Інгурська ГЕС (СРСР) потужністю 1300 Мвт.
На ГЕС з напірної деривації водовід (тунель, металева, дерев'яна або залізобетонна труба) прокладається з декількома великим поздовжнім ухилом, ніж при безнапірної деривації. Застосування напірної підводить деривації обумовлюється змінністю горизонту води у верхньому б'єфі, через що в процесі експлуатації змінюється і внутрішній натиск деривації. До складу споруд ГЕС цього типу входять: гребля, водозабірних вузол, деривация з напірним водоводом, станційний вузол ГЕС з зрівняльним резервуаром і турбінними водоводами, що відводить деривация у вигляді каналу або тунелю (при підземній ГЕС). Найбільша ГЕС з напірної дериватом, що підводить - Нечако-Кема (Канада) проектною потужністю одна тисяча сімсот дев'яносто дві Мвт.
ГЕС з напірної дериватом, що відводить застосовується в умовах значних змін рівня води в річці в місці виходу відводить деривації або з економічних міркувань. В цьому випадку необхідно спорудження зрівняльного резервуара (на початку відводить деривації) для вирівнювання несталого потоку води в річці. Найбільш потужна ГЕС (350 МВт) цього типу - ГЕС Харспронгет (Швеція).
Особливе місце серед ГЕС займають гідроакумулюючі електростанції (ГАЕС) та приливні електростанції (ВЕЗ). Спорудження ГАЕС обумовлене зростанням потреби в пікової потужності в великих енергетичних системах, що і визначає генераторну потужність, що вимагається для покриття пікових навантажень. Здатність ГАЕС акумулювати енергію заснована на тому, що вільна в енергосистемі в деякий період часу (провалу графіка потреби) електрична енергія використовується агрегатами ГАЕС, які, працюючи в режимі насоса, нагнітають воду з водосховища у верхній акумулює басейн. У період піків навантаження акумульована т. О. енергія повертається в енергосистему (вода з верхнього басейну поступає в напірний трубопровід і обертає гідроагрегати, що працюють в режимі генератора струму). Потужність окремих ГАЕС з такими оборотними гідроагрегатами досягає 1620 Мвт (Корнуол, США).
ПЕС перетворюють енергію морських припливів в електричну. Електроенергія приливних ГЕС в силу деяких особливостей, пов'язаних з періодичним характером приливів і відливів, може бути використана в енергосистемах лише спільно з енергією регулюють електростанцій, які заповнюють провали потужності приливних електростанцій протягом доби або місяців. У 1967 у Франції було завершено будівництво великої ПЕС на р. РАНС (24 агрегати загальною потужністю 240 Мвт). В СРСР в 1968 в Кислого Губі (Кольський півострів) вступила в дію перша досвідчена ПЕС потужністю 0,4 Мвт, на якій нині проводяться експериментальні роботи для майбутнього будівництва ПЕС.
За характером використання води і умовам роботи розрізняють ГЕС на побутовому стоці без регулювання, з добовим, тижневим, сезонним (річним) і багатолітнім регулюванням. Окремі ГЕС або каскади ГЕС, як правило, працюють в системі спільно з конденсаційними електростанціями (КЕС), теплоелектроцентралями (ТЕЦ), атомними електростанціями (АЕС), газотурбінними установками (ГТУ), причому в залежності від характеру участі в покритті графіка навантаження енергосистеми ГЕС можуть бути базисними, напівпіковими і піковими (див. енергосистема ).
Найважливіша особливість гідроенергетичних ресурсів у порівнянні з паливно-енергетичними ресурсами - їх безперервна поновлювані. Відсутність потреби в паливі для ГЕС визначає низьку собівартість виробленої на ГЕС електроенергії. Тому спорудження ГЕС, незважаючи на значні питомі капіталовкладення на 1 квт встановленої потужності і тривалі терміни будівництва, надавалося і надається велике значення, особливо коли це пов'язано з розміщенням електроємна виробництв (див. гідроенергетика ).
Одні з перших гідроелектричних установок потужністю всього в декілька сотень Вт були споруджені в 1876-81 в Штангассе і Лауфене (Німеччина) і в Грейсайде (Англія). Розвиток ГЕС і їх промислове використання тісно пов'язане з проблемою передачі електроенергії на відстань: як правило, місця, найбільш зручні для спорудження ГЕС, віддалені від основних споживачів електроенергії. Протяжність існували в той час ліній електропередач не перевищувала 5-10 км; найдовша лінія 57 км. Спорудження лінії електропередачі (170 км) від Лауфенской ГЕС до Франкфурта-на-Майні (Німеччина) для постачання електроенергією Міжнародна електротехнічна виставки (1891) відкрила широкі можливості для розвитку ГЕС. У 1892 промисловий струм дала ГЕС, побудована на водоспаді в Бюласі (Швейцарія), майже одночасно в 1893 були побудовані ГЕС в Гельшене (Швеція), на р. Ізар (Німеччина) і в Каліфорнії (США). У 1896 вступила в дію Ніагарська ГЕС (США) постійного струму; в 1898 дала струм ГЕС Рейнфельд (Німеччина), а в 1901 стали під навантаження гідрогенератори ГЕС Жонат (Франція).
У Росії існували, але так і не були реалізовані детально розроблені проекти ГЕС російських учених Ф. А. Піроцького , І. А. Тіма , Г. О. Графтио , І. Г. Александрова та ін., які передбачали, зокрема, використання порожистих ділянок рр. Дніпро, Волхов, Західна Двіна, Вуокса і ін. Так, наприклад, вже в 1892-95 російським інженером В. Ф. Добротворським були складені проекти споруди ГЕС потужністю 23,8 Мвт на р. Нарова і 36,8 Мвт на водоспаді Б. Іматра. Реалізації цих проектів перешкоджали як відсталість царської бюрократії, так і інтереси приватних капіталістичних груп, пов'язаних з паливною промисловістю. Перша промислова ГЕС в Росії потужністю близько 0,3 Мвт (300 квт) була побудована в 1895-96 під керівництвом російських інженерів В. Н. Чиколева і Р. Е. Классона для електропостачання Охтінского порохового заводу в Петербурзі. У 1909 закінчилося будівництво найбільшої в дореволюційній Росії Гіндукушской ГЕС потужністю 1,35 МВт (1350 квт) на р. Мургаб (Туркменія). В період 1905-17 стали до ладу Саткинськая, Алавердінская, Каракультукская, Тургусунская, Сестрорецкая і ін. ГЕС невеликої потужності. Споруджувалися також приватні фабрично-заводські гідроелектричні установки з використанням обладнання іноземних фірм.
1-я світова війна 1914-18 і пов'язаний з нею інтенсивне зростання промисловості деяких західних країн спричинили розвиток діяли і будівництво нових енергопромислових центрів, в тому числі на базі ГЕС. В результаті потужність ГЕС в усьому світі у 1920 досягла 17 тис. Мвт, а потужність окремих ГЕС, наприклад Масл-Шолс (США), Іль-малина (Канада), перевищила 400 Мвт (400 тис. Квт).
Загальна потужність ГЕС Росії на 1917 становила всього близько 16 Мвт; найбільшою була Гіндукушская ГЕС. Будівництво потужних ГЕС почалося по суті лише після Великої Жовтневої соціалістичної революції. У відновний період (20-і рр.) Відповідно до плану ГОЕЛРО були побудовані перші великі ГЕС - Волховська (нині Волховська ГЕС ім. В. І. Леніна) і Земо-Авчальская ГЕС ім. В. І. Леніна. У роки перших п'ятирічок (1929-40) вступили в дію ГЕС - Дніпровська, Ніжнесвірськая, Ріонськая і ін.
До початку Великої Вітчизняної війни 1941-45 було введено в експлуатацію 37 ГЕС загальною потужністю понад 1500 МВт. Під час війни було призупинено розпочате будівництво ряду ГЕС загальною потужністю близько 1000 МВт (1 млн. Квт). Значна частина ГЕС загальною потужністю близько 1000 МВт виявилася зруйнованою або демонтованої. Почалося спорудження нових ГЕС малої і середньої потужності на Уралі (Широківська, Верхотурськая, Алапаєвська, Белоярская і ін.), В Середній Азії (Аккавакскіе, Фархадской, Саларская, Ніжнебуесуйскіе і ін.), На Північному Кавказі (Майкопская, Орджонікідзевська, Краснополянская), в Азербайджані (Мінгечаурська ГЕС), в Грузії (Чітахевская ГЕС) і в Вірменії (Гюмушская ГЕС). До кінця 1945 в Радянському Союзі потужність всіх ГЕС, разом з відновленими, досягла 1250 Мвт, а річний виробіток електроенергії - 4,8 млрд. Квт / ч.
На качану 50-х рр. розгорнулося будівництво великих гідроелектростанцій на р. Волзі у рр. Горького, Куйбишева и Волгограда, Каховської и Кременчуцької ГЕС на Дніпрі, а такоже Цимлянской ГЕС на Дону. Волзькі ГЕС ім. В. І. Леніна и Їм. 22-го з'їзду КПРС стали дерти з числа найбільш потужного ГЕС в СРСР и в мире. У 2-й половіні 50-х рр. Почалося будівництво Братської ГЕС на р. ангарі и Красноярської ГЕС на р. Єнісеї. З 1946 по 1958 СРСР були побудовані и відновлені 63 ГЕС загальною потужністю 9600 Мвт. За семиріччя 1959-65 було введено 11400 Мвт нових гідравлічних потужностей і сумарна потужність ГЕС досягла 22200 Мвт (табл. 1). До 1970 в СРСР продовжувалося будівництво 35 промислових ГЕС (сумарною потужністю 32000 Мвм), в тому числі 11 ГЕС одиничною потужністю понад 1000 Мвт: Саяно-Шушенська, Красноярська, Усть-Ілімськ, Нурекська, Інгурська, Саратовська, Токтогульская, Нижнєкамська, Зейская, Чіркейская , Чебоксарська.
показники ГЕС
1965
1970
1975
1980
(Прогноз)
Встановлена потужність ГЕС, МВт
22200
32000
50000
74500
Частка ГЕС в загальній потужності електростанцій СРСР%
19,3
18,6
20
20,3
Вироблення електроенергії на рік, млрд. Квт · ч
81,4
121
182
260
Частка ГЕС у виробленні електроенергії в СРСР,%
16,1
16
15,6
14,6
Потужність ГАЕС, Мет
-
30
1410
5100
У 60-х рр. намітилася тенденція до зниження частки ГЕС в загальному світовому виробництві електроенергії і все більшого використання ГЕС для покриття пікових навантажень. До 1970 всіма ГЕС світу вироблялося близько 1000 млрд. Квт / ч електроенергії в рік, причому починаючи з 1960 частка ГЕС в світовому виробництві знижувалася в середньому за рік приблизно на 0,7%. Особливо швидко знижується частка ГЕС в загальному виробництві електроенергії в раніше традиційно вважалися «гідроенергетичні» країнах (Швейцарія, Австрія, Фінляндія, Японія, Канада, почасти Франція), тому що їх економічний гідроенергетичний потенціал практично вичерпаний.
Найменування
ГЕС
Потужність ГЕС *,
Мвт
рік початку
ЕКСПЛУАТАЦІЇ
діючі
Красноярська, СРСР ....
5000
(6000)
1 967
Братська, СРСР
4100
(4600)
тисячу дев'ятсот шістьдесят-один
Волзька ім. 22-го з'їзду КПРС, СРСР
2530
1958
Волзька ім. В. І. Леніна, СРСР
2300
1955
Джон-Дей, США
2160
(2700)
1 968
Гранд-Кулі, США
1974
(1 711)
1941
Роберт-Мозес (Ніагара), США
1950
тисячу дев'ятсот шістьдесят-один
Св. Лаврентія, Канада-США
1824
1958
Висотна Асуанська, АРЄ
1750
(2100)
1 967
Боарнуа, Канада
1639
1 948
будуються
Саяно-Шушенська, СРСР
6300
-
Черчилл-Фолс, Канада
4500
-
Усть-Ілімськ, СРСР
4300
-
Ілля-Солтейра, Бразилія
3200
-
Нурекська, СРСР
2700
-
Портідж-Маунтін, Канада
2300
-
Залізні Ворота,
Румунія-Югославія
2100
-
Тарбалла, Пакистан
2000
-
Міка, Канада
2000
-
* Потужність ГЕС наведена за станом на 1 січня 1969; в дужках проектна потужність.
Незважаючи на зниження частки ГЕС в загальному виробітку, абсолютні значення виробництва електроенергії і потужності ГЕС безперервно зростають внаслідок будівництва нових великих електростанцій. У 1969 в світі налічувалося понад 50 діючих і споруджуваних ГЕС одиничною потужністю 1000 Мвт і вище, причому 16 з них - в Радянському Союзі.
Подальший розвиток гідроенергетичного будівництва в СРСР передбачає спорудження каскадів ГЕС з комплексним використанням водних ресурсів з метою задоволення потреб спільно енергетики, водного транспорту, водопостачання, іригації, рибного господарства та ін. Прикладом можуть служити Дніпровський, Волзько-Камський, Ангаро-Єнісейський, Севана і ін . каскади ГЕС.
Найбільшим районом гідроенергостроітельства СРСР до 50-х рр. 20 в. традиційно була Європейська частина території Союзу, на частку якої припадало близько 65% електроенергії, що виробляється всіма ГЕС СРСР. Для сучасного гідроенергостроітельства характерно: продовження будівництва і вдосконалення низько- і середньонапірних ГЕС на рр. Волзі, Камі, Дніпрі, Даугаві і ін., Будівництво великих високонапірних ГЕС в важкодоступних районах Кавказу, Середньої Азії, Східного Сибіру і т.п., будівництво середніх та великих дериваційних ГЕС на гірських річках з великими ухилами і використанням перекидання стоку в сусідні басейни , але головне - будівництво потужних ГЕС на великих річках Сибіру і Далекого Сходу - Єнісеї, Ангарі, Лене і ін. ГЕС, що споруджуються в багатих гідроенергоресурсамі районах Сибіру і Далекого Сходу, разом з тепловими електростанціями, що працюють на місцевому органічному паливі (природний газ, вугілля, нафта), стануть основною енергетичною базою для постачання дешевою електроенергією промисловості, що розвивається Сибіру, Середньої Азії і Європейської частини СРСР (див. Єдина електроенергетична система ).
Літ .: Аргунов П. П., Гідроелектростанції, К., 1960; Денисов І. П., Основи використання водної енергії, М. - Л., 1964; Енергетичні ресурси СРСР, [т. 2] - Гідроенергетичні ресурси, М., 1967; Нікітін Б. І., Енергетика гідростанцій, М., 1968; Електрифікація СРСР. 1917-1967, під ред. П. С. Непорожнего, М., 1967; Праці Гідропроекту. Збірник 16, М., 1969; Гідроенергетика СРСР. Статистичний огляд, М., 1969.
В. А. Прокудін.
Мал. 2. Схема концентрації падіння річки деривацией (підводить): СБ - верхній б'єф; НБ - нижній б'єф; Нб - натиск брутто.
Мал. 2. Схема гідровузла Нурекської ГЕС на р. Вахш: 1 - гребля; 2 - водоприймач ГЕС; 3 - напірні водопідвідний тунелі; 4 - зрівняльні резервуари; 5 - турбінні водопроводи; 6 - будівля ГЕС; 7 - відкритий розподільний пристрій; 8 - відкритий водоскид з каналом, що відводить; 9 - будівельні тунелі; 10 - верхова та низова перемички.
Мал. 1. Схема концентрації падіння річки греблею: СБ - верхній б'єф; НБ - нижній б'єф; Нб - натиск брутто.
Мал. 4. Розріз будівлі Волзької ГЕС імені 22-го з'їзду КПРС: 1 - водоприймач; 2 - камера турбіни; 3 - гідротурбіна; 4 - гідрогенератор; 5 - відсмоктуюча труба; 6 - розподільні пристрої (електричні); 7 - трансформатор; 8 - портальні крани; 9 - кран машинного залу; 10 - донний водоскид; НПУ - стандартний підпірних рівень, м; УНБ - рівень нижнього б'єфу, м.
Мал. 5. План Саянського гідровузла.
Мал. 3. Змішана схема концентрації падіння річки греблею і деривації: СБ - верхній б'єф; НБ - нижній б'єф; Нб - натиск брутто.