Гидроэлектростанция (ГЭС)

Гидроэлектростанция (ГЭС) — электростанция, преобразующая механическую энергию потока воды в электрическую энергию посредством гидравлических турбин, приводящих во вращение электрические генераторы. Мощность крупнейших гидроэлектростанций до нескольких ГВт (напр., Красноярской ГЭС — 6 ГВт).

Рис.1. Одна из самых крупных по выработке российская ГЭС — Братская

Особенности

• Себестоимость электроэнергии на российских ГЭС более чем в два раза ниже, чем на тепловых электростанциях.
• Генераторы ГЭС можно достаточно быстро включать и выключать в зависимости от потребления энергии.
• Течение реки является возобновляемым источником энергии.
• Значительно меньшее воздействие на воздушную среду, чем другими видами электростанций.
• Строительство ГЭС обычно более капиталоёмкое.
• Часто эффективные ГЭС более удалены от потребителей.
• Водохранилища часто занимают значительные территории, но, примерно, с 1963 г. начали использоваться защитные сооружения (Киевская ГЭС), которые ограничивали площадь водохранилища, и, как следствие, ограничивали площадь затопляемой поверхности (поля, луга, поселки).
• Плотины зачастую изменяют характер рыбного хозяйства, поскольку перекрывают путь к нерестилищам проходным рыбам, однако часто благоприятствуют увеличению запасов рыбы в самом водохранилище и осуществлению рыбоводства.

Принцип работы

Рис. 2. Схема плотины гидроэлектростанции

Принцип работы ГЭС достаточно прост. Цепь гидротехнических сооружений обеспечивает необходимый напор воды, поступающей на лопасти гидротурбины, которая приводит в действие генераторы, вырабатывающие электроэнергию.

Необходимый напор воды образуется посредством строительства плотины, и как следствие, концентрации реки в определенном месте, или деривацией — естественным током воды. В некоторых случаях для получения необходимого напора воды используют совместно и плотину, и деривацию.

Непосредственно в самом здании гидроэлектростанции располагается все энергетическое оборудование. В зависимости от назначения оно имеет свое определенное деление. В машинном зале расположены гидроагрегаты, непосредственно преобразующие энергию тока воды в электрическую энергию. Есть еще всевозможное дополнительное оборудование, устройства управления и контроля над работой ГЭС, трансформаторная станция, распределительные устройства и многое другое.

Гидроэлектрические станции разделяются в зависимости от вырабатываемой мощности:

• мощные — вырабатывают от 25 МВт и выше;
• средние — до 25 МВт;
• малые гидроэлектростанции — до 5 МВт.

Мощность ГЭС напрямую зависит от напора воды, а также от КПД используемого генератора. Из-за того, что по природным законам уровень воды постоянно меняется, в зависимости от сезона, а также еще по ряду причин, в качестве выражения мощности гидроэлектрической станции принято брать цикличную мощность. К примеру, различают годичный, месячный, недельный или суточный циклы работы гидроэлектростанции.

Типичная для горных районов Китая малая ГЭС (ГЭС Хоуцзыбао, уезд Синшань округа Ичан, пров. Хубэй). Вода поступает с горы по чёрному трубопроводу.

Гидроэлектростанции также делятся в зависимости от максимального использования напора воды:

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

Гидроэлектрические станции также разделяются в зависимости от принципа использования природных ресурсов, и, соответственно, образующейся концентрации воды. Здесь можно выделить следующие ГЭС:

• Русловые и приплотинные ГЭС. Это наиболее распространенные виды гидроэлектрических станций. Напор воды в них создается посредством установки плотины, полностью перегораживающей реку, или поднимающей уровень воды в ней на необходимую отметку. Такие гидроэлектростанции строят на многоводных равнинных реках, а также на горных реках, в местах, где русло реки более узкое, сжатое.
• Плотинные ГЭС. Строятся при более высоких напорах воды. В этом случае река полностью перегораживается плотиной, а само здание ГЭС располагается за плотиной, в нижней её части. Вода в этом случае подводится к турбинам через специальные напорные тоннели, а не непосредственно, как в русловых ГЭС.
• Деривационные гидроэлектростанции. Такие электростанции строят в тех местах, где велик уклон реки. Необходимая концентрация воды в ГЭС такого типа создается посредством деривации. Вода отводится из речного русла через специальные водоотводы. Последние — спрямлены, и их уклон значительно меньший, нежели средний уклон реки. В итоге вода подводится непосредственно к зданию ГЭС. Деривационные ГЭС могут быть разного вида — безнапорные или с напорной деривацией. В случае с напорной деривацией, водовод прокладывается с большим продольным уклоном. В другом случае в начале деривации на реке создается более высокая плотина, и создается водохранилище — такая схема еще называется смешанной деривацией, так как используются оба метода создания необходимой концентрации воды.
• Гидроаккумулирующие электростанции. Такие ГАЭС способны аккумулировать вырабатываемую электроэнергию и пускать её в ход в моменты пиковых нагрузок. Принцип работы таких электростанций следующий: в определенные моменты (времена не пиковой нагрузки), агрегаты ГАЭС работают как насосы и закачивают воду в специально оборудованные верхние бассейны. Когда возникает потребность, вода из них поступает в напорный трубопровод и, соответственно, приводит в действие дополнительные турбины.

В гидроэлектрические станции, в зависимости от их назначения, также могут входить дополнительные сооружения, такие как шлюзы или судоподъемники, способствующие навигации по водоему, рыбопропускные, водозаборные сооружения, используемые для ирригации и многое другое.

Ценность гидроэлектрической станции состоит в том, что для производства электрической энергии они используют возобновляемые природные ресурсы. Ввиду того, что потребности в дополнительном топливе для ГЭС нет, конечная стоимость получаемой электроэнергии значительно ниже, чем при использовании других видов электростанций.

Табл. 1 Крупнейшие ГЭС в мире

Гидроэлектростанции России

По состоянию на 2009 год в России имеется 15 действующих, достраиваемых и находящихся в замороженном строительстве гидравлических электростанций свыше 1000 МВт и более сотни гидроэлектростанций меньшей мощности.

Табл. 2. Крупнейшие гидроэлектростанции России

Гидроэлектростанция деривационная. Такие электростанции строят в тех местах, где велик уклон реки. Необходимая концентрация воды в ГЭС такого типа создается посредством деривации. Вода отводится из речного русла через специальные водоотводы. Последние — спрямлены, и их уклон значительно меньший, нежели средний уклон реки. В итоге вода подводится непосредственно к зданию ГЭС. Деривационные ГЭС могут быть разного вида — безнапорные или с напорной деривацией. В случае с напорной деривацией, водовод прокладывается с большим продольным уклоном. В другом случае в начале деривации на реке создается более высокая плотина и создается водохранилище — такая схема еще называется смешанной деривацией, так как используются оба метода создания необходимой концентрации воды.

В деривационных ГЭС большая часть напора создаётся с помощью специальных каналов или тоннелей, так называемых деривационных, или отводных водоводов (слово деривация в переводе значит отвод).
Эти водоводы идут приблизительно параллельно руслу реки, по уклон их значительно меньше уклона русла реки. Плотину, которая перекрывает русло реки у входа в деривационный канал или туннель, обычно делают невысокой и служит она в основном не для создания напора, а для того, чтобы направить воду в деривационные водоводы (рис. 4).

У конца деривационных каналов сооружается здание гидростанции. Здесь разница в уклонах русла реки и деривационного канала создаёт «ступеньку», с которой вода должна «спрыгнуть» обратно в русло реки.

К гидроэлектростанциям такого типа относятся Ереванская, Фархадская и другие. Деривационные электростанции строят обычно на стремительных горных реках, имеющих большой уклон.
Нередко они работают при довольно большом напоре. Так, у одной из запроектированных деривационных ГЭС напор достигает 1650 метров.
Плотинные ГЭС, наоборот, строят обычно на равнинных реках, где уклон русла незначительный и сооружение деривационных ГЭС невозможно.

Рис. 3. ГЭС совмещённого типа. Вода, пройдя сороудерживающие решётки 1, напорный водовод 2, поступает в спиральную камеру гидравлической турбины 3 и уходит через всасывающую трубу 4. Здесь же находится и водослив 5. Избыточная вода пропускается щитами 6.

Рис. 4. ГЭС деривационного типа. Плотина 1 направляет часть воды по деривационному напорному водоводу 2 к уравнительному резервуару 3, а затем через турбинный трубопровод 4 к турбинам, расположенным в машинном здании 5.

Гидроэлектростанция подземная. Расположение сооружений под  землей дает возможность возводить деривационные ГЭС практически в любых, самых сложных топографических условиях. Компоновка подземных сооружений определяется в основном расположением здания ГЭС и по этому признаку принято различать три следующие схемы:1 — головная — здание ГЭС расположено в начальной части деривации, 2 — концевая с длинной подводящей деривацией, 3 — промежуточная схема. Растёт число подземных объектов тепло- и электроснабжения и других производств. Определились 3 типовые схемы подземных ГЭС: концевая (здание расположено в конце трассы деривации), головная (здание вблизи водозабора), промежуточная (здание в средней части трассы деривации). Эти подземные сооружения в сравнении с наземными отличают меньшая протяжённость напорных водоводов и гидравлические потери напора, расход материалов, повышенная устойчивость к воздействиям климатических и других природных факторов (лавин, снегопадов и т.п.). Объёмы горно-строительных работ при сооружении крупной подземной ГЭС составляют несколько млн. м³ извлекаемых горных пород (например, объём всех подземных выработок Ингурской ГЭС в CCCP, имеющей мощность 1300 МВт, — 3,2 млн. м³, Рогунской ГЭС в CCCP мощностью 2,7 млн. кВт — 5,6 млн. м³). Площади поперечных сечений машинных залов подземных ГЭС — несколько сотен м², а их протяжённость от 50 до 500 метров.

Manapouri Hydro Power Station – подземная ГЭС в Новой Зеландии.

Машинный зал и два 10-км туннеля нижнего бьефа расположены в горе на глубине до 200м.

Рис. 5. Manapouri Hydro Power Station, вид со стороны водохранилища

Рис. 6. Такой корабль стоит недалеко от станции Manapouri Hydro Power Station

Рис. 7. Машинный зал Manapouri Hydro Power Station

Гидроэлектростанция приплотинная. Такие станции строятся при более высоких напорах воды. В этом случае река полностью перегораживается плотиной, а само здание ГЭС располагается за плотиной, в нижней её части. Вода в этом случае подводится к турбинам через специальные напорные тоннели, а не непосредственно, как в русловых ГЭС.

К плотинным гидроэлектростанциям относятся Волховская ГЭС, Днепрогэс и многие другие. Плотины таких ГЭС различны по высоте, длине, материалу, из которого они сделаны.

Всем известна по рисункам и фотографиям бетонная плотина Днепрогэса, образующая пологую дугу. Плотина электростанции, запроектированной на реке Сулак в Дагестане, будет иметь высоту значительно более 150 метров. Известны и ещё более высокие бетонные плотины.

Наиболее ответственная, водосливная часть плотины, т.е. та, через которую проходит вода, обычно сооружается из железобетона. Остальная же, большая часть плотины, делается из земли. Земляные плотины бывают иногда высотой в несколько десятков метров и длиной в несколько километров.

Рис. 8. Схема приплотинной ГЭС Вода по напорным водоводам 1 поступает к турбинам 2, размещённым в здании, находящемся вблизи плотины, и через всасывающую трубу 3 поступает в русло реки.

Гидроэлектростанция русловая. Это наиболее распространенные виды гидроэлектрических станций. Напор воды в них создается посредством установки плотины, полностью перегораживающей реку, или поднимающей уровень воды в ней на необходимую отметку. Такие гидроэлектростанции строят на многоводных равнинных реках, а также на горных реках, в местах, где русло реки более узкое, сжатое.  Такие ГЭС сооружают обычно при напорах не более 30 м.

Рис. 9. Схема русловой гидроэлектрической станции: 1 — плотина; 2 — затворы; 3 — максимальный уровень верхнего бьефа; 4 — минимальный уровень верхнего бьефа; 5 — гидравлический подъёмник; 6 — сороудерживающая решётка; 7 гидрогенератор; 8 — гидравлическая турбина; 9 — минимальный уровень нижнего бьефа; 10 — максимальный паводковый уровень