ГЭС: виды, принципы работы, самые крупные электростанции на Земле
Гидроэлектростанция или ГЭС – сложное устройство, представленное различными конструкциями и специальным оборудованием для получения и передачи электроэнергии. Существует несколько видов гидроэлектростанций: деривационные, приливные, плотинного типа, а также аккумулирующие и волновые. У каждого вида свои особенности.
Немного истории
Первые упоминания о водяных конструкциях приходятся на 4 тысячелетие до нашей эры. Вплоть до девятнадцатого века на реках и озерах строились водяные мельницы. Они использовались для изготовления муки, бумаги. Эти конструкции помогали кузнецам обрабатывать железо. В 1834 году появилась первая гидротурбина. Спустя тридцать лет, англичанин У. Армстронг разработал первую систему электропитания. Она помогла создать уникальную ГЭС на Ниагарском водопаде. Она подпитывала несколько ламп. А через семь лет по США было свыше 200 гидроэлектростанций, обеспечивающих электричеством большое количество населенных пунктов.
С 1930-х гг. в мире начался настоящих гидроэнергетический бум: по всему миру стали появляться ГЭС разных мощностей.
В России первой ГЭС считается Березовская гидростанция (1892 г.), располагающаяся на Алтае. Она вырабатывала 200 кВт. Почти в то же время была построена Ныгринская станция в Иркутской области. К 1913 г. в России насчитывалось свыше 50 тысяч гидроустановок мощностью в миллион л. с. После разработки ГОЭЛРО, гидроэлектростанции стали более мощными. Эту установку использовали при строительстве Волховской ГЭС.
Виды ГЭС и как работают
Для получения электроэнергии применяют разные виды ГЭС. Самый распространенный вид – плотинный. Его основными элементами являются:
- дамба;
- задвижка и напорный трубопровод;
- водохранилище;
- турбина с линиями электропередач;
- генератор.
Принцип работы плотинной ГЭС основывается на формировании небольшого водоема, поднимающего уровень воды выше машинного зала. При открывании задвижки вода поступает к турбине, приводя ее в движение. Она связана с генератором электрического тока. Вся вырабатываемая электроэнергия передается по линиям электропередач.
На втором месте по популярности деривационные ГЭС. Их возводят в местах большого перепада рек. Подобные конструкции имеют следующие элементы:
- трубопровод водонапорный с заборным сооружением;
- турбина и генератор;
- приемная плотина;
- линии электропередачи.
Подобная электростанция вырабатывает электроэнергию при частичном заборе воды с реки. Потоки проходят по трубопроводу, приводя в движение турбину.
Аккумулирующие виды ГЭС применяются для выработки и накопления электроэнергии. Для этого применяется технология конвертации энергии реки. Такие станции выдерживают большие нагрузки. Они способны бесперебойно обеспечивать электроэнергией в экстремальных условиях, даже при больших нагрузках. Особенность функционирования ГЭС аккумуляторного типа в том, что они рассчитываются на работу в насосном и генераторном режимах.
ГЭС на Земле
На территории России насчитывается свыше двухсот ГЭС. Из них 14 вырабатывают свыше 1 000 МВт электроэнергии. Эти гиганты располагаются на Енисее, Ангаре, Волге, Бурее, Каме.
Самая крупная ГЭС построена в Китае. Дамба построена на реке Янцзы и считается самой крупной электростанцией в мире. Популярная плотина Гранд-Кули, расположенная в Вашингтоне на реке Колумбия, состоит из нескольких турбин и генераторов и вырабатывает 21 млрд кВт в год. ГЭС обеспечивает электроэнергией несколько штатов: Айдахо, Колорадо, Вайоминг, Неваду и другие. В России самой крупной считается Саяно-Шушенская ГЭС на реке Енисей. В 2009 г. здесь был взрыв, из-за которого рухнула часть строения зала с турбиной. Но в 2014 г. электростанцию восстановили.
- © Метэнерго, 2024
- Поставка опор ЛЭП
Гидроэлектростанция (ГЭС): что такое, отличие от ТЭЦ
На сегодняшний день в мире активно обсуждается вопрос о применении альтернативных источников энергии. В настоящее время разрабатываются и внедряются новые виды энергии, которые могут производить электроэнергию и тепловую энергию, используя практически неисчерпаемые природные ресурсы, при этом минимизируя негативное воздействие на окружающую среду. В число таких источников входят гидроэлектростанции, которые имеют ряд преимуществ.
Что представляет собой гидроэлектростанция (ГЭС)?
Гидроэлектростанция (ГЭС) — это инженерные сооружения, которые используют энергию воды для генерации электроэнергии. В настоящее время, ГЭС являются одним из наиболее популярных источников возобновляемой энергии в мире.
Основной принцип работы гидроэлектростанций заключается в преобразовании кинетической энергии воды, которая движется, в механическую энергию вращения турбины, которая затем преобразуется в электрическую энергию. На реках создаются плотины или дамбы, в результате чего образуются водохранилища. Вода, пройдя через специальные механизмы, направляется к турбинам, где ее кинетическая энергия преобразуется в механическую энергию вращения турбины.
Виды гидроэлектростанций
Выделяют несколько типов гидроэлектростанций в зависимости от способов использования водных ресурсов.
Гидроэлектростанции с использованием плотин
Данный вид гидроэлектростанций является наиболее распространенным, так как для обеспечения стабильного напора и потока воды на реке или озере создается водохранилище. Это может быть достигнуто за счет сооружения плотины на полноводных равнинных реках или на горных реках с узким руслом.
Приливные и отливные гидроэлектростанции (ПЭС)
Данные электростанции имеют особый тип, их работа основана на использовании энергии приливов и отливов. При этом устье реки, которая впадает в море или залив, блокируется плотиной с расположенными на ней гидравлическими механизмами. Данные агрегаты представляют собой установки, которые объединяют в себе гидротурбины и гидрогенератор. Промышленные гидроагрегаты могут производить электроэнергию в генераторном режиме и выполнять роль насосов, перемещая воду через водохранилище (для использования в периоды отсутствия приливов или отливов). Важно отметить, что в случае второго варианта речь идет о гидроаккумулирующих электростанциях (ГАЭС). Первая и, пока что, единственная экспериментальная станция в России, Кислогубская ПЭС (приливная электростанция) мощностью 1,7 МВт, была возведена в 1964-1968 годах. Она находится в губе Кислая Баренцева моря, неподалеку от посёлка Ура-Губа в Мурманской области.
Бесплотинные гидроэлектростанции
По сути, это новый перспективный вид гидроэлектростанций без напора. Они предназначены для использования в качестве источника энергии погруженных в воду генераторов различных конструкций (их ассортимент постоянно расширяется). В России функционируют несколько десятков гидроэлектростанций подобного типа, которые характеризуются сравнительно невысокой мощностью вырабатываемой энергии.
Принцип действия гидроэлектростанций
Принцип работы гидроэлектростанции (ГЭС) представляет собой довольно простой механизм. Вода, которая собирается в искусственном водохранилище, под влиянием своего напора оказывает давление на лопасти турбины. Движение турбины приводит в действие гидрогенератор, который способен генерировать электрический ток. На практике процесс гораздо более сложен.
Первоначально необходимо создать водохранилище, как правило, это искусственный резервуар, который формируется путем создания водоудерживающих сооружений и плотины в руслах рек. Это нужно для создания давления и перекрытия потока воды. Порой для деривации используется естественный поток воды, а иногда требуется создание плотины и деривация. Ключевым моментом является то, что каждая гидроэлектростанция уникальна и не существует двух абсолютно одинаковых ГЭС в мире. За исключением бесплотинных станций, которые могут иметь серийное производство.
Параллельно с возведением водохранилища строится сама станция, внутри которой устанавливаются гидроагрегаты. Осуществляется подвод воды, который оказывает давление на лопасти турбины, запуская генератор.
Весь комплекс оборудования, который касается энергетики, находится внутри станции. Снаружи находятся трансформаторная подстанция, распределительный пункт и линии электропередач, через которые осуществляется передача энергии, полученной от генерации в энергосистему.
Кроме того, имеется множество сооружений, которые используются в целях пропуска судов и рыбной ловли, защиты берегов от наводнений и обеспечения ирригации, а также для вспомогательных нужд самой электростанции (например, использование здания в качестве моста для транспорта). Однако эти сооружения не имеют отношения к производству энергии.
Преимущества гидроэлектростанций
Заслуги гидроэлектростанций широко известны и высоко ценились еще на заре развития электроэнергетики. В 1878 году была создана первая в мире гидроэлектростанции англичанином Уильямом Джорджем Армстронгом в Нортумберленде, предоставившая электропитание для освещения картинной галереи с использованием дуговой лампы, подчеркнуло множество удобств и преимуществ, которые так высоко оцениваются в области энергетики и экономики.
Экологические преимущества
Экологические преимущества гидроэлектростанций признаются экологами, несмотря на некоторые сложности, так как они всё же оказывают некоторое воздействие на природную среду. Главным преимуществом использования возобновляемой энергии является отсутствие процесса сжигания топлива, что позволяет исключить выброс в атмосферу вредных газов. Также, водохранилища могут снизить риск возникновения природных катастроф, таких как наводнения, паводки и разрушение береговой линии. Кроме того, они могут обеспечить потребителей водой и местом для отдыха.
Устойчивость и надёжность электроснабжения
Высокая устойчивость и надёжность электроснабжения обеспечивается постоянным круговоротом воды в природе, что даёт возможность эффективно производить электроэнергию с помощью гидроэлектростанций, которые имеют высокий уровень мощности. Данный аспект играет ключевую роль в поддержании стабильности глобальной энергетической системы. Обязательно нужно учитывать сезонные особенности эксплуатации станции, особенно в зимний период с его уникальными природно-климатическими условиями.
Экономическая эффективность
Эффективность гидроэлектростанций напрямую зависит от их низкой стоимости производства электроэнергии по сравнению с тепловыми, атомными или другими электростанциями, которые используют возобновляемые ресурсы (солнечные, ветровые, геотермальные). Данная выгода заключается в том, что водные ресурсы используются практически бесплатно, а строительство сооружений не требует больших затрат, так как они являются крупнейшими в мире. Кроме того, они имеют низкую стоимость и просты в эксплуатации, что позволяет использовать их без значительных трудовых затрат.
Гидроэлектростанции в мировой энергетике
В Китае, несмотря на некоторый спад в развитии гидроэнергетических мощностей в последние 7 лет, процесс их развития возобновился и стал более интенсивным в начале 20-х годов XXI века. В настоящий момент Китай занимает лидирующие позиции в мировой гидроэнергетике.
Вклад в снижение выбросов парниковых газов
Ситуация в этом вопросе неоднозначна, так как водохранилища могут выполнять роль как источников выброса углекислого газа и метана в атмосферу (чаще всего это осуществляется интенсивно в первые 20 лет после постройки ГЭС), так и в роли поглотителей углерода. Эти факторы зависят от стадии эксплуатации гидросооружений, температуры воды и состава донных отложений.
Различия между ГЭС и ТЭЦ
| Характеристика | Гидроэлектростанции (ГЭС) | Тепловые электростанции (ТЭЦ) |
| Источник энергии | Использует энергию потока воды (гидроэнергию). | Использует тепловую энергию, обычно получаемую при сжигании топлива (угля, газа, нефти). |
| Возобновляемость | Возобновляемый источник энергии. | Не являются возобновляемым источником. |
| Воздействие на окружающую среду | Могут оказывать воздействие на экосистему рек и водохранилищ. | Могут приводить к выбросам парниковых газов и другим загрязнениям атмосферы. |
| Надежность | Относительно высокая надежность, стабильность работы. | Зависит от типа используемого топлива. |
| Производство электроэнергии | Производит электроэнергию с использованием турбин, приводимых в движение потоком воды. | Производит электроэнергию при сгорании топлива для нагрева воды, которая затем приводит турбины в движение. |
| Зависимость от топливных ресурсов | Не требует топливных ресурсов (вода обеспечивает движение турбин). | Требует регулярной поставки и снабжения топливом (уголь, газ, нефть). |
| Влияние на климат | Не воздействует на климат в отношении выброса парниковых газов. | Может оказывать негативное воздействие на климат из-за выбросов парниковых газов и других загрязнений. |
| Затраты на топливо | Низкие затраты, так как вода является бесплатным ресурсом. | Зависят от цен на используемое топливо. |
| Гибкость в регулировании мощности | Могут регулировать мощность в зависимости от потока воды. | Обладают относительной гибкостью в регулировании мощности, но не всегда могут оперативно реагировать на изменения спроса. |
| Загрязнение водоемов | Может привести к изменению экосистемы водоемов из-за создания водохранилищ. | Не приводит к прямому воздействию на водные ресурсы, но может вызывать загрязнение при сбросе тепловых вод. |
| Инфраструктурные затраты | Требуется строительство плотин, гидротурбин и водохранилищ. | Требуют строительства котельных, трубопроводов и турбин, а также системы охлаждения. |
ГЭС изнутри
Теоретически с гидроэлектростанциями все понятно — вода идет из верхнего бьефа в нижний, крутит рабочее колесо турбины. Турбина вращает генератор, а тот вырабатывает электричество…
Интересны детали.
Хозяйке на заметку: чтобы получить 1 киловатт-час электроэнергии, надо спустить с высоты 27 метров 14 тонн воды.
(Детали подсмотрены в процессе посещения девяти разных гидроэлектростанций).
Перефразируя классика: все тепловые электростанции похожи друг на друга, каждая гидроэлектростанция устроена по-своему. Иными словами, типовых ГЭС не существуют, все ГЭС разные. У каждой свой расход воды, напор, рельеф, грунт, климат, близость моря, объем водохранилища…
Вот, например, вроде бы обычный машинный зал станции. За исключением того, что все окна в нем — искусственные, с подсветкой.
Все потому, что машинный зал находится в скале на глубине 76 метров.
Это первая в СССР подземная гидроэлектростанция, с поверхности к ней идут четыре водовода диаметром 6 м. А это шахта, также вырубленная в скальном основании, для извлечения из глубинного машзала оборудования в случае его ремонта/замены:
Затворы и сбросные сооружения
В идеале вся вода должна идти через турбины и давать энергию. Но не всегда это возможно.
Часть воды приходится сбрасывать мимо ГЭС:
— при ремонте гидроагрегатов;
— при весенних паводках, если нет водохранилища многолетнего регулирования (а его часто нет);
— бывает, что в каскаде ГЭС (станций, стоящих на одной реке) пропускная способность верхней станции больше, чем нижней; тогда нижняя должна пустить часть воды мимо турбин, иначе ее просто затопит;
— иногда открывают холостой водосброс по запросу рыбзаводов для пропуска мальков вниз по течению;
— и т.д.
Холостой водосброс Беломорской ГЭС — это три затвора.
Довольно много внимания уделено вопросу резервирования, потому что не суметь вовремя понизить уровень в водохранилище — это чревато. Любой из затворов здесь можно опустить/поднять козловым краном, два из трех — электрическими лебедками. В крайнем случае можно и вручную (со скоростью, правда, 3 см/мин).
Затвор поднят, идет холостой сброс для водозабора города Беломорска, находящегося ниже по течению:
Для борьбы с обледенением затворов применяют индукционный подогрев. На обогрев данного экземпляра, например, требуется 150 кВт:
Иногда для этого же делают барботаж — пропускают воздух из глубины вдоль затвора; видим шланг системы сжатого воздуха:
На сбросе предусматривают мероприятия для гашения кинетической энергии потока — водобойные колодцы, столкновение потоков, ступени или, как здесь, на Волховской ГЭС — водобойная плита с гасителями:
О рыбе
На Нижнетуломской ГЭС сделан специальный рыбоход для семги, поднимающейся на нерест вверх по течению. Конструкция имитирует собой полукилометровый горный ручей с камнями на дне, зигзагообразными проходами и местами для отдыха рыбы.
Интересно, что в период нереста на ГЭС отключают ближний к рыбоходу 4-й гидроагрегат, чтобы семга могла услышать шум рыбохода и направиться именно туда.
На Верхнетуломской станции рыбоход сделали в виде 2-километрового тоннеля с подсветкой и специального рыболифта, но такая конструкция оказалась неудачной, рыба не пошла. Из положения вышли — тоннель превратили в рыбзавод и пускают в него теплую воду от охлаждения генераторов. И малькам хорошо, и энергоэффективность налицо. Откуда в генераторе теплая вода — см.ниже.
Безопасность
Напомню, что при аварии-2009 на Саяно-Шушенской ГЭС после прорыва воды в машинный зал было быстро потеряно электропитание собственных нужд станции, в результате чего сброс затворов на водоприемниках пришлось производить вручную. По следам этого происшествия на ГЭС активно занялись резервным питанием — аварийные дизель-генераторы, аккумуляторы.
Это тоже элемент безопасности — аэрационные трубы в верхней части водоводов Кондопожской ГЭС:
Толщина стальных стенок водоводов сравнительно небольшая — 12 мм. Кольца водоводов рассчитаны на большое внутреннее давление или небольшой вакуум. Но если закрыть верхние затворы и водовод резко опорожнить, то внутри них возникнет глубокий вакуум, и трубы могут деформироваться. Аэрационные трубы впустят воздух при опорожнении, и все будет хорошо.
Остатки деревянного водовода 1930-х годов:
На случай, если во время работы турбинный водовод все же прорвется, предусмотрена защитная стенка (в центре кадра):
Благодаря ей вода пойдет не направо — на административное здание, а обойдет станцию слева и по выемке уйдет в нижний бьеф.
Управление и контроль
Сейчас мы находимся между турбиной и генератором и наблюдаем соединяющий их вал. Слева видна схема гидроагрегата с выведенными на нее манометрами, показывающими давления в системе смазки.
Под ногами — гидравлические приводы направляющего аппарата:
Больше параметров можно увидеть в машинном зале.
Температуры воды и воздуха, уровни воды в бьефах:
Мнемосхема на дисплее.
Этот гидроагрегат не работает (мощность 0 МВт, направляющий аппарат закрыт, частота вращения ротора 0 %).
Хорошо видно, как из спиральной камеры турбины (внизу) вода отбирается и подается на охладители генератора (он в центре, красного цвета, охладители А и Б) и для смазки подпятника, верхнего (ВГП) и нижнего (НГП) генераторных подшипников. Да-да, они смазываются водой. Отсюда и берется теплая вода для рыбзавода.
В правой части виден красный бак с маслом — это гидравлическая система управления направляющим аппаратом. Здесь же показываются давления, расходы и уровни всех жидкостей.
Информация о вибрациях:
В скобках: официально причиной разрушения гидроагрегата на той же Саяно-Шушенской было названо усталостное разрушение шпилек крепления крышки турбины из-за вибраций, возникавших при переходах гидроагрегата через диапазон «запрещенной зоны» (есть и другие мнения, но сейчас не об этом).
Где находится «запрещенная зона», увидим на центральном пульте управления ГЭС:
Гидроагрегаты Г1, Г3, Г4 в работе, Г2 остановлен. На черном фоне — мощность, которую вырабатывают генераторы 38,1/38/38 МВт соответственно. У Г3 и Г4 столбики красные, потому что они работают на полную мощность, у Г1 еще есть резерв. За столбиками видна красная зона — это как раз тот диапазон мощности, в котором гидроагрегату нежелательно работать и который при пуске/останове надо побыстрее проскочить.
Кстати, знающий человек еще снаружи здания скажет, какой из гидроагрегатов не работает:
Вторая пара противовесов поднята — значит, затворы на турбинных водоводах агрегата номер 2 опущены.
Весьма активно внедряют удаленное управление.
Так, например, эта станция на 60 МВт работает круглосуточно, но персонал на ней бывает только днем и в рабочие дни, в остальное время — управляется по телемеханике с головной ГЭС:
ГЭС работают по т.н. диспетчерскому распоряжению, которое регламентирует когда и сколько станции выдавать электроэнергии. Поскольку ГЭС — самые маневренные источники энергии (быстро запускаются и быстро останавливаются), то они служат для покрытия пиковых нагрузок и их выработка меняется в зависимости от времени суток и дня недели. В отличие от тепловых и атомных электростанций, которые обеспечивают базовую часть потребления и работают в относительно стабильном режиме.
Диспетчерское распоряжение на экране (сорри за космическое качество снимка; по оси абсцисс — часы, по оси ординат — мощность):
Диспетчерское задание учитывает взаимное влияние ГЭС в каскаде, уровни воды в их водохранилищах, запросы потребителей по воде и электричеству и т.д. и на основании этого распределяет выработку энергии между станциями. Любопытно, что на реке Паз на границе между Норвегией и Россией работает 5 российских и 2 норвежских ГЭС, а сама река вытекает из финского озера. И ничего, как-то договорились.
- Компьютерное железо
- Энергия и элементы питания
Гидроэлектростанция (ГЭС)
Гидроэлектростанция (ГЭС) — электростанция, в качестве источника энергии использующая энергию водного потока.
Гидроэлектростанция (ГЭС) — электростанция, в качестве источника энергии использующая энергию водного потока.
Гидроэлектростанции обычно строят на реках, сооружая плотины и водохранилища.
Для эффективного производства электроэнергии на ГЭС необходимы 2 основных фактора: круглогодичная гарантированная обеспеченность водой и наличие больших уклонов реки.
Принцип работы ГЭС.
Цепь гидротехнических сооружений обеспечивает необходимый напор воды, поступающей на лопасти гидротурбины, которая приводит в действие генераторы, вырабатывающие электроэнергию.
Необходимый напор воды формируется строительством плотины, что приводит к концентрации реки в определенном месте, или естественным током воды (деривацией), или использованием совместно и плотины, и деривации.
В здании ГЭС располагается все энергетическое оборудование.
В машинном зале расположены гидроагрегаты, непосредственно преобразующие энергию тока воды в электрическую энергию, и дополнительное оборудование: устройства управления и контроля над работой ГЭС, трансформаторная станция, распределительные устройства и многое другое.
ГЭС разделяются в зависимости от вырабатываемой мощности:
- мощные — вырабатывают от 25 МВт и выше;
- средние — до 25 МВт;
- малые гидроэлектростанции — до 5 МВт.
- высоконапорные — более 60 м;
- средненапорные — от 25 м;
- низконапорные — от 3 до 25 м.
На высоконапорных ГЭС применяются ковшовые и радиально-осевые турбины с металлическими спиральными камерами.
На средненапорных ГЭС применяются поворотнолопастные и радиально-осевые турбины.
На низконапорных ГЭС применяются поворотнолопастные турбины в железобетонных камерах.
ГЭС делятся в зависимости от принципа использования природных ресурсов:
- На русловых ГЭС напор воды создается посредством установки плотины, полностью перегораживающей реку, или поднимающей уровень воды в ней на необходимую отметку.
- На приплотинных ГЭС напор воды также создается при полном перегораживании плотины, здание ГЭС располагается за плотиной, в нижней её части.
Вода, имеющая большее давление, нежели на русловых ГЭС, подводится к турбинам через специальные напорные тоннели.
- На деривационных ГЭС необходимая концентрация воды посредством деривации.
- На гидроаккумулирующих ГЭС (обозначаемых ГАЭС) вырабатываемая электроэнергия аккумулируется и используется в моменты пиковых нагрузок.
В течение времени не пиковой нагрузки агрегаты ГАЭС работают как насосы от внешних источников энергии, когда её стоимость не высока (например, ночью), и закачивают воду в специально оборудованные верхние бассейны.
В моменты пиковых нагрузок вода из них поступает в напорный трубопровод и приводит в действие турбины.
В состав ГЭС могут входить шлюзы, судоподъемники, рыбопропускные, ирригационные водозаборные сооружения и др.
Для производства электрической энергии используются возобновляемые природные ресурсы, поэтому конечная стоимость получаемой электроэнергии ниже, чем при использовании других видов электростанций, и нет вредных выбросов в атмосферу.
Однако построить ГЭС можно только там, где можно создать большой напор воды.
Создаваемые при этом водохранилища обычно заливают большую территорию земли, иногда это приводит к нарушению экологического равновесия.