Виды, устройство и принцип работы гидроэлектростанций (гэс), потенциал гидроэнергетики

Классификация

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 зависит от напора и расхода воды, а также от КПД используемых турбин и генераторов. Из-за того, что по природным законам уровень воды постоянно меняется, в зависимости от сезона, а также ещё 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.

В зависимости от напора воды, в гидроэлектростанциях применяются различные виды турбин. Для высоконапорных — ковшовые и радиально-осевые турбины с металлическими спиральными камерами. На средненапорных ГЭС устанавливаются поворотнолопастные и радиально-осевые турбины, на низконапорных — поворотнолопастные турбины в железобетонных камерах.

Принцип работы всех видов турбин схож — поток воды поступает на лопасти турбины, которые начинают вращаться. Механическая энергия, таким образом, передаётся на гидрогенератор, который и вырабатывает электроэнергию. Турбины отличаются некоторыми техническими характеристиками, а также камерами — стальными или железобетонными, и рассчитаны на различный напор воды.

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

• плотинные ГЭС. Это наиболее распространённые виды гидроэлектрических станций. Напор воды в них создаётся 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.
• приплотинные 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 ГЭС. Такие электростанции строят в тех местах, где велик уклон реки. Необходимый напор воды в ГЭС такого типа создаётся 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 создаётся более высокая плотина, и создаётся водохранилище — такая схема ещё называется смешанной деривацией, так как используются оба метода создания необходимого напора воды.
• гидроаккумулирующие электростанции. Такие ГАЭС способны аккумулировать вырабатываемую электроэнергию и пускать её в ход в моменты пиковых нагрузок. Принцип работы таких электростанций, следующий: в определённые периоды (не пиковой нагрузки), агрегаты ГАЭС работают как насосы от внешних источников энергии и закачивают воду в специально оборудованные верхние бассейны. Когда возникает потребность, вода из них поступает в напорный трубопровод и приводит в действие турбины.

В состав гидроэлектрических станций, в зависимости от их назначения, также могут входить дополнительные сооружения, такие как шлюзы или судоподъёмники, способствующие навигации по водоёму, 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. В виду того, что потребности в дополнительном топливе для ГЭС нет, конечная стоимость получаемой электроэнергии значительно ниже, чем при использовании других видов электростанций.

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.

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.

Новые энергообъекты добавили киловатты в общий котел

Суммарная установленная мощность электростанций ЕЭС России в прошлом году составила 239 812, 2 МВт. Годом ранее этот показатель равнялся 236 343,63 МВт. Показатели удалось увеличить за счет ввода новых мощностей и наращивания установленной мощности уже работающего оборудования. Самыми популярными в прошлом году стали паросиловые установки (ПСУ), они заняли 80% от общего числа внедренного оборудования. Парогазовые установки (ПГУ) составили 14,6% по распространенности и 4,5% в общем котле у газотурбинных установок (ГТУ); 0,5% отвели другим вариантам энергооборудования.

Всего за последние 2 года было введено 7,9 ГВт установленной мощности. Среди крупнейших введенных мощностей: Троицкая ГРЭС (0,7 ГВт), Ново-Салаватская ПГУ (0,4 ГВт), Верхнетагильская ГРЭС (0,5 ГВт), Ярославская ТЭС (0,5 ГВт), Казанская ТЭЦ-3 (0,4 ГВт).

Установленная мощность солнечных электростанций выросла в 2017 году в 7,1 раза, ветряных — в 12,3 раза. Несмотря на существенный прирост, их доля в общей энергетической мощности ЕЭС России остается по итогам 2017 года мизерной — 0,22% солнечных электростанций и 0,06% ветряных. Но в совокупности с ГЭС доля ВИЭ в электрической мощности ЕЭС России составляет 20,5%.

Установленная электрическая мощность электростанций (мегаватт (тысяча киловатт), значение показателя за год)

По опубликованному отчету «Сведения о производстве и распределении электрической энергии» №23-Н, наибольшая установленная мощность электростанций значится у Тюменской области — 21 146,3 МВт. На втором месте Красноярский край, совокупная мощность его станций составляет 18 446,4 МВт. «Бронза» в этом списке досталась Москве с установленной мощностью 16 505,8 МВт.

Следом за Татарстаном в ПФО по показателю установленной мощности лидирующие позиции занимает Пермский край (7,9 ГВт). В 2017 году на Пермской ГРЭС ввели в эксплуатацию четвертый парогазовый энергоблок установленной мощностью 861 МВт. Мощность станции возросла на треть — до 3 363 МВт, благодаря чему Пермская ГРЭС вошла в пятерку крупнейших теплоэлектростанций России.

Замыкает тройку лидеров ПФО Саратовская область с установленной мощностью в 2017 году 6 709,6 МВт. У Саратова есть мощный ресурс в виде Балаковской АЭС, которая в год вырабатывает более 31 млрд киловатт-часов электроэнергии, что фактически в два раза больше, чем потребляют жители области. Добавим, хотя область и сумела удержаться в лидерах, ее показатель установленной мощности в прошлом году упал на 1%, годом ранее он составил 6 736,4 млн кВтч. Вероятно, это связано с выводом устаревшей генерации.

Говоря о вводе новых мощностей в ПФО, нужно отметить установку ПГУ мощностью 432 МВт на Ново-Салаватской ТЭЦ в Башкирии, введенной в 2016 году. Также среди крупных проектов Приволжского федерального округа — недавний ввод в эксплуатацию Затонской ТЭЦ, строительство которой началось еще в 2008 году в Башкортостане, а окончательно завершилось в марте нынешнего года. Установленная электрическая мощность станции составляет 418 МВт.

Самая маленькая установленная мощность у Еврейской автономной области, в 2017 году она составила 5,7 МВт. При этом нужно отдать должное области — несмотря на низкие показатели, ЕАО ежегодно наращивает свои мощности. Так, в 2015 году этот показатель составлял всего 3,6 МВт, в 2016-м — 5,3 МВт.

Более чем в два раза снизилась установленная мощность в Республике Тыва. Если в 2016 году этот показатель составлял 98,6 МВт, то в 2017 году он составил 45 МВт. В список регионов аутсайдеров по динамике установленной мощности также вошла Брянская область, ее показатель упал с 58,9 МВт в 2016 году до 42,2 МВт в 2017 году. В ПФО показатели снизились у Удмуртии. Ее установленная мощность упала с 836,4 МВт в 2016 году до 773 МВт в 2017 году. Скорее всего, падение связано с реконструкцией одной из старейших станций республики, Ижевской ТЭЦ-1, и выводом из эксплуатации устаревшего оборудования.