Многообразие вариантов и уникальность технических решений применяемых при строительстве гидроэлектростанций поражает воображение. На самом деле, не так легко найти две одинаковые станции. Но всё же существует их классификация, основанная на определённых признаках - критериях.

Способ создания напора

Пожалуй, самый очевидный критерий - способ создания напора :

• русловая гидроэлектростанция (ГЭС);
• деривационная гидроэлектростанция;
• гидроаккумулирующая электростанция (ГАЭС);
• приливная электростанция (ПЭС).

Между этими четырьмя основными видами гидроэлектростанций есть характерные отличия. Речная гидроэлектростанция располагается на реке, перекрывая плотиной её течение для создания напора и водохранилища. Деривационная ГЭС обычно располагается на извилистых горных реках, где можно соединить рукава реки водоводом чтобы пустить часть потока по более короткому пути. Напор при этом создаётся естественным перепадом рельефа местности, а водохранилище может и вовсе отсутствовать. Гидроаккумулирующая электростанция представляет собой два бассейна, располагающихся на разных уровнях. Бассейны соединены водоводами, по которым вода может перетекать в нижний бассейна из верхнего и перекачиваться обратно. Приливная электростанция располагается в заливе, перекрытом плотиной для создания водохранилища. В отличии от гидроаккумулирующей электростанции рабочий цикл ПЭС зависит от явления приливов/отливов.

Величина напора

По величине напора, создаваемого гидротехническим сооружением (ГТС) гидроэлектростанции делятся на 4 группы:

• низконапорные - до 20 м;
• средненапорные - от 20 до 70 м;
• высоконапорные - от 70 до 200 м;
• сверхвысоконапорные - от 200 м.

Стоить отметить что классификация по величине напора носит относительный характер и разнится от одного источника к другому.

Установленная мощность

По установленной мощности станции - сумме номинальных мощностей генерирующего оборудования установленного на ней. Эта классификация имеет 3 группы:

• микро-ГЭС - от 5 кВт до 1 МВт;
• малые ГЭС - от 1 кВт до 10 МВт;
• крупные ГЭС - свыше 10 МВт.

Классификация по установленной мощности также как и по величине напора, не является строгой. Одну и ту же станцию в разных источниках могут относить к разным группам.

Конструкция плотины

Существует 4 основных группы плотин гидроэлектростанций:

• гравитационная;
• контрфорсная;
• арочная;
• арочно-гравитационная.

Гравитационная плотина представляет собой массивную конструкцию удерживающую воду в водохранилище за счёт своего веса. Контрфорсная плотина использует несколько другой механизм – свой относительно небольшой вес она компенсирует весом воды, давящей на наклонную грань плотины со стороны верхнего бьефа. Арочная плотина , пожалуй самая изящная, имеет форму арки, упирающейся основанием в берега и округлой частью выпуклой в сторону водохранилища. Удержание воды у арочной плотины происходит за счёт перераспределения давления с фронта плотины на берега реки.

Расположение машинного зала

Точнее, по расположению машинного зала относительно плотины , не путать с компоновкой! Эта классификация имеет значение только для русловых, деривационных и приливных электростанций.

• руслового типа;
• приплотинного типа.

При русловом типе машинный зал располагается непосредственно в теле плотины, приплотинной типе - возводится отдельно от тела плотины и обычно располагается сразу за ним.

Компоновка

Под словом "компоновка" в данном контексте подразумевается расположение машинного зала относительно русла реки. Будьте внимательны при чтении другой литературы на эту тему, потому как слово компоновка имеет более широкое значение. Классификация справедлива только для русловых и деривационных электростанций.

• русловая;
• пойменная;
• береговая.

При русловой компоновке здание машинного зала располагается в русле реки, пойменной компоновке - в пойме реки, а при береговой компоновке - на берегу реки.

Зарегулированность

А именно степень зарегулированности стока реки. Классификация имеет значение только для русловых и деривационных гидроэлектростанций.

• суточного регулирования (цикл работы - одни сутки);
• недельного регулирования (цикл работы - одна неделя);
• годичного регулирования (цикл работы - один год);
• многолетнего регулирования (цикл работы - несколько лет).

Классификация отражает насколько велико водохранилище гидроэлектростанции по отношению к объему годового стока реки.

Все приведённые критерии не являются взаимно исключаемыми, то есть одна и та же ГЭС может быть речного типа, высоконапорной, средней мощности, русловой компоновки с машинным залом приплотинного типа, арочной плотиной и водохранилищем годичного регулирования.

Список использованных источников

1. Брызгалов, В.И. Гидроэлектростанции: учеб. пособие / В.И. Брызгалов, Л.А. Гордон - Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2002. - 541 с.
2. Гидротехнические сооружения: в 2 т. / М.М. Гришин [и др.]. - Москва: Высшая школа, 1979. - Т.2 - 336 с.

В энергосистеме ГЭС обычно используется для выработки электроэнергии, покрытия графика нагрузки, особенно его пиковой части, регулирования частоты электрического тока в системе, в качестве резерва и для выработки реактивной мощности в режиме синхронного компенсатора.

Режим работы ГЭС в энергосистеме зависит от расхода воды, напора, объема водохранилища, потребностей энергосистемы, ограничений по верхнему и нижнему бьефу.

Агрегаты ГЭС по техническим условиям могут быстро включаться, набирать нагрузку и останавливаться. Причем включение и выключение агрегатов, регулирование нагрузки могут происходить автоматически при изменении частоты электрического тока в энергосистеме. Для включения остановленного агрегата и набора полной нагрузки обычно требуется всего 1-2 мин.

Мощность на валу гидротурбины (кВт) определяется как

где т - расход воды через гидротурбину, м 3 /с;
Н т - напор турбины, м;
η т - коэффициент полезного действия (КПД) турбины.

Напор турбины равен:

где ∇ВБ, ∇НБ - отметки уровня воды соответственно в верхнем и нижнем бьефе, м;
Н г - геометрический напор;
∆h - потери напора в водоподводящем тракте, м.

Потери напора обычно составляют 2-5 % Н г. Значение КПД гидротурбины зависит от ее конструкции, размеров и режимов работы. Коэффициент полезного действия современных крупных гидротурбин может достигать 0,95.

Электрическая мощность гидроагрегата N a на выводах генератора

(17.9)

где η ген - КПД гидрогенератора.

Обычно КПД гидрогенератора равен 0,9-0,98.

Регулирование мощности агрегата ГЭС производится изменением расхода, проходящего через гидротурбину. Мощность ГЭС в i-й момент времени равна:

(17.10)

где гi , H гi , η гi - расход ГЭС, напор ГЭС и КПД ГЭС соответственно в i-й момент времени.

Выработка электроэнергии ГЭС (кВт · ч) за период времени Т (ч) определяется как

(17.11)

В качестве расчетного периода Т рассматриваются час, сутки, неделя, месяц, год.

Годовая выработка электроэнергии ГЭС не является постоянной величиной, а изменяется в зависимости от объема стока, поступающего в водохранилище, степени его регулирования и условий эксплуатации ГЭС. При годичном регулировании годовая выработка электроэнергии ГЭС, как правило, существенно колеблется в основном за счет энергоотдачи в паводковый период.

При многолетнем регулировании неравномерность выработки электроэнергии по годам бывает незначительной.

Среднемноголетняя выработка электроэнергии является важной характеристикой, используемой при определении технико-экономических показателей ГЭС.

Для оценки работы ГЭС в энергосистеме служит условное число часов использования установленной мощности в году Т у представляющее собой отношение:

где N у - установленная мощность ГЭС;
г - среднегодовая выработка.

Для остропиковых ГЭС Т у ≤ 2000 ч, а для ГЭС, работающих в полупиковом режиме, Т у возрастает до 4000 ч. Если ГЭС предназначается для базисной работы, то Т у составляет обычно 6000-6500 ч. Теоретическим пределом является Т у = 8760 ч.

Эксплуатационный персонал на ГЭС существенно меньше, чем на тепловой или атомной электростанции аналогичной мощности.

Себестоимость выработки электроэнергии на ГЭС обычно в 6-8 раз ниже, чем на ТЭС или АЭС.

Люди очень давно научились использовать энергию воды для того, чтобы вращать рабочие колеса мельниц, станков, пилорам. Но постепенно доля гидроэнергии в общем количестве энергии, используемой человеком, уменьшилась. Это связано с ограниченной возможностью передачи энергии воды на большие расстояния. С появлением электрической турбины, приводимой в движение водой, у гидроэнергетики появились новые перспективы.

 Гидроэлектростанция представляет собой комплекс различных сооружений и оборудования, использование которых позволяет преобразовывать энергию воды в электроэнергию. Гидротехнические сооружения обеспечивают необходимую концентрацию потока воды, а дальнейшие процессы производятся при помощи соответствующего оборудования.

Гидроэлектростанции возводятся на реках, сооружая плотины и водохранилища. Большое значение для эффективности работы станции имеет выбор места. Необходимо наличие двух факторов: гарантированная обеспеченность водой в течение всего года и как можно больший уклон реки. Гидроэлектростанции разделяются на плотинные (необходимый уровень реки обеспечивается за счёт строительства плотины) и деривационные (производится отвод воды из речного русла к месту с большой разностью уровней).

Отличаться может и расположение сооружений станции. Например, здание станции может входить в состав водонапорных сооружений (так называемые русловые станции) или располагаться за плотиной (приплотинные станции).

Определение гидроэлектростанции

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 два основных фактора: гарантированная обеспеченность водой круглый год и возможно большие уклоны реки, благоприятствуют гидростроительству каньонообразные виды рельефа.

Технологии

Работа гидроэлектростанций основана на использовании кинетической энергии падающей воды. Для преобразования этой энергии применяются турбина и генератор. Сначала эти устройства вырабатывают механическую энергию, а затем уже электроэнергию. Турбины и генераторы могут устанавливаться непосредственно в дамбе или возле неё. В некоторых случаях используется трубопровод, посредством которого вода, находящаяся под давлением, подводится ниже уровня дамбы или к водозаборному узлу ГЭС.

Индикаторами мощности гидроэлектростанций являются две переменные: расход воды, который измеряется в кубических метрах и гидростатический напор. Последний показатель представляет собой разность высот между начальной и конечной точкой падения воды. Проект станции может основываться на каком-то одном из этих показателей или на обоих.

Современные технологии производства гидроэлектроэнергии позволяют получать довольно высокий КПД. Иногда он в два раза превышает аналогичные показатели обычных теплоэлектростанций. Во многом такая эффективность обеспечивается особенностями оборудования гидроэлектростанций. Оно очень надёжно, да и пользоваться им просто.

Кроме того, всё используемое оборудование обладает ещё одним важным преимуществом. Это длительный срок службы, что объясняется отсутствием теплоты в процессе производства. И действительно часто менять оборудование не нужно, поломки случаются крайне редко. Минимальный срок службы электростанций – около пятидесяти лет. А на просторах бывшего Советского Союза успешно функционируют станции, построенные в двадцатых или тридцатых годах прошлого века. Управление гидроэлектростанциями осуществляется через центральный узел, и вследствие этого в большинстве случаев там работает небольшой персонал.

Практически каждый представляет себе предназначение гидроэлектростанций, однако лишь немногие достоверно понимают принцип работы ГЭС. Основная загадка для людей - каким образом вся эта огромная плотина без какого-либо топлива генерирует электрическую энергию. Об этом и поговорим.

Что такое ГЭС?

Гидроэлектростанция - это сложный комплекс, состоящий из разных сооружений и специального оборудования. Возводятся гидроэлектростанции на реках, где есть постоянный приток воды для наполнения плотины и водохранилища. Подобные сооружения (плотины), создаваемые при постройке гидроэлектростанции, необходимы для концентрации постоянного потока воды, который при помощи специального оборудования для ГЭС преобразовывается в электрическую энергию.

Отметим, что важную роль в плане эффективности работы ГЭС играет выбор места для строительства. Необходимо наличие двух условий: гарантированная неиссякаемая обеспеченность водой и высокий угол

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.

Мощности

Есть разные гидроэлектростанции, которые можно поделить по вырабатываемой мощности:

1. Очень мощные - с выработкой более 25 МВт.
2. Средние - с выработкой до 25 МВт.
3. Малые - с выработкой до 5 МВт.

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.

Гидроэлектростанции России

На сегодняшний день на территории России действует около 100 гидроэлектростанций. Конечно, их мощность разная, и большая часть - это станции с установленной мощностью до 10 МВт. Есть также такие станции, как Пироговская или Акуловская, которые были введены в эксплуатацию еще в 1937 году, а их мощность составляет всего 0.28 МВт.

Самыми крупными являются Саяно-Шушенская и Красноярская ГЭС с мощностью 6400 и 6000 МВт соответственно. За ними следуют станции:

1. Братская (4500 МВт).
2. Усть-Илимская ГЭС (3840).
3. Бочуганская (2997 МВт).
4. Волжская (2660 МВт).
5. Жигулевская (2450 МВт).

Несмотря на огромное количество подобных станций, они вырабатывают всего 47700 МВт, что равно 20% от суммарного объема всей производимой энергии в России.

В заключение

Теперь вы понимаете принцип работы ГЭС, преобразовывающих механическую воды в электрическую. Несмотря на достаточно простую идею получения энергии, комплекс оборудования и новые технологии делают подобные сооружения сложными. Впрочем, по сравнению с они действительно являются примитивными.

ГЭС - это гидроэлектростанция, преобразующая энергию водного потока в электрическую. Поток воды, падая на лопасти, вращает турбины, которые, в свою очередь, приводят в движение генераторы, преобразующие механическую энергию в электрическую. Гидроэлектростанции сооружаются на руслах рек, при этом обычно строятся плотины и водохранилища.

Принцип работы

Основа работы ГЭС - это энергия падающей воды. Из-за разности уровней речная вода образует непрерывный поток от истока к устью. Плотина - неотъемлемая часть практически всех гидроэлектростанций, перекрывает движение воды в русле реки. Перед плотиной образуется водохранилище, создавая значительную разницу уровня воды до и после нее.

Верхний и нижний уровень воды называют бьефом, а разницу между ними - высотой падения или напором. Принцип работы достаточно прост. На нижнем бьефе устанавливается турбина, на лопасти которой направляется поток с верхнего бьефа. Падающий поток воды приводит в движение турбину, а она через механическую связь вращает ротор электрического генератора. Чем больше напор и количество воды, проходящее через турбины, тем выше мощность гидроэлектростанции. Коэффициент полезного действия составляет около 85%.

Особенности

Существует три фактора эффективного производства энергии на гидроэлектростанциях:

• Круглогодичная гарантированная водообеспеченность.
• Благоприятствующий рельеф. Наличие каньонов и перепадов способствуют гидростроительству.
• Больший уклон реки.

Эксплуатация гидроэлектростанция имеет несколько, в том числе сравнительных особенностей:

• Себестоимость производимой электроэнергии существенно меньше, чем на других видах электростанций.
• Возобновляемый источник энергии.
• В зависимости от количества энергии, которое должна производить ГЭС, ее генераторы можно быстро включать и выключать.
• По сравнению с другими видами электростанций ГЭС намного меньше влияет на воздушную среду.
• В основном ГЭС - это удаленные от потребителей объекты.
• Строительство гидроэлектростанций очень капиталоемкое.
• Водохранилища занимают большие территории.
• Строительство плотин и устройство водохранилищ перекрывает многим видам рыб пути к нерестилищам, что кардинально меняет характер рыбного хозяйства. Но при этом в самом водохранилище устраиваются рыбоводческие хозяйства, увеличиваются запасы рыбы.

Виды

Гидроэлектростанции разделяют по характеру возведенных сооружений:

• Приплотинные ГЭС - это самые распространенные в мире станции, в которых напор создается плотиной. Строятся на реках с преимущественно небольшим уклоном. Для создания большого напора под водохранилища затопляются значительные территории.
• Деривационные - станции, сооружаемые на горных реках с большим уклоном. Нужный напор создается в обходных (деривационных) каналах при сравнительно малом расходе воды. Часть потока реки через водозабор направляется в трубопровод, в котором создается напор, что приводит в движение турбину.
• Гидроаккумулирующие станции. Они помогают справиться энергосистеме с пиковыми нагрузками. Гидроагрегаты таких станций способны работать в насосном и генераторном режиме. Состоят из двух водохранилищ в разных уровнях, соединенных трубопроводом с гидроагрегатом внутри. При высоких нагрузках вода сбрасывается из верхнего водохранилища в более низкое, при этом происходит вращение турбины и вырабатывается электричество. При низком спросе вода перекачивается назад из низкого хранилища в более высокое.

Гидроэнергетика России

На сегодняшний день в России суммарно вырабатывается более 100 МВт электроэнергии на 102 гидроэлектростанциях. Общая мощность всех гидроагрегатов ГЭС России составляет порядка 45 млн кВт, что соответствует пятому месту в мире. Доля ГЭС в общем количестве вырабатываемой электроэнергии в России составляет 21 % - 165 млрд кВт*ч/год, что также соответствует 5 месту в мире. По количеству потенциальных гидроэнергоресурсов Россия стоит на втором месте после Китая с показателем 852 млрд кВт*ч, но при этом степень их освоения составляет лишь 20%, что существенно ниже, чем практически у всех стран мира, в том числе развивающихся. Для освоения гидропотенциала и развития российской энергетики в 2004 году была создана Федеральная программа по обеспечению надежной эксплуатации функционирующих гидроэлектростанций, завершение действующих строек, проектирование и возведение новых станций.

Список крупнейших ГЭС России

• Красноярская ГЭС — г. Дивногорск, на реке Енисей.
• Братская ГЭС — г. Братск, р. Ангара.
• Усть-Илимская — г. Усть-Илимск, р. Ангара.
• Саяно-Шушенская ГЭС — г. Саяногорск.
• Богучанская ГЭС — на реке. Ангара.
• Жигулёвская ГЭС — г. Жигулевск, р. Волга.
• Волжская ГЭС — г. Волжский, Волгоградская обл, река Волга.
• Чебоксарская — г. Новочебоксарск, река Волга.
• Бурейская ГЭС — пос. Талакан, река Бурея.
• Нижнекамская ГЭС — Челны, р. Кама.
• Воткинская — г. Чайковский, р. Кама.
• Чиркейская — река. Сулак.
• Загорская ГАЭС — река. Кунья.
• Зейская — г. Зея, р. Зея.
• Саратовская ГЭС — река. Волга.

Волжская ГЭС

В прошлом Сталинградская и Волгоградская ГЭС, а ныне «Волжская», расположенная в одноименном городе Волжский на реке Волга, средненапорная станция руслового типа. На сегодняшний день считается крупнейшей гидроэлектростанцией в Европе. Количество гидроагрегатов - 22, электрическая мощность - 2592,5 МВт, среднегодовое количество вырабатываемой электроэнергии 11,1 млрд кВт*ч. Пропускная способность гидроузла - 25000 м3/с. Большая часть вырабатываемой электроэнергии поставляется местным потребителям.

Возведение ГЭС стартовало в 1950 году. Пуск первого гидроагрегата был осуществлен в декабре 1958. В полном объеме Волжская гидроэлектростанция заработала в сентябре 1961 года. Ввод в эксплуатацию сыграл важнейшую роль в объединении значимых энергосистем Поволжья, Центра, Юга и энергоснабжения Нижнего Поволжья и Донбасса. Уже в 2000-х годах было произведено несколько модернизаций, что позволило увеличить общую мощность станции. Кроме производства электроэнергии Волжская ГЭС используется для орошения засушливых земельных массивов Заволжья. На сооружениях гидроузла устроены автодорожные и железнодорожные переходы через Волгу, обеспечивающие связь районов Поволжья между собой.