Гидроэлектростанция, принцип работы, конструкция и составляющие

Гидроэлектростанция, принцип работы, конструкция и составляющие.

 

 

Гидроэлектростанция (ГЭС) представляет собой сложную технологическую систему, конечной целью которой является получение электроэнергии из речного водотока.

 

Гидроэнергия – альтернативный путь получения дешевой энергии

Гидроэлектростанция как гидротехническое сооружение

Принцип работы гидроэлектростанции

Конструкция и составляющие гидроэлектростанции

Классификация гидроэлектростанций

Плюсы и минусы, преимущества и недостатки гидроэлектростанций

Перспективы использования гидроэлектростанций

Крупнейшие гидроэлектростанции в мире

Крупнейшие гидроэлектростанции в России

 

Гидроэнергия – альтернативный путь получения дешевой энергии:

На всех этапах своего развития человеческая цивилизация остро нуждалась в источниках дешевой энергии, чтобы обогреть жилища и поддерживать простейшие производственные операции ремесленного люда. К основным источникам энергии относилась тепловая энергия, получаемая от сгорания древесины, торфа, каменного угля и производных углеводородного сырья без переработки.

Однако, для получения тепловой энергии необходимо было иметь соответствующие запасы сырья. Иными словами, чтобы в домашнем очаге крестьянина, жившего в средневековье, горел огонь, а в печи ремесленника присутствовал жар, нужно было заготавливать дрова или иметь нужный запас угля. Потребность в топливе постоянно росла, что обусловило необходимость возведения угольных шахт, привело к вырубке лесов и совершенствованию добычи углеводородного сырья.

Несмотря на традиционные представления, сформированные в научной среде на протяжении столетий, всегда имелась реальная альтернатива общепринятым источникам энергии. Речь идет о гидроэнергии, которая скрыта внутри движущихся водных потоках. В действительности, объемы энергии, сосредоточенной в русловых водотоках и приливных движениях природных вод безмерны. Наиболее перспективным вариантом получения дешевой энергии является преобразование внутреннего потенциала течения в электрический ресурс за счет разности уровней потока. До середины XIX века большое распространение получили водяные колёса, преобразующие силу падающей воды в механическую энергию вращающегося вала. Принцип работы водяного колеса широко применялся в водяных мельницах, в работе кузнечного молота и мехов. В последующем, на смену водяным колёсам пришли более производительные гидротурбины с высоким КПД.

В первой половине прошлого века во многих развитых странах мира начинают возводить уникальные гидротехнические сооружения – гидроэлектростанции (ГЭС). Считается, что в России первая гидроэлектростанция была построена на реке Берёзовка в Рудном Алтае в 1892 году. Берёзовская ГЭС, мощностью 200 КВт обеспечивала электричеством систему шахтного водоотлива из Зыряновского рудника.

 

Гидроэлектростанция (ГЭС) как гидротехническое сооружение:

На сегодняшний день существует несколько определений гидроэлектростанции (ГЭС). К наиболее распространенному варианту формулировки данного определения следует отнести следующее:

Гидроэлектростанция (ГЭС) представляет собой сложную технологическую систему, конечной целью которой является получение электроэнергии из речного водотока.

Или, например, такое:

Гидроэлектростанция (ГЭС) — электростанция, в качестве источника энергии использующая энергию водного потока.

Очевидно, что главным условием работы гидроэлектростанции является соблюдение нескольких факторов:

а) поступление больших объемов воды круглый год,

б) максимальный уклон речного рельефа, что позволит водной массе низвергаться вниз.

Гидроэлектростанции (ГЭС) строят на реках, чтобы иметь доступ к восполняемому источнику воды.

Для бесперебойной и стабильной работы станции необходим резервный запас воды, сосредоточенный в водохранилище. Благодаря искусственному водоему с заданными объемами водной массы можно регулировать мощность потока воды. Чтобы получить водохранилище с четко обозначенными границами возводят плотину, которая перегораживает водоток.

Гидроэлектростанция относится к одному из видов гидротехнических сооружений, которые возводятся человеком с целью рационального использования водных ресурсов. Гидротехнические сооружения имеют конкретное функциональное назначение, однако, все их разновидности обслуживают водные потоки.

Видов гидротехнических сооружений множество: это собственно гидроэлектростанция, судоподъёмник, шлюз, плотина, дренажная система, волнолом, пирс, дамба.

Таким образом, гидроэлектростанцию следует рассматривать, как один из видов искусственных сооружений, возводимых человеком на речном водотоке.

По своему предназначению, гидроэлектростанция (ГЭС) является гидротехническим сооружением, использующим огромную массу падающей водной массы для выработки электроэнергии.

При принятии решения по строительству ГЭС принимают во внимание потенциальные возможности естественного речного водотока в плане поставки достаточного водного ресурса.  Кроме того, на данном этапе следует досконально изучить особенности местного рельефа, который может существенно влиять на мощность станции.

 

Принцип работы гидроэлектростанции:

В упрощенном понимании принцип работы ГЭС можно представить следующим образом. Необходимый для работы гидроэлектростанции поток воды подается от нескольких гидротехнических сооружений. Напор водной массы давит на лопасти гидротурбины, которые приводятся во вращательное движение. С момента начала вращения лопастей механическая энергия передается на гидрогенераторы, которые в свою очередь начинают вырабатывать электроэнергию.

 

Конструкция и составляющие гидроэлектростанции. Машинный зал. Гидротурбины. Генераторы тока. Гидрогенераторы. Плотина (дамба). Уравнительный резервуар:

Одним из центральных помещений гидроэлектростанции является машинный зал, в котором размещается базовое энергетическое оборудование. Под машинный зал выделяется большое помещение, расположенное в нижней части объекта. В зале на специальной бетонной основе размещается целая система гидроагрегатов, которые в свою очередь состоят из гидротурбин и генераторов тока. Поток воды, подводимый к турбинам, заставляет лопасти крутиться, в результате чего гидрогенераторы начинают вырабатывать ток.

Длина машинного зала зависит от количества расположенных здесь гидротурбин. Зал оснащается мостовым краном, благодаря которому происходит периодическая замена изношенного оборудования, т.е. гидротурбин и генераторов тока. Турбины, выпускаемые отечественной промышленностью, рассчитаны на разный напор воды, поэтому подбираются для конкретной ГЭС с учетом рассчитанной мощности. Работой гидротурбин и электрогенераторов управляет дежурная смена операторов из другого помещения, расположенного в здании ГЭС.

Анализируя многие неоднозначные моменты работы гидроэлектростанции, нельзя упустить назначение отдельных гидротехнических сооружений, без которых процесс преобразования механической энергии в принципе невозможен. К таким важным гидротехническим сооружениям следует отнести плотину (дамбу).

Главное предназначение плотины – целенаправленное перекрытие речного русла с перенаправлением водотока по закрытому каналу или искусственному руслу в направлении гидроэлектростанции. Плотина, совместно с электростанцией образуют комплексное гидротехническое сооружение – гидроузел. В результате перекрытия водотока реки образуется достаточно объемное водохранилище, уровень которого может регулироваться посредством увеличения или снижения напора выпуска. В гористых районах возводятся глухие плотины, полностью перекрывающие речное русло. Для получения большого напора низвергающейся водной повышаются требования к массе плотины, повышающей ее прочность. Вот почему во время строительства горных плотин используется бетонная (железобетонная) основа. Достаточной надежностью отличаются каменные плотины, возведенные из плотных скальных пород или высокопрочного полнотелого кирпича.

Очевидно, что для обеспечения бесперебойной работы ГЭС необходимо поддерживать напор в заданных пределах. Поэтому, вода, поступающая к гидротурбинам, предварительно сосредотачивается в уравнительном резервуаре. Данный подход актуален для электростанций, возведенных на реках с естественным течением водных масс, не меняющимся на протяжении года. Для речных водоемов с нестабильной скоростью потока требуется возведение плотины с формированием четких границ водохранилища, что сопровождается подъемом уровня воды.

Безаварийную круглосуточную работу ГЭС обеспечивает устройство управления и контроля станции.

Немаловажное значение имеет дополнительное оборудование – трансформаторная подстанция и распределительные устройства.

От слаженной работы всех систем и устройств зависит безопасность эксплуатации электростанции. В силу сложности инициируемых рабочих операций и технологических регламентов возрастает ответственность руководящего аппарата и обслуживающего персонала за безаварийную эксплуатацию всего объекта.

 

Классификация гидроэлектростанций. Типы и виды гидроэлектростанций:

В зависимости от степени напора водяной массы различают:

– низконапорные гидроэлектростанции (высота напора здесь варьируется в пределах от 3 до 25 метров), при этом устанавливаются поворотно-лопастные гидротурбины;

– средненапорные гидроэлектростанции (высота напора здесь может находиться в пределах 25-60 метров), при этом практикуется установка гидротурбин радиально-осевого и поворотно-осевого типа;

– высоконапорные гидроэлектростанции (высота напора здесь больше 60 метров), при этом используются гидротурбины ковшового и радиально-осевого типа.

В зависимости о мощности вырабатываемой электроэнергии встречаются:

– ГЭС большой мощности, более 25 МВт;

– ГЭС средней мощности, менее 25 МВт;

– маломощные ГЭС, мощность которых не превышает 5 МВт.

В зависимости от принципа использования водного ресурса, различают:

– плотинные станции генерации электроэнергии. ГЭС такого типа – наиболее распространенный вариант. Плотина (дамба) возводится с целью перегораживания русла реки и подъема уровня воды для создания необходимого напора. Вода подается на гидротурбины непосредственно из созданного водохранилища. Сфера применения – многоводные реки на равнинах и горные реки с узким руслом;

– приплотинные станции. ГЭС данного типа возводятся с целью получения повышенного напора. Плотина полностью перегораживает речное русло, а вода подается через специальный канал к гидротурбинам, расположенным в нижней части ГЭС;

– станции деривационного типа, возводимые в местах с большим уклоном реки. Вода отводится к зданию ГЭС через водоотводы. Деривационные ГЭС могут быть с напорной деривацией, безнапорные или смешанного типа;

– гидроаккумулирующие станции. Станции подобного типа в обычной обстановке могут аккумулировать вырабатываемую электроэнергию, а в моменты пиковых нагрузок отдавать в систему для поддержания станции в рабочем состоянии;

– гирляндная свободно-проточная станция. Принцип работы такой станции следующий: в речной проток поперек русла (под углом) опускается трос с нанизанными роторами, которые под воздействием течения вырабатывают электроэнергию. Данный тип ГЭС является примером преобразования потенциала водной массы в электроэнергию без возведения плотины.

 

Плюсы и минусы, преимущества и недостатки гидроэлектростанций. Экологические последствия использования гидроэлектростанций:

К преимуществам использования ГЭС следует отнести:

– дешевизну получаемого энергетического ресурса (стоимость энергии получаемой на ГЭС в разы ниже, чем на тепловых станциях);

– использование неисчерпаемой «зеленой» энергии природы;

– отсутствие вредных выбросов в атмосферу;

– быстрый набор мощности после запуска станции;

– возрастают возможности промышленного разведения рыбы.

К недостаткам ГЭС относится:

– риски аварий гидротехнических сооружений, возведенных в горных районах с высокими показателями сейсмичности;

– экологические проблемы, характерные для больших водохранилищ, связанные с периодической убылью воды (уменьшение трофических цепей, загрязнение водоема, обеднение фитомассы, исчезновение мест гнездования перелетных птиц, элиминация беспозвоночных);

– затопление плодородных участков низин с потерей возможностей получения пользы от их эксплуатации.

 

Перспективы использования гидроэлектростанций:

На сегодняшний день гидроэнергетика является весьма перспективным направлением развития энергетического сектора государств. В отличие от атомной энергетики, гидроэнергетика более предпочтительна, поскольку несет меньше рисков аварийности и нанесения вреда всему живому. Многие страны Запада закрывают атомные проекты, отдавая предпочтение более безопасным и экологически чистым технологиям получения дешевой энергии.

Однако развитию гидроэнергетики мешает ряд факторов:

а) необходимость расширения производства гидротурбин;

б) недостаток финансирования проектов гидроэнергетики;

в) удаленность гидроэлектростанций от мегаполисов и густонаселенных территорий, что влияет на эффективность передачи энергетического ресурса.

Толчком к развитию гидроэнергетики может стать совершенствование технологий аккумулирования и передачи электроэнергии на большие расстояния.

 

Крупнейшие (большие) гидроэлектростанции в мире:

№	Наименование	Страна	Река	Год пуска/достройки (модернизации)	Мощность (МВт)	Выработка в год, млрд кВт⋅ч	Площадь вдхр. (км²)
1	Три ущелья	Китай	Янцзы	2003/2007/2012	22 500	98,1	632
2	Байхэтань  (строящаяся)	Китай	Янцзы	2021(?)	16 000*	60,24	?
3	Итайпý	Бразилия / Парагвай	Парана	1984/1991/2003	14 000	98,6]	1 350
4	Силоду	Китай	Янцзы	2014	13 860	55,2	108
5	Белу Монти (строящаяся)	Бразилия	Шингу	2016/2019(?)	11 233*	39,5	448
6	Гýри	Венесуэла	Карони	1978/1986	10 235	53,41	4 250
7	Удундэ (строящаяся)	Китай	Янцзы	2018/2020(?)	10 200*	?	?
8	Тукуруи	Бразилия	Токантинс	1984/2007	8 370	41,43	3 014
9	Тасанг (строительство остановлено)	Мьянма	Салуин	???	7 110*	35,45	870
10	Гранд-Кули	США	Колумбия	1942/1980/1985	6 809	20	324
11	Хидасэ (строящаяся)	Эфиопия	Голубой Нил	2018/2022(?)	6 450*	16,15	1 562
12	Сянцзяба	Китай	Янцзы	2012/2014	6 448	30,8	95,6
13	Лунтань	Китай	Хуншуйхэ	2007/2009	6 426	18,7	?
14	Саяно-Шушенская	Россия	Енисей	1985/1989	6 400	24	621
15	Тарбела (строятся 4-я и 5-я очереди)	Пакистан	Инд	1976/2018/2023	4 888 / 6 298**	13	250
16	Красноярская	Россия	Енисей	1967/1971	6 000	20,4	2 000
17	Ночжаду	Китай	Меконг	2012/2014	5 850	23,9	320
18	Робер-Бурасса	Канада (Квебек)	Ла-Гранд	1979/1981	5 616	26,5	2 835
19	Водопад Черчилля	Канада (Ньюфаундленд и Лабрадор)	Черчилль	1971/1974	5 428	35	6 988
20	Цзиньпин-II	Китай	Ялунцзян	2012/2014	4 800	?	?
21	Братская	Россия	Ангара	1961/1966	4 530	22,6	5 426
22	Диамер-Бхаса (строящаяся)	Пакистан	Инд	2023(?)	4 500*	19,03	112
23	Дасу (строящаяся)	Пакистан	Инд	2023(?)	4 320*	?	?
24	Ласива	Китай	Хуанхэ	2010	4 200	10,23	?
25	Сяовань	Китай	Меконг	2010	4 200	19	190
26	Ясирета́	Аргентина / Парагвай	Парана	1998/2011	3 850	20,09	1 695
27	Усть-Илимская	Россия	Ангара	1980	3 840	21,7	1 833
28	Жирау	Бразилия	Мадейра	2013/2016	3 750	19,2	258
29	Цзиньпин-I	Китай	Ялунцзян	2014	3 600	16-18	?
30	Рогунская (строящаяся)	Таджикистан	Вахш	2018/2024(?)	3 600*	13,8	?
31	Myitsone (строительство остановлено)	Мьянма	Иравади	???	3 600*	16,63	766
32	Санту Антониу	Бразилия	Мадейра	2012/2016	3 568,3	21,3	421
33	Илья-Солтейра	Бразилия	Парана	1974	3 444	17,9	1 195
34	Эртань	Китай	Ялунцзян	1999	3 300	17	101
35	Pubugou	Китай	Дадухэ	2009/2010	3 300	14,6	?
36	Макагуа	Венесуэла	Карони	1961/1996/2015	3 245	15,2	47,4
37	Шингó	Бразилия	Сан-Франсиску	1994/1997	3 162	18,7	60
38	Нурекская	Таджикистан	Вахш	1979/1988	3 015	13,2	98
39	Гоупитань	Китай	Ву	2009/2011	3 000	9,67	94,3
40	Guanyinyan	Китай	Янцзы	2014/2016	3 000	?	?
41	Лянхэкоу (строящаяся)	Китай	Ялунцзян	2021/2023(?)	3 000*	?	?
42	Богучанская	Россия	Ангара	2012/2014	2 997	17,6	2 326
43	Плотина Беннетта	Канада (Британская Колумбия)	Пис	1968/2012	2 917	13,1	1 761
44	Мика	Канада (Британская Колумбия)	Колумбия	1973/2015	2 805	7,2	430
45	Ля-Гранд-4	Канада (Квебек)	Ла-Гранд	1986	2 779	?	765
46	Волжская	Россия	Волга	1961/2025	2 744,5	10,43	3 117
47	Гэчжоуба	Китай	Янцзы	1988	2 715	17,01	?
48	Плотина вождя Джозефа	США	Колумбия	1958/1973/1979	2 620	12,5	34
49	Даганшань	Китай	Дадухэ	2015/2016	2 600	11,43	?
50	Чанхэба	Китай	Дадухэ	2016/2017	2 600	8,34	?
51	Даниел-Джонсон	Канада (Квебек)	Маникуаган	1970/1989	2 592	?	1 942
52	им. Роберта Мозеса	США	Ниагара	1961	2 525	?	–
53	Жигулевская	Россия	Волга	1957/2018	2 488	11,7	6 450
54	Ревелсток	Канада (Британская Колумбия)	Колумбия	1984/2011	2 480	?	115
55	Паулу-Афонсу IV	Бразилия	Сан-Франсиску	1979/1983	2 462	?	–
56	Итуанго (строящаяся)	Колумбия	Каука	2018(?)	2 456*	9,2	38
57	им. Мануэля Торреса / Чикоасен	Мексика	Грихальва (каньон Сумидеро)	1980/2005	2 430	?	?
58	Ля-Гранд-3	Канада (Квебек)	Ла-Гранд	1984	2 418	?	2 420
59	Плотина Ататюрка	Турция	Евфрат	1993	2 400	8,9	817
60	Тери (строящаяся)	Индия	Бхагиратхи	2006/2018	2 400	6,53	52
61	Jinanqiao	Китай	Янцзы	2010	2 400	?	?
62	Шонла	Вьетнам	Да	2010/2012	2 400	10,25	440
63	Бакун	Малайзия	Балуи	2011	2 400	?	695
64	Liyuan	Китай	Янцзы	2014/2015	2 400	?	14,7
65	Гуанди	Китай	Ялунцзян	2012/2013	2 400	?	?
66	Токома (строящаяся)	Венесуэла	Карони	2016/2018(?)	2 320*	12,1	87
67	Карун-3	Иран	Карун	2005	2 280	4,17	48
68	Железные Ворота-I	Румыния / Сербия	Дунай	1970/2013	2 254,8	11,3	104
69	Maerdang (строящаяся)	Китай	Хуанхэ	2016/2018(?)	2 200*	?	?
70	Плотина Джона Дея	США	Колумбия	1971	2 160	8,41	?
71	Каруачи	Венесуэла	Карони	2006	2 160	12,95	238
72	Лудила	Китай	Янцзы	2014	2 160	?	?
73	Ля-Гранд-2-А	Канада (Квебек)	Ла-Гранд	1992	2 106	?	2 835
74	Асуанская	Египет	Нил	1970	2 100	11	5 250
75	Итумбиара	Бразилия	Паранаиба	1980	2 082	?	778
76	Плотина Гувера	США	Колорадо	1939/1961	2 080	4	639
77	Кахóра-Бáсса	Мозамбик	Замбези	1975/1977	2 075	?	2 039
78	Лаука (строящаяся)	Ангола	Кванза	2018(?)	2 069,5*	8,64	188
79	Бурейская	Россия	Бурея	2003/2009	2 010	5,07	740
80	Лицзяся	Китай	Хуанхэ	1997/2000	2 000	?	383
81	Карун-1	Иран	Карун	1976/1995/2006	2 000	?	54,8
82	Карун-2	Иран	Карун	2002/2007	2 000	3,7	7,49
83	Ахаи	Китай	Янцзы	2012/2014	2 000	8,89	23,4
84	Готванд (строящаяся)	Иран	Карун	2012/2018(?)	2 000*	4,5	96,5
85	Субансири (строящаяся)	Индия	Субансири	2016/2018(?)	2 000*	7,42	33,5
86	Shuangjiangkou (строящаяся)	Китай	Дадухэ	2018(?)	2 000*	8,34	?

 

Примечание:

* – указана проектная мощность,

** – указана мощность после достройки.

 

Крупнейшие гидроэлектростанции в России:

По состоянию на 2017 год в России имеется 15 действующих гидроэлектростанций свыше 1000 МВт, и более сотни гидроэлектростанций меньшей мощности.

Наименование	Мощность, ГВт	Среднегодовая выработка, млрд кВт·ч	Река
Саяно-Шушенская ГЭС	6,40	23,50	р. Енисей, г. Саяногорск
Красноярская ГЭС	6,00	20,40	р. Енисей, г. Дивногорск
Братская ГЭС	4,52	22,60	р. Ангара, г. Братск
Усть-Илимская ГЭС	3,84	21,70	р. Ангара, г. Усть-Илимск
Богучанская ГЭС	3,00	17,60	р. Ангара, г. Кодинск
Волжская ГЭС	2,66	11,63	р. Волга, г. Волгоград и г. Волжский (плотина ГЭС находится между городами)
Жигулёвская ГЭС	2,46	10,34	р. Волга, г. Жигулёвск
Бурейская ГЭС	2,01	7,10	р. Бурея, пос. Талакан
Чебоксарская ГЭС	1,40 (0,8)*	3,50 (2,2)*	р. Волга, г. Новочебоксарск
Саратовская ГЭС	1,40	5,7	р. Волга, г. Балаково
Зейская ГЭС	1,33	4,91	р. Зея, г. Зея
Нижнекамская ГЭС	1,25 (0,45)*	2,67 (1,8)*	р. Кама, г. Набережные Челны
Загорская ГАЭС	1,20	1,95	р. Кунья, пос. Богородское
Воткинская ГЭС	1,04	2,28	р. Кама, г. Чайковский
Чиркейская ГЭС	1,00	1,74	р. Сулак, п. Дубки

 

Примечание:

* – указана проектная (фактическая)  мощность / среднегодовая выработка.

 

Примечание: © Фото //www.pexels.com, //pixabay.com

Источник: //ru.wikipedia.org/wiki/Крупнейшие_ГЭС_в_мире,

//ru.wikipedia.org/wiki/Гидроэлектростанция#Крупнейшие_ГЭС

 

крупнейшие большие мощность малые турбина мощные источник энергии работа первые высота плотины составляющие строительство принцип работы кпд гидроэлектростанции россии мира цена город на карте презентация доклад беларуси
тепловая первая самая мощная принцип плотина гэс гидроэлектростанция какая на реке купить ротор эль гури своими руками фото на волге для дома видео для детей
энергия каскад проблемы гидроэлектростанций
аварии на гидроэлектростанциях