Гидроэлектростанции входят в состав гидроузлов. Гидроузел – комплекс гидротехнических сооружений, обеспечивающих использование водных ресурсов для получения электрической энергии, водоснабжения, орошения, а также защиту от наводнений, улучшение условий судоходства, рыбоводства, рекреации и др.

Состав и назначение сооружений ГЭС. Если основной задачей создания гидроузла является получение электроэнергии, то его обычно называют ГЭС или гидроэнергетическим объектом. В комплексе сооружений гидроузла выделяют основные и вспомогательные сооружения. Для обеспечения производства строительно-монтажных работ в период строительства возводят временные сооружения.

Основные сооружения в зависимости от выполняемых функций подразделяют на:

Водоподпорные и водосбросные сооружения, предназначенные в зависимости от схемы ГЭС для создания водохранилища, всего или части напора ГЭС, пропуска в нижний бьеф эксплуатационных расходов, в том числе паводковых (включающие плотины и водосбросы разных типов), а также для сброса льда, шуги, промыва наносов (включающие для этих целей в ряде случаев специальные устройства). На многоводных реках максимальные паводковые расходы могут достигать 100 тыс.м3 /с и более. Так, на самой крупной в мире ГЭС «Три ущелья» на р. Янцзы (Китай) сооружения гидроузла рассчитаны на пропуск при ФПУ максимального расчетного паводка 102,5 тыс.м3 /с, на Чебоксарской ГЭС на Волге максимальный расчетный расход обеспеченностью 0,01% составляет 48 тыс.м3 /с, на Днепрогэсе – 25,9 тыс.м3 /с.

Энергетические сооружения, предназначенные для выработки электроэнергии и выдачи ее в энергосистему и включающие водоприемники; водоводы, подводящие воду из верхнего бьефа к гидротурбинам в здании ГЭС и отводящие воду от здания ГЭС в нижний бьеф; здания ГЭС с энергетическим оборудованием (гидротурбины, гидрогенераторы, трансформаторы и др.), механическим, подъемно-транспортным, вспомогательным оборудованием, системой управления; открытые (ОРУ) или закрытые (ЗРУ) распределительные устройства для приема и выдачи электроэнергии в энергосистему, а также аварийного отключения ЛЭП.

Судоходные и лесосплавные сооружения, предназначенные для пропуска судов, плотов через гидроузел и включающие шлюзы, судоподъемники с подходными и отводящими каналами, плотоходы и др.

Водозаборы для орошения, водоснабжения, обеспечивающие необходимую подачу воды и включающие водоприемники, насосные станции и др.

Рыбопропускные и рыбозащитные сооружения, предназначенные для пропуска проходных пород рыбы к нерестилищам в верхнем бьефе и в обратном направлении и включающие рыбоходы и рыбоподъемники.

Транспортные сооружения, предназначенные для связи сооружений гидроузла между собой, а также для пропуска через них автомобильных и железных дорог и включающие мосты, шоссейные и железные дороги и др.

В зависимости от природных условий участка размещения гидроузла (гидрологических, топографических, геологических, климатических), схемы создания напора, типа ГЭС часть основных сооружений гидроузла может быть совмещена друг с другом (например, водосливные здания ГЭС, где здание ГЭС совмещено с водосбросом).

Вспомогательные сооружения предназначены для обеспечения необходимых условий нормальной эксплуатации гидроузла и работы обслуживающего персонала и включают административно-бытовые здания, системы водоснабжения, канализации и др.

Временные сооружения, необходимые для производства строительно-монтажных работ, можно разбить на две группы.

К первой группе относятся сооружения, обеспечивающие пропуск расходов реки во время строительства в обход котлованов и строящихся сооружений и защиту их от затопления и включающие строительные каналы, водоводы, туннели, перемычки, системы водопонижения и др.

Ко второй группе относятся подсобные производственные предприятия, включающие бетонные заводы со складами цемента, заполнителей для бетона, арматурные, деревообрабатывающие и механические цеха, базы механизации и автотранспорта, склады, временные дороги, системы временного электроснабжения, связи, водоснабжения и др.

Во многих случаях часть временных сооружений после завершения строительства используют в период эксплуатации ГЭС. Так, из сооружений первой группы строительные каналы и туннели могут входить полностью или частично в состав водосбросов или водоводов ГЭС, а перемычки в состав плотин.

Сооружения второй группы полностью или частично могут использоваться как начальная инфраструктура территориальнопроизводственных комплексов, базирующихся на ГЭС.

Для обеспечения надежной и долговечной работы ГЭС в эксплуатационных условиях с учетом комплексного использования, достижения максимального экономического эффекта за счет снижения стоимости, сокращения сроков строительства и ускорения ввода в действие гидроагрегатов важное значение имеет выбор рациональной компоновки и типов сооружений, исходя из природных условий, параметров водохранилища и ГЭС, режимов эксплуатации.

Учитывая длительные сроки строительства крупных ГЭС, достигающие 5–10 лет, обычно предусматривается возведение сооружений и ввод гидроагрегатов в эксплуатацию очередями при недостроенных сооружениях, пониженных напорах, благодаря чему повышается экономическая эффективность.

ГЭС и ГАЭС подразделяют:

По способу создания напора, исходя из принципиальных схем использования гидравлической энергии на ГЭС, размещения здания ГЭС в составе сооружений: ГЭС с русловыми зданиями; ГЭС с приплотинными зданиями; деривационные ГЭС.

По установленной мощности (для ГАЭС по мощности в генераторном режиме) на: мощные – более 1000 МВт, средней мощности от 30 до 1000 МВт, малой мощности – менее 30 МВт.

По напору (максимальному): высоконапорные – более 300 м, средненапорные – от 30–50 до 300 м, низконапорные – менее 30–50 м.

ГЭС с русловыми зданиями обычно применяются на равнинных реках на мягких и скальных основаниях при напорах до 50 м и характеризуются тем, что здания ГЭС входят в состав напорного фронта и воспринимают давление воды со стороны верхнего бьефа. В комплекс сооружений ГЭС обычно входят бетонные сооружения, включающие здание ГЭС, водосливную плотину и судоходный шлюз, и земляные плотины, образующие большую часть напорного фронта. Во многих случаях русловые здания ГЭС выполняются совмещенными с водосбросами. Применение совмещенных русловых зданий на Киевской, Каневской, Днестровской (Украина), Плявинской (Латвия), Саратовской (Россия) ГЭС и ряде других позволило отказаться от водосливных бетонных плотин, сократить фронт бетонных сооружений и получить значительную экономию. На выбор общей компоновки сооружений ГЭС с русловыми зданиями, применяемых на многоводных реках, где расчетные паводковые расходы в период строительства могут достигать 10–20 тыс.м3 /с, существенно влияет схема пропуска расходов реки в период строительства.

В зависимости от расположения бетонных сооружений ГЭС различают следующие компоновки (рис. 4.1):

Береговая и пойменная компоновка.

Такие компоновки отличаются тем, что основные бетонные сооружения (здание ГЭС, водосливная плотина и др.) размещаются вне русла реки, их котлован ограждается перемычками, и в период их строительства пропуск строительных расходов, включая паводки, осуществляется по руслу реки. Когда бетонные сооружения возведены, русло перекрывается глухой плотиной, чаще всего земляной, и расходы реки пропускаются через бетонные сооружения. При береговой компоновке высота перемычек меньше, а при расположении котлована в пределах участка берега, не затапливаемого паводками строительного периода, вообще отпадает необходимость в устройстве перемычек. Существенным недостатком береговой компоновки является необходимость выполнения больших объемов земляных работ по выемке грунта в котловане, подводящем и отводящем каналах. При пойменной компоновке котлован бетонных сооружений размещается в пойме ближе к руслу, что приводит, с одной стороны, к увеличению высоты перемычек, ограждающих котлован, а, с другой, – к уменьшению объемов работ по выемке грунта.

Русловая компоновка. При такой компоновке бетонные сооружения размещаются в русле реки. При этом применяются следующие схемы их возведения:

В одном котловане, огражденном перемычками, с пропуском строительных расходов через выполненный в береге канал.

В две (редко в три) очереди, когда часть русла отгораживается перемычками и в ней возводят бетонные сооружения 1-й очереди, а через другую часть русла пропускают строительные расходы. Когда сооружения 1-й очереди возведены, через них пропускаются расходы реки, а другая часть русла ограждается перемычками и возводятся бетонные сооружения 2-ой очереди.

Смешанная компоновка. При такой компоновке бетонные сооружения размещаются частично в русле и на берегу (в пойме) или в русле на всей его ширине и частично на берегу (в пойме).

Выбор варианта компоновки ГЭС в каждом конкретном случае определяется природными условиями участка расположения ГЭС, обеспечением благоприятных условий эксплуатации, сокращения сроков строительства, стоимости гидроузла и производится на основании технико-экономического сопоставления вариантов.

В качестве примера на рис. 4.2 приведена компоновка Киевской ГЭС. В состав бетонных сооружений, расположенных на правом берегу, входят: русловое здание ГЭС с 20 горизонтальными капсульными гидроагрегатами суммарной установленной мощностью 360 МВт со среднегодовой выработкой 0,64 млрд. кВт·ч в год, совмещенное с поверхностными водосбросами, однокамерный шлюз. Земляная плотина, перекрывающая русло, и левобережная дамба имеют общую длину около 54 км. Максимальный напор ГЭС 11,8 м, расчетный – 7,6 м. Расчетный максимальный паводковый расход, пропускаемый через сооружения ГЭС, составляет 14,8 тыс.м3/с, а максимальный удельный расход на водобое равен 90 м3/с. В условиях песчаного основания для обеспечения надежной работы руслового здания ГЭС предусмотрены противофильтрационные мероприятия, включающие глинистый понур, шпунтовую завесу под фундаментной плитой здания ГЭС, за которой устроен дренаж, соединенный с нижним бьефом. Для недопущения опасных размывов дна при работе ГЭС и пропуске паводков в нижнем бьефе выполнено крепление, включающее водобой и рисберму из железобетонных плит толщиной от 2,5 до 1,5 м и ковша, заполненного каменной наброской, которая при образовании воронки размыва предотвратит дальнейший размыв.

В комплекс сооружений входит Киевская ГАЭС, расположенная на берегу Киевского водохранилища в 3,5 км от ГЭС.

ГЭС с приплотинными зданиями сооружаются на равнинных и горных реках, преимущественно на скальном основании при напорах от 30 до 300 м и характеризуются тем, что здание ГЭС размещается за плотиной.

От типа, высоты и других параметров плотины, природных условий створа зависят длина напорных водоводов и компоновка здания ГЭС.

В условиях равнинных рек компоновки ГЭС с приплотинными зданиями аналогичны компоновкам с русловыми зданиями и отличаются от них тем, что перед зданием находится бетонная плотина с водоприемником и напорными водоводами (станционная плотина), отделенная от здания ГЭС деформационным швом. Интересным примером такой компоновки является Днепрогэс (рис. 4.3).

После строительства Кременчугской ГЭС с водохранилищем полезной емкостью 9 км3 , обеспечивающим сезонное регулирование стока Днепра, расчетный максимальный паводковый расход Днепрогэса в условиях зарегулированного стока снизился с 40 до 25,9 тыс.м3 /с, благодаря чему освободилась часть водосливных отверстий (пролетов) плотины, что позволило использовать их в качестве водоприемных отверстий второго здания ГЭС общей мощностью 888 МВт и увеличить общую мощность Днепрогэса до 1595 МВт. К каждой турбине вода подается из двух пролетов (водоприемных отверстий) по двум железобетонным напорным трубопроводам, опирающимся на плотину и отделенным деформационным швом от здания ГЭС.

а

б в

Рис. 4.3. Днепрогэс: а – план; б, в – машинный зал соответственно ГЭС-1 и ГЭС-2; 1 – здание ГЭС-1; 2 – гравитационная плотина; 3 – здание ГЭС-2; 4 – шлюз

При более высоких напорах обычно в условиях горных рек компоновки ГЭС с бетонными плотинами и плотинами из грунтовых материалов имеют особенности.

Компоновки с бетонными плотинами, как правило, выполняются русловыми или смешанными с размещением здания ГЭС за гравитационной, контрфорсной или арочной плотинами и характеризуются расположением напорных водоводов в теле плотины, на ее верховой или низовой гранях (рис. 4.4). В состав гидроузла входят станционная плотина с приплотинным зданием ГЭС, водосбросная плотина и глухие плотины, которые могут быть бетонными и из грунтовых материалов.

В узких створах возникают трудности с размещением здания ГЭС и водосброса. В этих случаях водосброс может быть выполнен отдельно на берегу (например Чиркейская ГЭС) или в виде поверхностного водосброса, расположенного на перекрытии приплотинного здания ГЭС (например Токтогульская ГЭС). Крайне редко машинный зал ГЭС располагают в теле плотины (например ГЭС Монтейнар во Франции, где машинный зал с четырьмя гидроагрегатами общей мощностью 320 МВт размещается в полости внутри арочно-гравитационной плотины высотой 153 м и длиной по гребню 210 м, а поверхностный водосброс на низовой грани плотины). Такие встроенные здания, размещаемые в полости внутри бетонной плотины (см. рис. 4.4,г), составляют отдельную группу и условно относятся к приплотинным зданиям.

а б

в
г

Рис. 4.4. Компоновки ГЭС с приплотинными зданиями и бетонными плотинами: а – русловая компоновка – ГЭС «Три ущелья»: 1– водосливная плотина; 2 – левобережная и правобережная станционные плотины и здания ГЭС; 3 – судоподъемник; 4 – двухниточный шлюз; б – смешанная компоновка – ГЭС Итайпу: 1 – левобережная плотина из грунтовых материалов; 2 – канал для пропуска строительных расходов; 3 – временный водосброс; 4 – низовая перемычка; 5 – здание ГЭС; 6 – верховая перемычка; 7 и 8 – бетонная плотина; 9 – водосброс; 10 – правобережная плотина из грунтовых материалов; в – варианты расположения напорных водоводов ГЭС с приплотинным зданием; г – вариант со встроенным зданием

б

Рис. 4.5. Красноярская ГЭС: а – план; б – поперечный разрез станционной плотины и здания ГЭС; 1 – здание ГЭС; 2 – станционная плотина; 3 – водосливная плотина; 4–7 – глухие плотины; 8 – монтажная площадка; 9 и 10 – верховой и низовой судоходные пути; 11 – поворотное устройство; 12 – судовая камера; 13 – волнозащитная стенка

В относительно широких створах строительство обычно ведется в две очереди с возведением в первую очередь бетонной водосбросной плотины (или части плотины) и пропуском строительных расходов через стесненное русло реки, а после его перекрытия во вторую очередь – через водосбросные отверстия в возведенной водосбросной плотине и завершением строительства сооружений ГЭС.

В узких створах для пропуска строительных расходов выполняется строительный туннель, который в условиях эксплуатации может использоваться для устройства паводкового водосброса.

а
б

Рис. 4.6. Чиркейская ГЭС: а – поперечный разрез; б – план; 1 – плотина; 2 – водоприемник; 3 – напорные водоводы; 4 – здание ГЭС; 5 – подъездной туннель; 6 – эксплуатационный водосброс, совмещенный со строительным туннелем

Примерами ГЭС с приплотинным зданием в относительно широком створе являются самая крупная в мире ГЭС «Три ущелья» мощностью 18,2 млн. кВт (см.рис. 4,4,а ), ГЭС Итайпу мощностью 12,6 млн.кВт·ч, (см. рис. 4,4,б ), Саяно-Шушенская ГЭС мощностью 6.4 млн. кВт, Красноярская ГЭС мощностью 6 млн. кВт со среднегодовой выработкой 20,4 млрд. кВт·ч. В состав сооружений Красноярской ГЭС входят гравитационная плотина длиной 1065 м и максимальной высотой 125 м (рис. 4.5), состоящая из станционной и глухих плотин, водосливной плотины, обеспечивающей пропуск паводкового расхода 14,6 тыс.м3 /с (с учетом трансформации паводка в водохранилище при форсировке уровня), а также судоподъемник.

Примером ГЭС с приплотинным зданием в узком створе является Чиркейская ГЭС мощностью 1,0 млн.кВт с арочной плотиной длиной по гребню 333 м и максимальной высотой 233 м и с двухрядным расположением гидроагрегатов в здании (рис. 4.6). На левом берегу выполнен туннельный эксплуатационный водосброс, рассчитанный на пропуск паводкового расхода 3,5 тыс.м3 /с.

На Токтогульской ГЭС мощностью 1,2 млн.кВт с приплотинным зданием в узком створе с двухрядным расположением гидроагрегатов в здании ГЭС и гравитационной плотиной максимальной высотой 216 м в теле плотины размещены напорные водоводы ГЭС и глубинный водосброс, а на низовой грани плотины поверхностный водосброс (рис. 4.7).

В узких створах с бетонными плотинами и из грунтовых материалов могут применяться компоновки с береговым и подземным зданием ГЭС.

Основные компоновки ГЭС с плотинами из грунтовых материалов приведены на рис. 4.8. При этом здание ГЭС может размещаться непосредственно за плотиной (а) или применяются наиболее часто используемые компоновки с береговым (б) и подземным (в) зданием ГЭС.

Для компоновок ГЭС с плотинами из грунтовых материалов характерно береговое размещение эксплуатационных водосбросов для пропуска паводковых расходов: в виде берегового поверхностного водосброса с быстротоком или туннельного водосброса. Для пропуска строительных расходов обычно используются строительные туннели.

Комплекс гидроэнергетических сооружений, включающий водоприемник, водоводы, здание ГЭС, выполненные вне плотины, называют напорно-станционным узлом (НСУ) ГЭС.

Примером высоконапорной ГЭС с приплотинным зданием и плотиной из грунтовых материалов является Нурекская ГЭС мощностью 2,7 млн. кВт со среднегодовой выработкой 11.2 млрд. кВт·ч в год (рис. 4.9). К турбинам вода подводится от водоприемников башенного типа напорными туннелями. Для ускорения ввода в эксплуатацию ГЭС первые три гидроагрегата задействовали при пониженном напоре, когда плотина была возведена только на высоту 143 м (при проектной высоте 300 м), для чего были выполнены временный водоприемник и туннель. В период строительства пропуск расходов реки осуществлялся через три яруса строительных туннелей, расположенных на левом берегу. Паводковые расходы в эксплуатационный период (максимальный расход 5.4 тыс.м3/с обеспеченностью 0,01%) пропускаются через туннельный водосброс, соединенный с концевым участком строительного туннеля третьего яруса.

Деривационные ГЭС применяются при широком диапазоне напоров, начиная от нескольких метров на малых ГЭС и до 2000 м (ГЭС Райссек в Австрии имеет напор 1767 м), и строятся обычно в предгорных и горных районах.

ГЭС с безнапорной деривацией может применяться при незначительных колебаниях уровня воды в водохранилище. На таких ГЭС из водоприемника вода подается в деривационный канал, проходящий по берегу (при соответствующих топографических и геологических условиях), или в безнапорный деривационный туннель.

ГЭС с напорной деривацией применяется как при больших, так и при незначительных колебаниях уровня воды в водохранилище. На таких ГЭС из водоприемника вода подается в напорный деривационный трубопровод, расположенный на поверхности, или в напорный деривационный туннель (рис. 4.10). Сооружения деривационной ГЭС, а также ГЭС с плотинно-деривационной (комбинированной) схемой, при которой напор создается плотиной и деривацией (см. 2.4), включают:

Головной узел, который предназначен для создания подпора в реке и направления потока в деривацию, а также очистки воды от наносов, сора, в ряде случаев от льда, шуги, состоит из плотины, водосброса, водоприемника, отстойника, промывных и ледосбросных сооружений.

Головные узлы с низконапорными плотинами, сооружаемые обычно на горных реках, имеют водохранилища с ограниченным объемом, в связи с чем предусматриваются мероприятия для предотвращения их заполнения наносами. Для этого в составе гидроузла водосбросная бетонная плотина, оборудованная затворами, выполняется с низким порогом и достаточной шириной водосбросного фронта, что обеспечивает при пропуске паводковых расходов промыв наносов. При большом количестве в воде взвешенных наносов, которые могут привести к быстрому истиранию проточной части гидротурбин, устраиваются отстойники в виде камеры, в которой при уменьшении скорости потока взвешенные частицы оседают на дно, а затем удаляются.

Глухая часть плотины может выполняться бетонной или из грунтовых материалов. Водоприемник может быть совмещен с плотиной или выполнен на берегу.

Водохранилища обычно осуществляют суточное регулирование и характеризуются небольшой глубиной сработки, что позволяет выполнить как безнапорную, так и напорную деривацию.

Головные узлы с плотинами среднего и высокого напора характеризуются большим объемом водохранилища (с возможностью осаждения наносов в пределах мертвого объема) и значительной сработкой водохранилища при осуществлении сезонного или многолетнего регулирования стока. В связи с этим водоприемники выполняются глубинными, а деривация – напорной.

Плотины могут выполняться бетонными (гравитационными, контрфорсными, арочными) с устройством в них водосброса и во многих случаях водоприемника ГЭС, а также из местных материалов с размещением водосброса и водоприемника вне тела плотины.

Деривационные водоводы и сооружения на их трассе (деривация), осуществляющие подвод воды к станционному узлу, делятся на напорные (туннели, трубопроводы) и безнапорные (каналы, туннели), по трассе которых могут устраиваться водосбросы, дюкеры и другие сооружения.

Станционный узел включает при безнапорной деривации напорный бассейн с аванкамерой, водоприемником, аварийным водосбросом и независимо от типа деривации общие сооружения: турбинные напорные водоводы, при необходимости с уравнительным резервуаром, здание ГЭС, отводящие водоводы в виде канала или туннеля (напорного или безнапорного), распределительное устройство.

В составе станционного узла здания ГЭС выполняются береговыми открытыми, подземными и реже полуподземными.

Характерным примером плотинно-деривационной ГЭС является Ингурская ГЭС (Грузия) мощностью 1,3 млн.кВт (рис. 4.11), в состав головного узла которой входит арочная плотина высотой 271 м с паводковым водосбросом, рассчитанным на расход 1900 м3 /с. Водохранилище имеет полезный объем 0,68 км3 при глубине сработки 70 м. От глубинного водоприемника, рассчитанного на расход 450 м3 /с, начинается деривационный напорный туннель диаметром 9,5 м и длиной 15,3 км. В состав станционного узла ГЭС входят уравнительный резервуар шахтного типа, помещение дисковых затворов, туннельные турбинные водоводы, подземное здание ГЭС, отводящий безнапорный туннель и канал общей длиной 3,2 км.

Суммарный статический напор Ингурской ГЭС, равный 409,5 м, образуется из напоров, создаваемых плотиной (226 м) и деривацией (183,5 м). Расчетный напор равен 325 м, а среднегодовая выработка – 5.4 млрд. кВт·ч в год.

Типы зданий ГЭС и их основные элементы. Здание ГЭС представляет собой гидротехническое сооружение, в котором с помощью гидросилового, электрического, гидромеханического, вспомогательного оборудования, систем управления механическая энергия воды преобразуется в электроэнергию, передаваемую в энергосистему потребителям. При этом должны быть обеспечены надежная работа, прочность и устойчивость здания ГЭС при действии внешних нагрузок (гидростатического и гидродинамического давления, фильтрационного давления, температурных, сейсмических воздействий и др.), а также нагрузок от работы технологического оборудования.

Тип и конструктивные решения зданий ГЭС определяются общей компоновкой сооружений ГЭС и основным энергетическим оборудованием. В зависимости от напора и условий работы в зданиях ГЭС устанавливаются поворотно-лопатные, осевые, радиальноосевые, диагональные и ковшевые турбины.

Нижнюю часть здания, где размещается проточный тракт, включая спиральную камеру, отсасывающую трубу, турбинное оборудование и ряд технологических систем, называют агрегатной частью, а верхняя часть здания с верхним строением, где размещаются машинный зал с гидрогенераторами и крановым оборудованием, а также силовые трансформаторы, крановое оборудование водоприемника (в русловых зданиях), ремонтных затворов отсасывающих труб и другое технологическое оборудование, – надагрегатной частью.

На конструкцию и размеры здания ГЭС в плане и по высоте, заглубление в основание существенно влияют габариты гидроагрегата, спиральной (турбинной) камеры и отсасывающей трубы, заглубление оси рабочего колеса гидротурбины под уровень нижнего бьефа, количество гидроагрегатов. Как правило, в здании ГЭС устанавливаются два гидроагрегата и больше (например в здании Саратовской ГЭС – 23 гидроагрегата, Каневской ГЭС – 24 гидроагрегата), редко – один гидроагрегат, так как при его ремонте ГЭС полностью прекращает работу.

В состав здания ГЭС входит монтажная площадка, на которой производятся монтаж гидроагрегатов и их ремонт в период эксплуатации. В монтажной площадке также размещается часть вспомогательных систем.

Многоагрегатные здания ГЭС, имеющие значительную длину, делятся на отдельные секции деформационными швами: температурно-осадочными при мягком основании, температурными при скальном основании. Так, здание Волжской ГЭС мощностью 2530 МВт с 22 гидроагрегатами разделено на секции длиной 60 м, в каждой из которых размещаются по два агрегатных блока с поворотно-лопастными турбинами с диаметром рабочего колеса 9,3 м (при расчетном напоре 19 м и мощности 115 МВт).

Блок монтажной площадки обычно от здания также отделяется швом.

Агрегатная часть здания ГЭС характеризуется значительной массивностью. Она воспринимает гидростатическое и гидродинамическое давление в проточной части, нагрузки от оборудования и вышерасположенных конструкций здания и передает их на основание. Геологические условия оказывают значительное влияние на конструкцию агрегатной части здания. Так, при скальном основании она существенно облегчается. В агрегатной части здания размещаются системы технического водоснабжения, осушения проточной части, дренажа здания и др.

Конструкция агрегатной части зависит от типа здания ГЭС.

В соответствии с типами ГЭС различают:

Русловые здания ГЭС, которые входят в состав напорного фронта и воспринимают напор со стороны верхнего бьефа. В русловых зданиях с напором до 50 м могут применяться поворотно-лопастные турбины, а при напоре более 30 м – также радиально-осевые.

Приплотинные здания, располагающиеся за плотиной, воспринимающей напор со стороны верхнего бьефа. Подвод воды к ним осуществляется турбинными водоводами. В приплотинных зданиях с напором от 30 до 300 м применяются в основном радиальноосевые турбины, а также в определенных условиях высоконапорные поворотно-лопастные (например на ГЭС Орлик при диапазоне напоров 45–71 м и мощности агрегата 90 МВт) и диагональные (например Зейская ГЭС при диапазоне напоров 78,5–97 м и мощности агрегата 215 МВт).

Береговые здания, используваемые при плотинной и деривационной схемах ГЭС, практически не отличаются от приплотинных зданий.

Подземные здания, которые также применяются при плотинной и деривационной схемах ГЭС, имеют отводящие туннели (напорные или безнапорные). В зданиях деривационных ГЭС с большими напорами используются радиально-осевые турбины до напора 600 м и ковшевые турбины начиная с напоров 500 м и выше. Все приведенные типы зданий применяются как в схемах ГЭС, так и ГАЭС.

Основные схемы агрегатной части зданий ГЭС (кроме подземных зданий ГЭС) представлены на рис. 4.12. На схемах I и II приведены агрегатные части низконапорного руслового здания ГЭС с вертикальными гидроагрегатами и изогнутыми отсасывающими трубами соответственно несовмещенного и совмещенного типа с глубинными водосбросными водоводами, а на схемах IV и V – с горизонтальными и наклонными гидроагрегатами совмещенного типа с поверхностным водосбросом.

На схеме III приведена агрегатная часть приплотинного или деривационного здания ГЭС с металлической турбинной (спиральной) камерой круглого сечения.

На схеме VII показана агрегатная часть деривационной ГЭС с гидроагрегатами малой мощности с применением вертикальных конических, а также раструбных отсасывающих труб. При этом для отвода воды выполняется отводящий канал прямоугольного сечения.

На схеме VI приведена агрегатная часть деривационной ГЭС с ковшевыми (активными) гидротурбинами, которая отличается отсутствием турбинных камер обычного типа и отсасывающих труб, благодаря чему агрегатная часть значительно упрощается.

Параметры надагрегатной части здания ГЭС зависят от конструкции и размеров верхнего строения.

При верхнем строении закрытого типа с высоким машинным залом в пределах здания ГЭС и монтажной площадки обеспечиваются при различных климатических условиях наиболее благоприятные условия эксплуатации, монтажа и ремонта основного оборудования. При этом высота и ширина машзала определяются как условиями размещения в нем оборудования, так и доставки его кранами машзала в агрегатный блок или на монтажную площадку при монтаже или ремонте основного оборудования.

Верхнее строение обычно состоит из несущего каркаса в виде системы колонн, на которые опираются подкрановые балки и фермы перекрытия, стен, плит и кровли перекрытия.

Большинство зданий ГЭС выполняются с высоким машинным залом (рис. 4.13 – 4.15).

При верхнем строении полуоткрытого типа с пониженным машинным залом в пределах здания ГЭС и монтажной площадки основное оборудование размещается в машинном зале, кроме основного крана большой грузоподъемности, вынесенного за его пределы. При монтаже и ремонте сборка и разборка гидроагрегатов производятся через съемное перекрытие над каждым гидроагрегатом (в виде съемных крышек) при помощи внешнего козлового крана. На крупных ГЭС в большинстве случаев в пониженном машинном зале устанавливается кран уменьшенной грузоподъемности, при помощи которого выполняются монтажные и ремонтные работы, не требующие использования основного крана (рис. 4.16 – 4.18).

При верхнем строении открытого типа без машинного зала гидрогенератор располагается под съемной крышкой, а остальное оборудование в технологических помещениях агрегатной части здания ГЭС и монтажной площадки. Монтажные и ремонтные работы выполняются при помощи внешнего крана. Учитывая усложнение условий эксплуатации, монтажа и ремонта гидроагрегатов, такой тип верхнего строения применяется крайне редко.

Русловые здания ГЭС (рис. 4.19). На русловые здания ГЭС действуют те же нагрузки, что и на бетонные плотины, и к ним предъявляются те же требования по прочности, устойчивости, фильтрационным условиям в основании, которые обеспечиваются при соответствующих габаритах здания, противофильтрационных и дренажных устройствах в основании. Русловые здания делятся на несовмещенные и совмещенные с водосбросом.

В связи с тем, что поток, поступающий в отводящий канал от несовмещенного и особенно совмещенного здания, обладает избыточной кинетической энергией для недопущения размыва в отводящем канале выполняется крепление (см. рис. 4.2).

Рис. 4.17. Русловое водосливное здание с горизонтальными капсульными гидроагрегатами Киевской ГЭС: а – поперечный разрез; б – машинный зал; 1 – козловой кран; 2 – капсульный гидроагрегат; 3 – паз сороудерживающей решетки

Сопряжение здания ГЭС с примыкающей к нему земляной плотиной или с берегом осуществляется с помощью сопрягающих устоев в виде подпорных стенок (гравитационных, уголковых, контрфорсных, ячеистых и других типов).

В русловых зданиях несовмещенного типа с вертикальными гидроагрегатами проточная часть включает водоприемник, спиральную камеру в основном таврового сечения и отсасывающую трубу, от размеров которых зависят размеры агрегатного блока. При этом ширина блока с поворотно-лопастной турбиной может составить 2,6–3,2 диаметра рабочего колеса турбины (D1). Размеры водоприемника определяются необходимым заглублением под УМО, обеспечением благоприятных гидравлических условий на входе и при сопряжении со спиральной камерой, допустимыми скоростями потока на решетках (обычно составляющими 0,8–1,2 м/с), размещением решетки, аварийно-ремонтного и ремонтного затворов, пазы которых могут быть совмещены с пазами решетки. На входном участке водоприемника, как правило, выполняется раструб с забральной стенкой, чем достигается плавный подвод воды.

Заглубление здания ГЭС под уровень нижнего бьефа зависит от необходимого заглубления оси рабочего колеса под уровень нижнего бьефа (высоты отсасывания) и размеров отсасывающей трубы, а также инженерно-геологических условий основания.

Главные повышающие трансформаторы устанавливаются на перекрытии над технологическими помещениями со стороны нижнего бьефа.

Русловые здания совмещенного типа, в которых, помимо турбинных водоводов, размещаются также водосбросы, могут быть выполнены: с донными водосбросами, размещаемыми ниже спиральной камеры над отсасывающими трубами – Волгоградская, Новосибирская, Каховская ГЭС (рис. 4.19,б );

• с донными водосбросами и высоким водоприемником турбинных водоводов – Чебоксарская, Головная ГЭС (см. рис. 4.13);
• с глубинными водосбросами, расположенными выше спиральной камеры (между ней и генератором) – Иркутская, Саратовская, Дубоссарская ГЭС (см. рис. 4.16);
• водосливные с вертикальными гидроагрегатами – Павловская, Плявинская (см. рис. 4.14), Днестровская ГЭС;
• водосливные с горизонтальными гидроагрегатами – Киевская, Каневская ГЭС (см. рис. 4.17);
• бычковые с размещением гидроагрегатов в бычках водосливной плотины – Орточальская (Грузия), Уэллс (США).

Здания совмещенного типа позволяют существенно сократить длину водосливных плотин или вообще отказаться от них, что особенно важно при возведении ГЭС на мягких основаниях, обеспечивая снижение стоимости строительства. Так, на Новосибирской ГЭС длина водосливной плотины сократилась на 50%. На Иркутской, Павловской, Плявинской, Днестровской ГЭС пропускная способность водосбросов здания ГЭС обеспечивает пропуск расчетного паводкового расхода без водосливных плотин. В совмещенных зданиях ГЭС водоприемник включает турбинный водоприемник и водоприемную часть водосбросов.

К недостаткам таких зданий можно отнести усложнение конструкции, значительные дополнительные гидродинамические нагрузки при работе водосбросов, усложнение условий эксплуатации.

В зданиях совмещенного типа с горизонтальными капсульными агрегатами, применяемых при низких напорах (до 25 м), благодаря отсутствию спиральной камеры и использованию прямоосной конической отсасывающей трубы достигаются значительное уменьшение ширины агрегатного блока и повышение заложения подошвы здания. Кроме того, улучшение геометрии и гидравлических условий проточного тракта, включая подводящую часть без спиральной камеры сложной конфигурации и замену изогнутой отсасывающей трубы прямоосной конической, обладающей более высокими энергетическими показателями, позволяет снизить потери напора, увеличить на 20–30% пропускную способность горизонтального агрегата и соответственно при той же мощности уменьшить диаметр рабочего колеса. В целом применение горизонтальных капсульных агрегатов по сравнению с вертикальными сокращает ширину агрегатного блока на величину до 35%, повышает к.п.д. на 2–4%.

Рис. 4.19. Русловые здания. Поперечные разрезы и виды с нижнего бьефа: а – Кременчугской и б – Каховской ГЭС: 1 – фундаментная плита; 2 – металлический шпунт; 3 – донный водосброс

Поверхностный водослив обеспечивает благоприятные условия пропуска паводка, позволяет во многих случаях отказаться от устройства водосливной плотины. В таких зданиях металлическая капсула с заключенным в ней гидрогенератором размещается в проточной части здания со стороны верхнего бьефа. Доступ в капсулу осуществляется через специальные полости в вертикальном бычке. Монтаж и демонтаж гидроагрегата производятся с помощью мостового крана, который размещается в машинном зале под водосливом, и наружным козловым краном через люки со съемными крышками в пороге водослива (см. рис. 4.17).

На ряде малых ГЭС генератор размещается открыто в машзале, ось гидроагрегата выполняется наклонно, а подвод воды к турбине осуществляется по водоводу, проходящему под генератором (см. рис. 4.12, схема V)

Русловые здания бычкового типа применяются крайне редко, в основном на реках, несущих большое количество наносов, обеспечивая благоприятные условия пропуска через водосливные пролеты льда, наносов и паводковых расходов. На ГЭС бычкового типа Уэллс (США) мощностью 870 МВт с напором 30 м в бычках плотины установлены 10 гидроагрегатов, расчетный паводковый расход составляет 33,4 тыс.м3 /с. К недостаткам таких ГЭС можно отнести отсутствие общего машинного зала, удлинение технологических коммуникаций и в целом усложнение условий эксплуатации.

Приплотинные здания ГЭС. В приплотинных зданиях ГЭС вода подводится к турбинам по турбинным водоводам (металлическим или сталежелезобетонным), проходящим в основном в теле или на низовой грани бетонных плотин, с размещением водоприемника на верховой грани плотин, зданием ГЭС, непосредственно примыкающим к плотине, и отдельным швом (см. рис. 4.3, 4.5–4.7). При прямолинейных в плане плотинах здание ГЭС также прямолинейно, при его расположении за арочными или арочно-гравитационными плотинами здание ГЭС может иметь в плане прямолинейное или криволинейное очертание по дуге, соответствующей очертанию низовой грани плотины.

Для обеспечения плавного подвода воды от турбинного водовода к спиральной камере перед ней обычно выполняется горизонтальный участок водовода длиной (4–6)D 1 , в пределах которого устраиваются технологические помещения с размещением на верхнем перекрытии повышающих трансформаторов.

При плотинах из местных материалов вода подводится к турбинам по турбинным водоводам, проходящим через тело плотины или в обход её в виде туннелей или открытых водоводов, с отдельным водоприемником в верхнем бьефе и с размещением здания ГЭС на некотором расстоянии от плотины.

В отличие от русловых приплотинные здания не воспринимают напор верхнего бьефа, а давление, передаваемое на них через турбинные водоводы, невелико, что позволяет облегчить конструкцию здания.

Спиральные камеры таких зданий имеют круглое сечение и выполняются металлическими или сталежелезобетонными с металлической облицовкой.

Ширина агрегатного блока с вертикальными радиально-осевыми (или диагональными) гидротурбинами определяется размерами турбинной (спиральной) камеры и составляет не менее 4D 1 (диаметров рабочего колеса).

Характерным примером приплотинного здания является здание Красноярской ГЭС общей длиной вместе с монтажной площадкой 428,5 м, где установлено 12 гидроагрегатов суммарной мощностью 6 млн. кВт (см. рис. 4.5). В стационарной плотине выполнен водоприемник с 24 водозаборными отверстиями. Вода подводится к агрегату по двум сталежелезобетонным водоводам диаметром 7,5 м.

На Чиркейской ГЭС с арочной плотиной, возведенной в узком ущелье, уменьшение длины приплотинного здания достигается двухрядным расположением гидроагрегатов (см. рис. 4.6). Оба машзала обслуживаются одним мостовым краном, который по подкрановым путям в монтажной площадке переводится из одного машзала в другой. Размещение отсасывающих труб в два яруса приводит к дополнительному заглублению здания ГЭС.

При размещении сооружений ГЭС в узком ущелье, где сложно выполнить береговые водосбросы, водосбросы проходят в теле плотины, на ее низовой грани и на перекрытии здания. Такая компоновка выполнена на Токтогульской ГЭС с двухрядным расположением агрегатов в здании ГЭС (см. рис. 4.7). При этом повышающие трансформаторы размещаются в закрытом помещении. При такой компоновке поток, проходя по водосбросу, носком-трамплином отбрасывается от здания ГЭС на значительное расстояние, а гашение энергии в основном происходит за счет аэрации потока.

Характерным примером приплотинного здания, расположенного за плотиной из местных материалов, с подводом воды туннелями является здание Нурекской ГЭС (см. рис. 4.9, 4.18). В здании ГЭС установлено 9 агрегатов мощностью по 300 МВт с максимальным напором 275 м. Подвод воды осуществляется по трем туннелям диаметром 9 м с разделением каждого на 3 турбинных водовода. Здание выполнено с пониженным машзалом со съемными крышками в перекрытии над гидроагрегатами и монтажной площадкой. В машзале и в помещении затворов для обслуживания и ремонта оборудования установлены мостовые краны, а для монтажа и полного демонтажа гидроагрегата и шарового затвора используется козловой кран.

Здания деривационных ГЭС с радиально-осевыми турбинами практически не отличаются от приплотинных зданий. При установке ковшевых турбин изменяется конструкция агрегатной части здания ГЭС. Вместо турбинной камеры выполняется напорный распределительный трубопровод в виде металлического кожуха, на котором крепятся сопла турбины с механизмами регулирования расхода, а вода от турбины отводится по безнапорному лотку. В зависимости от мощности гидротурбины и количества сопел ось гидроагрегата может располагаться вертикально или горизонтально. Благодаря тому, что у ковшевых турбин рабочее колесо располагается выше максимального уровня нижнего бьефа, при их установке существенно уменьшается заглубление здания.

В зданиях высоконапорных деривационных ГЭС при большой длине или разветвлении напорных водоводов перед турбинами устанавливаются в зависимости от напора и диаметра дисковые или шаровые затворы (при напорах более 600 м только шаровые), позволяющие перекрыть трубопроводы и остановить гидроагрегат в аварийной ситуации в случае отказа направляющего аппарата, а также при нормальной эксплуатации и проведении ремонтных работ.

В последнее время вместо предтурбинных затворов находят применение встроенные кольцевые затворы, размещаемые между статорными колоннами и лопатками направляющего аппарата, что позволяет уменьшить габариты здания, массу и стоимость оборудования.

Подземные здания ГЭС. В последние десятилетия широкое развитие получило строительство подземных зданий ГЭС. Из них наиболее крупные построены в Канаде: Черчилл-Фолс мощностью 5225 МВт с напором 320 м, Мика – 2610 МВт с напором 183 м. С подземными зданиями выполнены Ингурская ГЭС мощностью 1300 МВт в Грузии (рис. 4.20), Верхнетуломская – 248 МВт и Усть-Хантайская – 441 МВт в России и др. В подземных зданиях проведение строительных работ не зависит от климатических условий, что имеет важное значение при строительстве в северных регионах с суровой зимой или в тропиках с длительным сезоном дождей. Подземные здания также применяются в тех случаях, когда из-за неблагоприятных природных условий в ущелье (крутых оползнеопасных склонах, высоком уровне воды при пропуске паводка), а также большого заглубления оси рабочего колеса турбины под уровень нижнего бьефа строительство открытых зданий может привести к нарушению устойчивости береговых склонов, к резкому увеличению объемов работ.

К недостаткам подземных зданий можно отнести: в случае неблагоприятных инженерно-геологических условий значительное усложнение производства подземных работ; усложнение условий эксплуатации в связи с удлинением технологических коммуникаций, более сложными схемами выдачи мощности; увеличение затрат электроэнергии на собственные нужды, что вызвано необходимостью постоянной вентиляции помещений, их освещения и др.

Размеры и компоновка подземных зданий ГЭС зависят в первую очередь от параметров и размещения гидросилового, электрического и гидромеханического оборудования. На крупных ГЭС, где размеры выработок машинных залов достигают больших размеров (пролет до 30 м и более), в машинном зале обычно размещают основное гидросиловое оборудование, которое обслуживается мостовыми кранами, а предтурбинные затворы выполняются в отдельном помещении, расположенном на некотором расстоянии от машзала. При длинных отводящих туннелях ремонтные затворы нижнего бьефа и обслуживающие их механизмы для перекрытия отсасывающих труб также размещаются в отдельно расположенном помещении. При большом количестве агрегатов устраивают несколько отводящих туннелей, чаще всего безнапорных или напорных (при больших колебаниях уровней нижнего бьефа) с уравнительным резервуаром. При коротких туннелях, отводящих воду отдельно от каждого агрегата, затворы нижнего бьефа устанавливаются в выходных порталах туннелей.

Одним из важных факторов, определяющих компоновку зданий подземных ГЭС, является выбор схемы размещения главных повышающих трансформаторов: в отдельном подземном помещении (ГЭС Кариба в Зимбабве, ГЭС Яли во Вьетнаме), в расширенном подземном машзале (ГЭС Тимет I и II в Австралии), открыто на поверхности земли на площадках ОРУ (Борисоглебская, Ингурская).

Открытое расположение трансформаторов используется в основном при неглубоком размещении подземного здания (на глубине до 200–300 м) и благоприятных топографических и геологических условиях площадки. При этом токопроводы от генераторов к трансформаторам, имеющие значительную длину, прокладываются в специальных галереях и шахтах с выполнением специальных мероприятий по отводу тепла в связи с большим тепловыделением токопроводами.

Передача электроэнергии на ОРУ и ЗРУ от главных трансформаторов при их подземном расположении осуществляется при напряжении 110–500 кВ маслонаполненными кабелями с проведением специальных мероприятий по отводу тепла, а в последнее время также элегазовыми токопроводами.

В подземных зданиях предусматриваются монтажные площадки, которые в большинстве случаев являются продолжением машзала, располагаясь, как правило, в его торце и соединяясь с поверхностью земли при помощи транспортных туннелей и грузовых шахт.

Для отвода тепла и вентиляции подземных помещений здания ГЭС устанавливаются вентиляторы и кондиционеры.

Конструкции обделок машзалов зависят от инженерно-геологических условий. В большинстве машзалов выполняется несущий свод кругового очертания с увеличением толщины железобетонной обделки у пят. В достаточно прочных породах стены крепятся набрызг-бетоном, а в менее крепких устраивается сплошная бетонная или железобетонная облицовка толщиной до 0,5 м и более с укреплением анкерами, в зонах ослабленных пород – с проведением укрепительной цементации, а в ряде случаев предусматриваются дренажные мероприятия.

В подземном здании Ингурской ГЭС длиной 145,5 м, пролетом 21,2 м и высотой выломки 53,7 м установлено 5 гидроагрегатов. Вода подводится к агрегатам турбинными водоводами, расположенными в плане под углом к продольной оси агрегатов, что позволило разместить предтурбинные затворы в пределах машзала, практически без увеличения его пролета (см. рис. 4.20). Вода отводится напорным туннелем.

Полуподземные здания ГЭС. При благоприятных инженерно-геологических и топографических условиях и больших колебаниях уровня нижнего бьефа могут выполняться полуподземные здания, размещаемые в траншейных выработках, причем верхние строения машзалов могут устраиваться на поверхности земли. Возможны решения полуподземных зданий с размещением одного или нескольких агрегатов в отдельных шахтах, над которыми на поверхности земли возводится верхнее строение машзала, как на Днестровской ГАЭС.

Полуподземное здание Вилюйской ГЭС мощностью 648 МВт, выполненное в траншейной выработке глубиной 60 м, полностью размещается под поверхностью земли (рис. 4.21).

Здания малых ГЭС. К малым обычно относятся ГЭС мощностью до 10–30 МВт. Наряду с использованием гидроэнергетических ресурсов больших рек на средних и крупных ГЭС, которые в большинстве случаев требуют создания больших водохранилищ и работают в объединенных энергосистемах, широкое развитие в мире получили малые ГЭС. Такие ГЭС используют гидроэнергетический потенциал малых рек, притоков, сбросных каналов и оказывают крайне ограниченное влияние на окружающую среду. Они могут выдавать электроэнергию в энергосистему или работать на конкретного потребителя, что особенно важно для отдаленных районов, где нет развитой сети электропередач.

Малые ГЭС, как и крупные, разделяются на ГЭС с русловыми и приплотинными зданиями и деривационные.

На малых ГЭС для упрощения конструкций в зданиях с установкой вертикальных гидроагрегатов могут применяться прямоосные конические отсасывающие трубы, широкое использование находят горизонтальные агрегаты, включая капсульные, а также с наклонным расположением оси агрегата (см. рис. 4.12, схемы IV, V, VII).

На стр. 283 (фото) и на рис. 4.22 показаны деривационные ГЭС – Теребля-Рикская мощностью 27 МВт с напором 215 м и Егорлыкская мощностью 30 МВт с напором 32 м.

Добыча электроэнергии гидроэнергетикой происходит с использованием энергии движущейся воды. Дожди, тающий снег обычно с холмов и гор создают ручьи и реки, которые в конечном итоге текут в океан. Энергия этой движущейся воды может быть существенной (по рафтингу известно).

Эта энергия используется на протяжении веков. Еще древние греки использовали колеса воды, чтобы размолоть пшеницу в муку. Помещенное в реке, колесо под воздействием воды поворачивается. Кинетическая энергия реки вращает колесо и преобразуется в механическую энергию, на которой работает мельница.

Развитие гидроэнергетики

В конце XIX века гидроэнергетика стала источником для добычи электроэнергии. Первая ГЭС была построена в Ниагара-Фолс в 1879 году. В 1881 году уличные фонари в городе Ниагара-Фолс были запитаны энергией гидроэнергетики. В 1882 году первая гидроэлектростанция (ГЭС) в мире начала действовать в Соединенных Штатах в Эпплтон, Висконсин. На самом деле ГЭС и угольные электростанции добычу электроэнергии производят аналогичным образом. В обоих случаях используется для включения пропеллер, называемый турбиной, которая затем поворачивает через вал и вращает электрический генератор, который производит электричество. Угольные электростанции используют пар для вращения турбинных лопаток, а гидроэлектростанции используют падающую воду – результаты совпадают.

Во всем мире производят около 24 процентов электроэнергии в мире обеспечивая более 1 миллиарда человек энергией. ГЭС в мире имеет выход в общей сложности 675 000 мегаватт, энергетический эквивалент 3,6 миллиарда баррелей нефти, согласно мировой лаборатории возобновляемых источников энергии.

Как получается электричество из воды

Электричество из воды гидроэлектростанции получают благодаря воде. Типичная ГЭС представляет собой систему с трех частей:

Вода за плотиной протекает через плотину и толкает винт в турбине, вращая его. Турбина вращает генератор для добычи электроэнергии. Количество добытой электроэнергии, которая может быть сгенерирована зависит сколько воды движется через систему. Электричество может передаваться на заводы и предприятия через общую энергосистему.

ГЭС обеспечивает почти пятую часть электроэнергии в мире. Китай, Канада, Бразилия, Соединенные Штаты Америки и Россия пять крупнейших производителей гидроэлектроэнергии. Одна из крупнейших гидроэлектростанций в мире -«Три ущелья» на реке Янцзы в Китае. Плотина имеет 2,3 км в ширину и 185 метров в высоту.

Гидроэнергетика является самым дешевым способом получения электроэнергии сегодня. Это потому, что после того, как была построена плотина и оборудование установлено, источник энергии - проточная вода - бесплатно. Это источник чистого топлива, возобновляемый ежегодно со снегов и осадков.

Количество электроэнергии, которое производит ГЭС зависит от двух факторов:

1. Высоты водопада: чем с большей высоты вода падает, тем больше энергии она имеет. Как правило расстояние, с которого вода падает зависит от размера плотины. Чем выше плотины, дальше вода падает, и тем больше энергии она имеет. Ученые говорят, что сила падающей воды «пропорционально» расстоянию падения.
2. Количества падающей воды. Больше воды, протекающей через турбину будет производить больше энергии. Количество воды на турбине зависит от количество воды текущей вниз по реке. Большие реки имеют более проточную воду и могут производить больше энергии.

Добыча электроэнергии в гидроэнергетике легко регулируема, операторы могут контролировать поток воды через турбину для производства электроэнергии по требованию. Кроме того искусственные водохранилища могут использоваться для отдыха, плавания или гребли.

Но перекрытие рек может уничтожить или нарушить дикую природу и другие природные ресурсы. Некоторым видам рыбы, как лосось, могут быть перекрыты пути на нерест. Гидроэлектростанции могут также вызвать низкий уровень растворенного кислорода в воде, которая является вредной для обитания речной фауны.

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.

С давних времен люди пользовались движущей силой воды. Мололи муку на мельницах, колеса которых приводились в движение потоками воды, сплавляли тяжелые стволы деревьев вниз по течению, в общем использовали гидроэнергию для решения самых разных задач, включая промышленные.

Первые ГЭС

В конце 19 века, с началом электрификации городов, гидроэлектростанции начали очень резко завоевывать популярность в мире. В 1878 году в Англии появилась первая в мире гидроэлектростанция, которая питала тогда всего одну дуговую лампу в картинной галерее изобретателя Уильяма Армстронга… А к 1889 году только в Соединенных Штатах гидроэлектростанций насчитывалось уже 200 штук.

Одним из важнейших шагов в освоении гидроэнергетики стало сооружение в 1930-е годы в США Плотины Гувера. Что касается России, то здесь уже в 1892 году, в Рудном Алтае на реке Березовка, была построена первая четырехтурбинная гидроэлектростанция мощностью 200 кВт, призванная обеспечить электричеством шахтный водоотлив Зыряновского рудника. Так, с освоением человечеством электричества, гидроэлектростанции ознаменовали собой стремительный ход промышленного прогресса.

Сегодня современные гидроэлектростанции - это огромные сооружения на гигаватты установленной мощности. Однако принцип работы любой ГЭС остается в целом достаточно простым, и везде почти полностью одинаковым. Напор воды, направленный на лопасти гидротурбины, приводит ее во вращение, а гидротурбина в свою очередь, будучи соединена с генератором, вращает генератор. Генератор вырабатывает электроэнергию, которая и .

В машинном зале гидроэлектростанции установлены гидроагрегаты, которые преобразуют энергию потока воды в энергию электрическую, а непосредственно в здании гидроэлектростанции располагаются все необходимые распределительные устройства, а также устройства управления и контроля работы ГЭС.

Мощность гидроэлектростанции зависит от количества и от напора воды, проходящей через турбины. Непосредственно напор получается благодаря направленному движению потока воды. Это может быть вода накопленная у плотины, когда в определенном месте на реке строится плотина, или же напор получается благодаря деривации потока, - это когда вода отводится от русла по специальному туннелю или каналу. Так, гидроэлектростанции бывают плотинными, деривационными и плотинно-деривационными.

Наиболее распространенные плотинные ГЭС имеют в своей основе плотину, перегораживающую русло реки. За плотиной вода поднимается, накапливается, создавая своего рода водяной столб, обеспечивающий давление и напор. Чем выше плотина - тем сильнее напор. Самая высокая в мире плотина имеет высоту 305 метров, это плотина на Цзиньпинской ГЭС мощностью 3,6 ГВт, что на реке Ялунцзян в западной части провинции Сычуань на Юго-Западне Китая.

Гидростанции, использующие энергию воды, бывают двух типов. Если река имеет небольшое падение, но относительно многоводна, то при помощи плотины, перегораживающей реку, создают достаточную разность уровней воды.

Над плотиной образуется водохранилище, обеспечивающее равномерную работу станции в течение года. У берега ниже плотины, в непосредственной близости к ней устанавливается водяная турбина, соединенная с электрическим генератором (приплотинная станция). Если река судоходна, то у противоположного берега делается шлюз для пропуска судов.

Если же река не очень многоводна, но имеет большое падение и бурное течение (например, горные реки), то часть воды отводится по специальному каналу, имеющему гораздо меньший уклон, чем река. Канал этот иногда имеет протяженность в несколько километров. Иногда условия местности вынуждают заменить канал тоннелем (для мощных станций). Таким образом создается значительная разность уровней между выходным отверстием канала и нижним течением реки.

У конца канала вода поступает в трубу с крутым наклоном, у нижнего конца которой располагается гидротурбина с генератором. Благодаря значительной разности уровней вода приобретает большую кинетическую энергию, достаточную для питания станции (деривационные станции).

Подобные станции могут иметь большую мощность и относиться к разряду районных электростанций (смотрите - ). На самых малых станциях турбина иногда заменяется менее эффективным, по более дешевым водяным колесом.

Виды ГЭС и их устройства

Кроме плотины гидроэлектростанция включает в себя здание и распределительное устройство. Основное оборудование ГЭС находится в здании, здесь установлены турбины и генераторы. Кроме плотины и здания, в ГЭС могут наличествовать шлюзы, водосбросные устройства, рыбоходы и судоподъемники.

Каждая ГЭС представляет собой уникальное сооружение, поэтому главная отличительная черта ГЭС от других типов промышленных электростанций - это их индивидуальность. Кстати, самое большое в мире водохранилище находится в Гане, это водохранилище Акосомбо на реке Вольта. Оно занимает 8500 квадратных километров, что составляет 3,6% площади всей страны.

Если по ходу русла реки имеется значительный уклон, то возводят деривационную ГЭС. Здесь нет необходимости в строительстве большого плотинного водохранилища, вместо этого вода только направляется через специально возводимые водоводные каналы или тоннели прямо к зданию электростанции.

Иногда на деривационных ГЭС устраивают небольшие бассейны суточного регулирования, позволяющие управлять напором, и таким образом влиять на количество вырабатываемой электроэнергии в зависимости от загруженности электросети.

Гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС) - особый вид гидроэлектростанций. Здесь сама станция предназначена для того, чтобы сгладить суточные перепады и пиковые нагрузки на , и тем самым повысить надежность работы электросети.

Такая станция способна работать как в генераторном режиме, так и в накопительном, когда насосы закачивают воду в верхний бьеф из нижнего бьефа. Бьефом, в данном контексте, называется объект типа бассейна, являющийся частью водохранилища, и примыкающий к гидроэлектростанции. Верхний бьеф располагается по течению выше, нижний - ниже по течению.

Примером ГАЭС может служить водохранилище Таум Саук в Миссури, возведенное в 80 километрах от Миссисипи, вместимостью 5,55 млрд. литров, позволяющее энергосистеме обеспечить пиковую мощность в 440 МВт.

Принцип работы ГЭС достаточно прост. Гидротехнические сооружения ГЭС обеспечивают необходимый поток воды, поступающей на лопасти гидротурбины, которая приводит в генератор, вырабатывающий электроэнергию.

Рис.1. Схема одного из типов гидротурбин

Необходимый напор воды образуется плотиной (в случае с плотинным типом ГЭС) или деривацией - естественным стоком воды (деривационные ГЭС). В некоторых случаях для получения необходимого напора воды используют совместно и плотину, и деривацию:

• плотинные ГЭС (рис. 2). Это наиболее распространенные виды крупных гидроэлектрических станций в Кыргызстане. Напор воды в них создается посредством установки плотины, полностью перегораживающей реку и поднимающей уровень воды в ней на необходимую высоту. В этом случае само здание ГЭС располагается за плотиной, в нижней ее части. Вода, в этом случае, подводится к турбинам через специальные напорные тоннели.
• деривационные ГЭС (рис. 3). Такие электростанции строят в тех местах, где есть уклон реки. Необходимое количество воды для создания напора отводится из речного русла через специальные водоотводы (каналы, рукава, арыки). Их уклон значительно меньше, чем средний уклон реки. В итоге вода, через определенное расстояние, поднимается на необходимую высоту и собирается в напорном бассейне. Оттуда, по напорному трубопроводу вода поступает в турбину и, в итоге, попадает опять в ту же реку. В некоторых случая, в начале деривационного канала создается плотина и небольшое водохранилище.

Рис. 2. ГЭС плотинного типа

Рис. 3. ГЭС деривационного типа

Непосредственно в самом здании ГЭС располагается все энергетическое оборудование. В зависимости от назначения, оно имеет свое определенное деление. В машинном зале расположены гидрогенераторы, непосредственно преобразующие энергию воды в электрическую энергию. Также имеется электротехническое оборудование, которое включает в себя 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 30 МВт и выше;
• малые ГЭС - от 1 МВт до 30 МВт;
• мини ГЭС - от 100 кВт до 1 МВт;
• микро ГЭС - от 5 кВт до 100 кВт;
• пико ГЭС - до 5 кВт.

Мощность ГЭС зависит от напора и расхода воды, а также от КПД (коэффициента полезного действия) используемых турбин и генераторов. Из-за того, что по природным причинам расход воды постоянно меняется, в зависимости от сезона, а также еще по ряду других причин, в качестве выражения мощности гидроэлектрической станции принято брать цикличную мощность. К примеру, различают годичный, месячный, недельный или суточный циклы работы гидроэлектростанции.

В зависимости от расхода и 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 или стальных камерах. Принцип работы всех видов турбин одинаков - вода, находящаяся под давлением (напор воды) поступает на лопасти турбины, которые начинают вращаться. Механическая энергия, таким образом, передается на генератор, который и вырабатывает электроэнергию. Турбины отличаются некоторыми техническими характеристиками, а также камерами - стальными или железобетонными, и рассчитаны на различный напор воды.

В состав ГЭС, в зависимости от их назначения, также могут входить дополнительные сооружения, такие как шлюзы, рыбопропускные, водозаборные сооружения, используемые для ирригации и многое другое.

Ценность ГЭС 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.

Особенности гидроэлектростанций (плюсы и минусы)

• (+) стоимость электроэнергии на ГЭС более чем в два раза ниже, чем на тепловых электростанциях.
• (+) турбины ГЭС допускают работу во всех режимах от нулевой до максимальной мощности и позволяют быстро изменять мощность при необходимости, выступая в качестве регулятора выработки электроэнергии.
• (+) сток реки является возобновляемым источником энергии
• (+) значительно меньшее воздействие на воздушную среду и ледники, чем другими видами электростанций.
• (-) часто эффективные ГЭС более удалены от потребителей и требуют строительства дорогостоящих линий электропередач (ЛЭП).
• (-) водохранилища часто занимают значительные территории.
• (-) 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.