Для чего нужен гэс
ГЭС: принцип работы, схема, оборудование, мощность
Содержание статьи
ГЭС ее понятие и виды гидроэлектростанций
ГЭС отличаются вырабатываемой мощностью, поэтому выделяют три вида ГЭС по мощности:
Также ГЭС отличают по максимальному количеству использования воды:
Существует и отдельный тип ГЭС, так называемая ГАЭС, что расшифровывается как гидроаккумулирующая электростанция.
Здание ГЭС Сооружение, подземная выработка или помещение в плотине, в которомустанавливается гидросиловое электротехническое
Схемы различных видов гидроэлектростанций
Гидроэлектрические станции делятся также в зависимости от принципа использования природных ресурсов, можно выделить следующие ГЭС:
Принцип работы гидроэлектростанции
Принцип действия ГЭС дотстаточно прост. Вода под давлением, большим напором попадает, а чаще падает, на лопасти гидротурбины, которые, в свою очередь вращают ротор генератора, который уже вырабатывает электричество. Для достяжения необходимого напора воды создаются плотины, и как следствие, образуется концентрация реки в определенном месте. Также может использоваться и деривация- отвод воды от главного русла реки в сторону по каналу. Есть случаи использования двух методов создания напора одновременно. 
Принцип работы гидроаккумулирующей электростанции отличен от обычной, привычной нас ГЭС. У ГАЭС существуют два периода работы, такие как турбинный и насосный. Во время насосного режима ГАЭС потребляет электроэнергию, которая подаётся от тепловых электростанций во время минимальной нагрузки (примерно 7-12 часов в сутки). В этом режиме на ГАЭС происходит перекачка воды в верхний аккумулирующий бассейн из нижнего питающего водохранилища (станция запасает энергию). В турбинном режиме ГАЭС отдаёт накопленную энергию обратно в сеть во время максимальной нагрузки на неё (2-6 часов в сутки). Вода в этот период из верхнего бассейна направляется обратно в питающее водохранилище, вращая при этом турбину генератора.
Оборудование гидроэлектростанций
Гидросиловое оборудование включает в себя турбины, и гидрогенераторы. В состав данной группы кроме перечисленного входят устройства, связанные с подачей воды на турбину и регулированием ее количества.
Механическое оборудование включает в себя гидротехнические затворы, подъемно-транспортные механизмы, сороудерживающие решетки и т. п.
Вспомогательное оборудование состоит из системы технического водоснабжения, пневматического хозяйства, масляного хозяйства, противопожарных и санитарно-технических устройств. Из перечисленного оборудования далее рассмотрим более подробно конструкции турбин.
Мощность гидроэлектростанций
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 можно определить по формуле указанной справа, где :
Для расчета мощности гидроэлектростанции нужно значение напора воды, 
который можно расчитать по следующей формуле, где:
КПД современных турбин может достигать значения 0,95.
Крупнейшие ГЭС России
Подведя итоги рассмотрим на примере пару из крупнейших гидроэлектростанций в России.
В заключение можно сказать, что гидроэлектростанции являются менее воздействующими на окружающую среду, нежели други види электростанций.
Крупнейшие гидроэлектростанции в России и в мире
Гидроэлектростанции сейчас используются также активно, как и остальные элементы промышленного прогресса. Их работа настолько ценится, что изображения этих установок появляются на деньгах, марках, даже составляются списки самых крупных предприятий.
Что такое ГЭС
Для начала стоит рассмотреть, как расшифровывается эта аббревиатура. ГЭС — это место, где с помощью водного потока получают электроэнергию. Человечество стало использовать воду в качестве источника задолго до появления первых станций. Раньше реки и водоемы использовались для работы мельниц, транспортировки тяжелых деревьев или товаров.
Электрофикация началась в XIX веке. Сначала с помощью движущей силы воды работала только одна дуговая лампа, но всего через 10 лет после этого появилось более 200 гидроэлектростанций.
В сравнении с другими способами получения энергии, есть определенные особенности ГЭС:
Несмотря на свои преимущества, в мировых масштабах размер получаемой таким образом электроэнергии не превышает 20%, поскольку установки влияют на экосистему, русло реки и сказываются на состоянии прилегающих территорий. Гидроузел вместе с водохранилищем достигает 100 тысяч гектар, при этом комплексного метода для оценки влияния ГЭС на местность так и не выявлено.
Как работает гидроэлектростанция?
Станции ставят возле рек или крупных искусственных водоемов, которые способны обеспечить достаточное давление. Также для этого используется энергия падающей воды, но возле водопадов трудно разместить все оборудование. Для решения этой проблемы используют установки для контролируемого сброса воды.
Из водной энергии получается механическая после того, как источник контактирует с лопастями. Идущая под наклоном вода направляется к основному элементу системы. Количество получаемой энергии на этом этапе зависит от напора и образованного перепада высот.
После вращения турбин включается гидрогенератор, который является основным элементом установки. Пропущенная через него жидкость идет на нижний бьеф (часть реки, примыкающую к станции). Полученная энергия переводится с помощью трансформаторов, затем она поступает в сеть, ее протяженность составляет сотни километров.
Виды ГЭС в России
Установки отличаются по принципу использования ресурсов и концентрации источника:
ГЭС классифицируют еще в зависимости от того, сколько мощности они выделяют. Самые слабые вырабатывают до 5 МВт, а сильные — более 25 МВт.
Список крупнейших ГЭС в России
После определения основных показателей в РФ выделили 15 крупнейших станций, про основные из них мы расскажем далее.
Саяно-Шушенская ГЭС
Она расположена возле реки Енисей, в высоту достигает почти 250 м и считается самой высокой плотиной России. На строительство станции ушло 37 лет, оно завершилось только в 2000 году. Из-за своих масштабов гидроэлектростанция вырабатывает самую дешевую энергию: 1 кВт⋅ч стоит всего 1,62 руб. Она обеспечивает энергией рудники, заводы и предприятия пищевой промышленности.
Долгое время станцию считали примером для остальных, но в 2009 году произошла техногенная катастрофа, из-за которой гидроагрегат выбросило со своего места под высоким напором. Вода попала внутрь здания, после чего автоматические системы сломались. Сотрудникам пришлось вручную закрывать затворы водоприемников. Из-за этого погибли 75 человек, на полное восстановление ГЭС потребовалось 5 лет.
Красноярская ГЭС
Расположена возле Енисея, в его состав входит единственный судоподъемник, который есть в РФ. ГЭС обеспечивает свой регион электричеством на 30%. Помимо этого, защищает местность от наводнений и налаживает работу речного транспорта.
В результате строительства станции большая зона оказалась затоплена. В нее вошли 132 населенных пункта, из которых пришлось переселить более 60 тыс. человек. Также из-за выхода теплой воды в одном и том же участке перестало происходить замерзание реки, это сказывается на экосистеме.
Братская ГЭС
Находится в Иркутской области возле реки Ангара. Сооружение известно не только благодаря масштабу, но и размещению крупнейшего водохранилища. Для его формирования пришлось затопить более 100 деревень. Это событие стало значимым для города, поскольку он превратился в промышленный центр.
Дамба, к которой изначально относились негативно, стала местной достопримечальностью. Внутрь туристов пускать перестали, но автобусы все еще подъезжают туда, чтобы посмотреть на масштабы постройки и километровую стену, которая сдерживает огромный поток воды.
Усть-Илимская ГЭС
Она стоит в Иркутской области, длина плотины превышает 1,4 км, а высота — всего 105 м. Для Сибири станция необходима, поскольку она обеспечивает электроэнергией крупнейшие производственные комплексы в этом регионе. В ближайшее время планируется постройка судоподъемника.
Богучанская ГЭС
Расположена в Краснодарском крае, входит в пятерку крупнейших станций. На возведение комплекса потребовалось более 30 лет, последний гидроагрет заработал в 2014 году. Станция состоит из нескольких плотин и производственного комплекса, который примыкает к ним. Суда через этот участок проходить не могут. Раньше для этого использовали шлюз, но позже забетонировали из-за обнаруженных нарушений.
Гидроэлектростанции используют природные ресурсы для получения энергии, поэтому в сравнении с остальными типами ее стоимость получается самой низкой. К тому же во время обработки исключаются выбросы в атмосферу. Однако, для работы ГЭС требуется большой напор воды и ее направление в соответствующее русло. Поэтому несмотря на простую схему работы станций, специалистам приходится учитывать много факторов, в том числе затопляемость ближайших территорий.
Блог Ижевска
Особенности работы гидроэлектростанции
Гидроэлектростанция
ГЭС служит для получения электрической энергии с помощью потока воды. То есть преобразовывают одну энергию в другую. ГЭС представляет собой комплекс сложных оборудований и сооружений. Одно из главных сооружений на ГЭС это плотина.
Принцип работы гидроэлектростанций
Принцип работы ГЭС не сложный. Сначала обеспечивается необходимый напор воды за счет гидротехнических сооружений и оборудования, работающих под высоким давлением; дальше он поступает на лопасти гидротурбины, и после чего начинают работать генераторы, которые вырабатывают электроэнергию. В самом здании соответственно много различных дополнительных оборудований: распределительные устройства, гидроагрегаты, устройства управления, трансформаторы и много чего еще.
Гидроэлектростанции по вырабатываемой мощности подразделяют на три вида:
То, какую мощность вырабатывает ГЭС, в первую очередь зависит от напора воды и КПД используемого генератора.
Также есть понятие цикличная мощность, то есть в связи с природными законами и рядом других причин уровень воды меняется, и отсюда вытекают следующие циклы: суточные, недельные, месячные, годичные.
Также их можно разделить в зависимости использования максимального напора:
У всех видов турбин принцип работы схожий – вода под давлением поступает на лопасти турбины, после чего последние начинают вращаться. На гидрогенератор передается механическая энергия, после чего получают электроэнергию. Турбины различают по техническим характеристикам и их камерами.
ГЭС по принципу использования природных ресурсов
Особенности
ГЭС имеет свои плюсы и минусы
Достоинства:
Недостатки:
Что такое ГЭС и как они работают?
Гидроэлектростанции – это мощнейшие сооружения, принцип работы которых легко описывается при помощи простых формулировок. Лопасти гидротурбины начинают интенсивно вращаться под воздействием большого напора воды. В свою очередь она, соединённая с генератором, начинает активно вращать его. Таким образом генератор вырабатывает электроэнергию, подаваемую последовательно на трансформаторную станцию и ЛЭП.
Преобразование энергии потока воды происходит в машинном зале, где находятся гидроагрегаты и вырабатывается электроэнергия. В самом же здании электростанции расположены распределительные устройства, а также все необходимое для управлением работой ГЭС и контроля над ней.
Какими они бывают
Количество воды, которое будет проходить через турбины, а также сила ее напора, являются факторами, определяющими мощность ГЭС.Регуляция второго показателя осуществляется благодаря возможности направлять поток воды. Как правило, для этих целей на реках на заранее определенном участке строится плотина и напор создает вода, собравшаяся возле нее.
Еще один способ усиления напора – отведение воды от русла при помощи искусственно созданного канала или туннеля (деривации потока). В зависимости от этого различают три трипа ГЭС:
Самый распространенный тип ГЭС предполагает наличие в основании плотины, которая преграждает естественное русло реки. Сталкиваясь с препятствием вода начинает накапливаться, подниматься, образуя массу, которая в дальнейшем будет обеспечивать напор и повышенное давление, необходимые для выработки энергии. Чем выше будет построенная плотина, тем более сильный напор воды будет обеспечен.
В случае если река, на которой строится ГЭС, многоводна, но отличается небольшим падением, разность уровней воды, достигаемая за счет строительства плотины, бывает значительна. Бесперебойная работа станции обеспечивается за счет водохранилища, которое формируется над плотиной, а также турбины, находящейся у берега ниже по течению. Она соединена с приплотинной станцией.
В случае если по реке ходят суда, у берегов располагают шлюзы.
В случае если строительство ГЭС планируется на немноговодной, но бурной реке с интенсивным течением, отведение воды происходит по каналу, который отличается меньшим уклоном, чем основной поток. В некоторых случаях его длина может превышать несколько километров. В некоторых случаях (например, для станций повышенной мощности) для отведения воды используется тоннель. Благодаря этому достигается необходимая разность уровней между каналом и нижним течением.
Вода поступает в трубу, имеющую крутой наклон и поступает к гидротурбине с генератором. Разница уровней способствует выработке большого количества кинетической энергии, которой бывает достаточно для обеспечения станции.
В некоторых случаях вместо турбин используется более экономичный вариант – водяное колесо.
Преимущества гидроэлектростанций
Главным достоинством ГЭС является то, что для ее работы требуется вода – ресурс возобновляемый естественным круговоротом воды в природе. Кроме того:
В зависимости от актуальных потребностей, генераторы можно включать и выключать по мере необходимости. Это дает возможность использовать ГЭС в качестве аварийного резерва.
Недостатки
Наиболее существенным недостатком ГЭС является то, что возведение подобного объекта требует затопления обширных территорий, которые могли использоваться иначе. Нередко для строительства приходилось жертвовать целыми городами и это неминуемо приводило к расходам на переселение жителей. Также:
Кроме этого, строительство крупных ГЭС требует большого количества денег, ресурсов и занимает немало времени.
Какой экологический вред приносит строительство ГЭС
Несмотря на то, что ГЭС достаточно экологичны, назвать их полностью безопасными для окружающей среды нельзя. Крупные станции разрушают экосистемы; высокая нагрузка на водные ресурсы провоцирует их неравномерное распределение.
В итоге одни районы оказываются затопленными, другие — пересыхают. Результатом повышения уровня воды становятся разрушенные берега, оползни и обвалы. Массовое строение ГЭС со временем приводит к тому, что использование воды опережает ее возможность восстанавливаться. Учитывая то, что потоки воды задерживают органику, разлагаясь, она провоцирует выброс в атмосферу значительное количество парниковых газов.
Строительство плотин является причиной остановки нормального течения реки, из-за чего уровень растворенного в ней кислорода падает. Результатом этого становится массовая гибель рыб в водохранилище и растений на территории вокруг него. Происходит нарушение нерестового цикла. Теоретически, эту проблему можно решить путем возведения рыбоподъемников и рыбоходов, однако это приводит к тому, что строительство и эксплуатация ГЭС становится дороже.
ГЭС изнутри
Теоретически с гидроэлектростанциями все понятно — вода идет из верхнего бьефа в нижний, крутит рабочее колесо турбины. Турбина вращает генератор, а тот вырабатывает электричество…
Интересны детали.
Хозяйке на заметку: чтобы получить 1 киловатт-час электроэнергии, надо спустить с высоты 27 метров 14 тонн воды.
(Детали подсмотрены в процессе посещения девяти разных гидроэлектростанций).
Перефразируя классика: все тепловые электростанции похожи друг на друга, каждая гидроэлектростанция устроена по-своему. Иными словами, типовых ГЭС не существуют, все ГЭС разные. У каждой свой расход воды, напор, рельеф, грунт, климат, близость моря, объем водохранилища…
Вот, например, вроде бы обычный машинный зал станции. За исключением того, что все окна в нем — искусственные, с подсветкой.
Все потому, что машинный зал находится в скале на глубине 76 метров.
Это первая в СССР подземная гидроэлектростанция, с поверхности к ней идут четыре водовода диаметром 6 м. А это шахта, также вырубленная в скальном основании, для извлечения из глубинного машзала оборудования в случае его ремонта/замены:
Затворы и сбросные сооружения
В идеале вся вода должна идти через турбины и давать энергию. Но не всегда это возможно.
Часть воды приходится сбрасывать мимо ГЭС:
— при ремонте гидроагрегатов;
— при весенних паводках, если нет водохранилища многолетнего регулирования (а его часто нет);
— бывает, что в каскаде ГЭС (станций, стоящих на одной реке) пропускная способность верхней станции больше, чем нижней; тогда нижняя должна пустить часть воды мимо турбин, иначе ее просто затопит;
— иногда открывают холостой водосброс по запросу рыбзаводов для пропуска мальков вниз по течению;
— и т.д.
Холостой водосброс Беломорской ГЭС — это три затвора.
Довольно много внимания уделено вопросу резервирования, потому что не суметь вовремя понизить уровень в водохранилище — это чревато. Любой из затворов здесь можно опустить/поднять козловым краном, два из трех — электрическими лебедками. В крайнем случае можно и вручную (со скоростью, правда, 3 см/мин).
Затвор поднят, идет холостой сброс для водозабора города Беломорска, находящегося ниже по течению:
Для борьбы с обледенением затворов применяют индукционный подогрев. На обогрев данного экземпляра, например, требуется 150 кВт:
Иногда для этого же делают барботаж — пропускают воздух из глубины вдоль затвора; видим шланг системы сжатого воздуха:
На сбросе предусматривают мероприятия для гашения кинетической энергии потока — водобойные колодцы, столкновение потоков, ступени или, как здесь, на Волховской ГЭС — водобойная плита с гасителями:
О рыбе
На Нижнетуломской ГЭС сделан специальный рыбоход для семги, поднимающейся на нерест вверх по течению. Конструкция имитирует собой полукилометровый горный ручей с камнями на дне, зигзагообразными проходами и местами для отдыха рыбы.
Интересно, что в период нереста на ГЭС отключают ближний к рыбоходу 4-й гидроагрегат, чтобы семга могла услышать шум рыбохода и направиться именно туда.
На Верхнетуломской станции рыбоход сделали в виде 2-километрового тоннеля с подсветкой и специального рыболифта, но такая конструкция оказалась неудачной, рыба не пошла. Из положения вышли — тоннель превратили в рыбзавод и пускают в него теплую воду от охлаждения генераторов. И малькам хорошо, и энергоэффективность налицо. Откуда в генераторе теплая вода — см.ниже.
Безопасность
Напомню, что при аварии-2009 на Саяно-Шушенской ГЭС после прорыва воды в машинный зал было быстро потеряно электропитание собственных нужд станции, в результате чего сброс затворов на водоприемниках пришлось производить вручную. По следам этого происшествия на ГЭС активно занялись резервным питанием — аварийные дизель-генераторы, аккумуляторы.
Это тоже элемент безопасности — аэрационные трубы в верхней части водоводов Кондопожской ГЭС:
Толщина стальных стенок водоводов сравнительно небольшая — 12 мм. Кольца водоводов рассчитаны на большое внутреннее давление или небольшой вакуум. Но если закрыть верхние затворы и водовод резко опорожнить, то внутри них возникнет глубокий вакуум, и трубы могут деформироваться. Аэрационные трубы впустят воздух при опорожнении, и все будет хорошо.
Остатки деревянного водовода 1930-х годов:
На случай, если во время работы турбинный водовод все же прорвется, предусмотрена защитная стенка (в центре кадра):
Благодаря ей вода пойдет не направо — на административное здание, а обойдет станцию слева и по выемке уйдет в нижний бьеф.
Управление и контроль
Сейчас мы находимся между турбиной и генератором и наблюдаем соединяющий их вал. Слева видна схема гидроагрегата с выведенными на нее манометрами, показывающими давления в системе смазки.
Под ногами — гидравлические приводы направляющего аппарата:
Больше параметров можно увидеть в машинном зале.
Температуры воды и воздуха, уровни воды в бьефах:
Мнемосхема на дисплее.
Этот гидроагрегат не работает (мощность 0 МВт, направляющий аппарат закрыт, частота вращения ротора 0 %).
Хорошо видно, как из спиральной камеры турбины (внизу) вода отбирается и подается на охладители генератора (он в центре, красного цвета, охладители А и Б) и для смазки подпятника, верхнего (ВГП) и нижнего (НГП) генераторных подшипников. Да-да, они смазываются водой. Отсюда и берется теплая вода для рыбзавода.
В правой части виден красный бак с маслом — это гидравлическая система управления направляющим аппаратом. Здесь же показываются давления, расходы и уровни всех жидкостей.
Информация о вибрациях:
В скобках: официально причиной разрушения гидроагрегата на той же Саяно-Шушенской было названо усталостное разрушение шпилек крепления крышки турбины из-за вибраций, возникавших при переходах гидроагрегата через диапазон «запрещенной зоны» (есть и другие мнения, но сейчас не об этом).
Где находится «запрещенная зона», увидим на центральном пульте управления ГЭС:
Гидроагрегаты Г1, Г3, Г4 в работе, Г2 остановлен. На черном фоне — мощность, которую вырабатывают генераторы 38,1/38/38 МВт соответственно. У Г3 и Г4 столбики красные, потому что они работают на полную мощность, у Г1 еще есть резерв. За столбиками видна красная зона — это как раз тот диапазон мощности, в котором гидроагрегату нежелательно работать и который при пуске/останове надо побыстрее проскочить.
Кстати, знающий человек еще снаружи здания скажет, какой из гидроагрегатов не работает:
Вторая пара противовесов поднята — значит, затворы на турбинных водоводах агрегата номер 2 опущены.
Весьма активно внедряют удаленное управление.
Так, например, эта станция на 60 МВт работает круглосуточно, но персонал на ней бывает только днем и в рабочие дни, в остальное время — управляется по телемеханике с головной ГЭС:
ГЭС работают по т.н. диспетчерскому распоряжению, которое регламентирует когда и сколько станции выдавать электроэнергии. Поскольку ГЭС — самые маневренные источники энергии (быстро запускаются и быстро останавливаются), то они служат для покрытия пиковых нагрузок и их выработка меняется в зависимости от времени суток и дня недели. В отличие от тепловых и атомных электростанций, которые обеспечивают базовую часть потребления и работают в относительно стабильном режиме.
Диспетчерское распоряжение на экране (сорри за космическое качество снимка; по оси абсцисс — часы, по оси ординат — мощность):
Диспетчерское задание учитывает взаимное влияние ГЭС в каскаде, уровни воды в их водохранилищах, запросы потребителей по воде и электричеству и т.д. и на основании этого распределяет выработку энергии между станциями. Любопытно, что на реке Паз на границе между Норвегией и Россией работает 5 российских и 2 норвежских ГЭС, а сама река вытекает из финского озера. И ничего, как-то договорились.