Содержание

1. Гидроэнергетика Украины

2. Анализ эффективности малой гидроэнергетики

3. Аккумулирующие гидроэлектростанции

4. Плотины

1. Гидроэнергетика Украины

Гидроэнергетика Украины началась с сооружения наибольшей в Европе Днепровской ГЭС - 560 МВт (1927г. - начало строительства, 1932г. - введенная в эксплуатацию). В состав сооружения входили здания ГЭС с девятью агрегатами.

Концентрация мощностей в процессе развития энергетики привела к строительству преимущественно мощных ГЭС. Из ГЭС средней мощности была сооружена лишь Теребле-Рикская (27 МВт, 1955г.) - чрезвычайно интересная ГЭС, где задействовано процедуру перебрасывания стока р.Теребля в р.Реку.

Здесь используется разность имеющихся природных уровней рек Теребля и Реки, составляющая 200 м в том месте, где эти реки сближаются на расстоянии 3,5 км.

В период с 1955г. началось освоение гидропотенциала р.Днепр - сооружение ГЭС Днепровского каскада. Обобщенные энергетические показатели Днепровских ГЭС приведенные в табл. 1. Сегодня начался важный процесс реконструкции этих ГЭС. По всей видимости, все ГЭС, кроме Каховской (периодически-полупиковый объект), являются пиковыми электростанциями.

В 1983г. введена в эксплуатацию Днестровская ГЭС. Установленная мощность Днестровской ГЭС - 702 Мвт, среднее многолетнее (проектное) производство электроэнергии составляет 800 млн. квт*ч, расчетный напор - 55 м, число часов использования мощности по проекту - 1140 часов, то есть это чисто остропиковая электростанция. Данная электростанция имеет характер горной, поэтому площадь затопления земель под водохранилищем составляет лишь 14,2 тыс. га (буферное водохранилище - 1,04 тыс. га).

ГЭС, в зависимости от водности, вырабатывали в последние годы 14-16 % электроэнергии в энергообъединении. Себестоимость электроэнергии на больших ГЭС составила, например, в 1998р. 0,59 коп./квт*ч. Ясно, что именно ГЭС сдерживают возрастания тарифов. Причем следует иметь в виду, что в структуре себестоимости плата за водопользование составляет 31 % (одна и та же вода проходит через все ГЭС Днепровского каскада и оплачивается многократно), а затраты на заработную плату в структуре себестоимости крайне маленькие.

Уровень освоения гидропотенциала больших рек практически исчерпан. В последние годы использования технического гидропотенциала больших рек в Украине превышало 60 %. Доиспользование потенциала р.Днестр требует серьезных экологических исследований и обоснований (кроме верховья). Усложняет эту работу новое межгосударственное значение речки.

Известно, что для энергообъединений с относительно малой удельной частицей в структуре мощностей ГЭС и преобладающим развитием низкоманевровых пилеугольной блочной теплоэнергетики и атомных электростанций необходимым является сооружение специальных пиковых энергообъектов. Понимание важности решений проблемы покрытия пиковых мощностей специальными способами (кроме широкого использования потребителей-регуляторов на основе многозонных тарифов) было присуще энергообъединению Украины. Еще в 1975г. введена первая в СССР гидроаккумулирующая электростанция - Киевская ГАЭС мощностью 225 Мвт. Ее характеристики:

• полный объем верхнего водохранилища - 4,79 млн. м3;

• полезный объем - 3,79 млн. м3;

• площадь верхнего водохранилища - 60 га (нижнее - водохранилище Киевской ГЭС);

• средний напор воды Нср = 70 г (65-74 м);

• мощность ГАЭС в турбинном режиме составляет 225 МВт;

• на станции установлены три вращающихся агрегата единичной мощности в насосном режиме 43 МВт (после модернизации 43,5 МВт), в турбинный - 33,4 МВт (после модернизации 37,0 МВт);

• мощность трех прямых агрегатов составляет по 41,5 Мвт.

Украинское энергомашиностроение справилось с задачей создания первых обратных гидромашин. Приобретен опыт их проектирования и эксплуатации. При создании гидрооснащения решены сложные вопросы разработки проточной части насосов-турбин и реверсивных подпятников с нулевым эксцентриситетом.

Киевская ГАЭС стала крупномасштабной моделью для всесторонних исследований. Выполнены исследования свойств усталости металлов вращающихся узлов в зависимости от влияния интенсивных вибрационных нагрузок, прочности узлов (крышки турбины и турбинного подшипника), вибрации лопаток направляющего аппарата, системы отжима воды и выпуска воздуха при пуске в насосный режим. Проведен комплекс исследований переходных процессов при пусках и переведении в разные режимы, остановках, потере привода. Отработан двухтактный и более режим эксплуатации. Опыт эксплуатации и накопленные исследовательские наработки в будущем будут оказывать содействие внедрению мощных ГАЭС (сооружаются Днестровская и Ташликская, начато строительство, но законсервировано, Каневской ГАЭС).

В 20-30-тые годы началось массовое развитие малой гидроэнергетики. Так, в 1924 г. в Украине эксплуатировалось 84 малых гидроэлектростанций (МГЭС) (суммарная мощность 4000 квт, средняя мощность 47,6 квт), а до 1929 г. их было уже 150 (суммарная мощность 8400 квт, средняя мощность 56 квт). Среди них достаточно мощной была Бузская (введенная в эксплуатацию в 1929г., мощность 570 квт), Вознесенская (1929г., 840 квт), Сутиская (1927г., расширенная в 1935г. до 1000 квт). В 1935 - 1937гг. из известных введены в эксплуатацию Шумская (120 квт), Потуская (32 квт), Писаревская (160 квт), Белоусовская (88 квт), Березовская (108 квт), Клебанская (64 квт) и много других МГЭС.

В 1934 г. сооружена Корсунь-Шевченковская станция (1650 квт), которая была одной из самых совершенных МГЭС и стала основой первой в Украине и в СССР местной Корсунь-Шевченковской сельской энергосистемы с очень высокими для того времени экономическими показателями (существовала до 1957г.). В её состав вошли и работали параллельно еще Юрковская ПТЭС (2000 квт), Стеблевская ГЭС (2800 квт), Дибненская ГЭС (560 квт).

В 1950 г. по данным "Укргидропроект" в Украине эксплуатировалось 956 МГЭС, но потом их строительство было приостановлено.

С развитием мощного гидроэнергостроительства, сооружением больших ТЭС, возрастанием централизации энергоснабжение, а также низкими ценами на топливо и электроэнергию у ведомств и предприятий, на балансе которых находились МГЭС, интерес к ним исчез, началась их консервация и стихийный демонтаж. В значительной мере утрачен опыт проектирования, производства оборудования и сооружения. Сотни МГЭС были заброшены и постепенно разрушались, сносилось основное оборудование, когда-то сооруженные плотины или разрушены, или находятся в аварийном состоянии.

Как следствие, сегодня гидроэнергетика не полностью удовлетворяет потребности энергосистем в пиковой и полупиковой мощности вследствие недостаточной мощности на гидро- и гидроаккумулирующих электростанциях (ГЭС и ГАЭС), а также ограничений, которые накладывают другие области водохозяйственного комплекса.

Необходимо заметить, что вопрос продолжения строительства больших ГЭС еще требует значительных доработок, связанных с экологическими последствиями их эксплуатации, а также с учетом ограничения строительства атомных электростанций (АЭС) и широким внедрением парогазовых установок.

До 2015 г. установленная мощность ГЭС и ГАЭС Украины должна быть доведена до 14,5 млн. квт, а изготовление электроэнергии - до 17 млрд. квт*ч за счет сооружения Унизской ГЭС на р.Днестр, ГЭС и ГАЭС в Закарпатье в составе энергокомплексов и сооруженных в отдельности ГАЭС, а также путем строительства средних, малых и микроГЭС. Некоторое увеличение производства электроэнергии предполагается за счет реконструкции и модернизации существующих объектов гидроэнергетики, а также привлечения ресурсов малых и средних рек. Должны быть проведены разработки по преобразованию некоторых существующих ГЭС в ГАЭС, что разрешит значительно увеличить регулирующую мощность относительно существующей.

По принятой классификации к малым формам гидроэнергетики относят микро- (до 100 квт), мини- (до 1000 квт) и малые ГЭС (до 25 мвт).

Опыт сооружения малых ГЭС в США и Германии подтверждает, что при обоснованном их сооружении природная среда не только сохраняется, но и возможно воспроизведение ранее утраченных условий биологической жизни. Малое гидростроительство может стать одним из средств воспроизведения гидрологического состояния водных ресурсов, которые гибнут.

Освоение производства лишь трех типоразмеров турбин (25 - 100, 120 - 170, 200 - 300 квт на напор 5-15 м) обеспечивает половину потребности в них для малых ГЭС

Основными предпосылками гидроаккумулирования электроэнергии является потребность в маневренной мощности для покрытия пиков нагрузки и компенсации ее краткосрочных изменений, уплотнении нагрузки с использованием дешевой ночной энергии, увеличении мощности и времени использование базовых электростанций, экономии топлива в энергосистеме.

Экономия топлива при использовании ГАЭС достигается за счет догрузки теплового оборудования для зарядки ГАЭС. При этом потребляется меньше топлива, чем для производства пиковой электроэнергии на ТЭС или газотурбинной станции. Кроме того, режим ее зарядки оказывает содействие введению в эксплуатацию базовых электростанций, которые будут вырабатывать энергию с меньшими удельными затратами топлива.

2. Анализ эффективности малой гидроэнергетики

Значительные энергетические ресурсы малых рек (общие - 2300...2400 МВт, технические - 1600...1700 МВт, первоочередные - 600...700 МВт) практически не используются. Расчеты показывают, что развитие малой гидроэнергетики в Украине обеспечит надежное энергоснабжение потребителей промышленного и жилищно-коммунального хозяйства сел и районных центров, интенсивное развитие сельского хозяйства, улучшит состояние социальной сферы и экологии. Для регионов Западной Украины внедрение МГЭС внесёт значительный вклад у энергообеспечение.

Для малой гидроэнергетики характерна высокая надежность и гарантийность, экономическая конкурентоспособность, наличие водохранилищ, высокие экологические свойства, заинтересованность местных органов власти и населения.

Конкурентоспособность малой гидроэнергетики может заинтересовать инвесторов разных форм собственности.

Определены мероприятия по внедрению объектов малой гидроэнергетики (общая мощность 610 МВт):

• восстановление старых МГЭС;

• строительство МГЭС на существующих водохранилищах Украины и иригационных каналах;

• использование водотоков технических и коммунальных систем водоснабжения и водоотводов;

• МГЭС в новых руслах рек Западной Украины, которые одновременно будут выполнять функцию борьбы с паводками.

Отобраны проекты, которые могут обеспечить создание наиболее характерных и показательных демонстрационных объектов (суммарная мощность 7,31 МВт). Эти демонстрационные объекты можно реализовать в сжатые сроки по ним уже проведены предварительные исследования, определены заказчики, проектные и строительные учреждения, поставщики оборудования, есть также активная поддержка областных администраций.

Для первоочередного внедрения на первом этапе реализации Программы в 2003-2008 годах отобраны 2 важнейших проекта по направлению "Малая гидроэнергетика":

• восстановление малых ГЭС на реках Гнилой Тикач и Горный Тикач (Черкасская обл.);

• МГЭС на р.Збруч (Хмельницкая и Тернопольская обл.).

Соответственно оценкам научно-технического и производственного потенциала малой гидроэнергетики объемы внедрения до 2015 года будут составлять 617 МВт, общая экономия топливно-энергетических ресурсов при этом будет составлять 16,9 млн. т у.т

Реализация намеченных мероприятий создаст условия для широкого внедрения МГЭС, сроки окупаемости которых 4...6 лет. Удельный показатель внедрения малой гидроэнергетики - 139,3 грн./т у.т. Стоимость замены топлива (экономия 3007 тыс.т у.т./год) достигает 418 млн.грн., в том числе по этапам:

• 2005 год - 67,6 тыс.т у.т./год;

• 2010 год - 1532,6 тыс.т у.т./год;

• 2015 год - 3007,6 тыс.т у.т./год.

5. Аккумулирующие гидроэлектростанции

Производство электроэнергии на электрических станциях и ее использование различными потребителями представляют собой процессы, взаимосвязанные таким образом, при котором вследствие физических закономерностей мощность потребления электроэнергии в какой-либо момент времени может равняться мощности, которая генерируется.

При условии идеального равномерного потребления электроэнергии может происходить равномерная работа определенного количества электростанций. На самом деле работа большинства отдельных электропотребителей неравномерна и суммарное использование электроэнергии также неравномерное. Можно привести множество примеров равномерности работы установок и приборов, которые расходуют электроенергию. Завод, который работает в одну или две смены, равномерно потребляет электрическую энергию на протяжении суток. В ночное время потребляемая им энергия близкая к нулю. Улицы, квартиры освещаются только в определенное время суток. В утренние и вечерние часы коммунальная нагрузка наибольшая.

График нагрузки определенного района или города, который представляет собой изменение во времени суммарной мощности всех потребителей, имеет провалы и максимумы. Это означает, что в одно время суток требуется большая суммарная мощность генераторов, а в другое время часть генераторов или электростанций может быть отключена или может работать с уменьшенной нагрузкой.

Энергетики принимают меры для выравнивания графика суммарной нагрузки потребителей. Например, вводится дифференцированная стоимость электроэнергии в зависимости от того, в какой период времени она потребляется. Если электроэнергия потребляется в моменты максимумов нагрузки, то и стоимость её определяется как большая. Это повышает заинтересованность потребителей в такой постановке работы, которая оказывала бы содействие уменьшению электрической нагрузки в моменты максимумов потребления в энергосистеме. Вообще возможности выравнивания потребления электроэнергии небольшие. Итак, электроэнергетические системы должны быть довольно маневренными, способными быстро изменять мощность электростанций. Регулирование мощности ГЭС происходит таким образом. В периоды, когда в системе есть провалы нагрузки, ГЭС работает с незначительной мощностью и вода заполняет водохранилище. При этом накапливается энергия. С наступлением пиков включаются агрегаты станции и вырабатывается энергия.

Накопление энергии в водохранилищах рек приводит к затоплению больших территорий, что в большинстве случаев очень не желательно. Небольшие речки малопригодны для регулирования мощности в системе, поскольку они не успевают заполнить водой водохранилище.

Задачу снятия пиков решают гидроакумулирующие станции (ГАЭС), работая следующим образом. В интервалы времени, когда электрическая нагрузка в объединенных системах минимальная, ГАЭС перекачивает воду из нижнего водохранилища в верхнее и потребляет при этом электроэнергию из системы. В режиме непродолжительных "пиков" - максимальных значений нагрузки - ГАЭС работает в генераторном режиме и тратит накопленную в верхнем водохранилище воду

ГАЭС стали особенно эффективными после появления оборотных гидротурбин, которые выполняют функции и турбин, и насосов.

Перспективы применения ГАЭС во многом зависят от КПД, под которым относительно этих станций понимается отношение энергии, выработанной станцией в генераторном режиме, к энергии, израсходованной в насосном режиме.

Первые ГАЭС в начале XX ст. имели КПД, не больше 40%, в современных ГАЭС КПД составляет 70-75%. К преимуществам ГАЭС, кроме относительно высокого значения КПД, относится также и низкая стоимость строительных работ. В отличие от обычных ГЭС, здесь нет необходимости перекрывать речки, строить высокие дамбы с длинными туннелями и т.п.

ГАЭС и ветровые электростанции, которые отличаются непостоянством вырабатываемой мощности удачно объединяются между собой. При этом тяжело рассчитывать на мощность ветровых станций в часы "пиков" в энергосистеме. Если же электроэнергию, которая вырабатывается на этих станциях, накапливать на ГАЭС в виде воды, которая перекачивается в верхний бассейн, то выработанная на ветровых электростанциях за определенный промежуток времени энергия может быть использована соответственно потребностям системы. Преимущества ГАЭС позволяют широко применять их для аккумулирования энергии.

4. Плотины

Вода, которая вращает гидравлические турбины, обычно берется из искусственных водохранилищ, созданных путем перекрытия реки плотиной. Плотина - массивная перегородка, которая предназначена для удержания водного потока, это основное гидротехническое сооружение при использовании и регулировании водных ресурсов. Она повышает напор воды, которая поступает на турбины ГЭС, и тем самым увеличивает мощность электростанции. Затраты воды из водохранилища через турбины можно регулировать. Водохранилище, кроме того, служит отстойником для песка, ила и мусора, принесенных естественными водостоками.

Схема бетонной плотины с вальцовыми затворами для регулирования затрат воды (г.Девенпорт, США)

Ещё в доисторические времена в Египте, Месопотамии и других районах строились простейшие плотины в виде насыпей из земли и камней. На протяжении многих столетий устройство плотин определялось понятиями, почерпнутыми только из практического опыта, и лишь в 1853 году французский инженер Где Сазили теоретически обосновал их конструктивные принципы.

Водосливные плотины возводят для того, чтобы повысить уровень воды в реке, отвести водосток, что обычно необходимо при строительстве электростанций, а также для обеспечения судоходства или орошения земель. Глухими плотинами (без пропускания воды) перегораживают водосток и создают водохранилища, предназначенные для обеспечения городов водой и электроэнергией, для ирригационных целей и т.п. Во многих плотинах этого типа верхняя часть устроена так, что при необходимости она может служить водосбросом. Плотина противодействует напору воды или собственным весом (гравитационные плотины), или своей конструкцией, силовые элементы которой обеспечивают стойкость всего сооружения (арочные, контрфорсные плотины). Гравитационные плотины делают в виде каменной кладки, бетонных заграждений, земляного или скального (щебневого) заполнителя; другие плотины строят из бетона, железобетона, стальных конструкций или лесоматериалов.