Становление и развитие гидроэнергетики в России
ГИДРОЭНЕРГИЯ РЕК.
Гидроэнергетические ресурсы — это часть водных ресурсов территории. которая может быть использована для производства энергии.
Гидравлическая энергия рек обусловлена проекцией силы тяжести на
направление движения потока воды, которая определяется разностью
уровней воды в начале и в конце рассматриваемого участка реки. При
разности уровней Н [м] на длине участка / [м] и среднем расходе воды
О [м/с], мощность водотока Р |Вт| составит:
P=pgOH= 9810QH [Вт],
где р — птотность воды, кг/м3; g — ускорение свободного падения, м/с2.
Следовательно, гидроэнергетические установки осуществляют
энергетическое преобразование либо напора воды, либо водности при
некоторой минимальной скорости течения.
Для определения полезной мощности, производимой гидростанцией, учитывают результирующий коэффициент полезного действия установки. состоящей из гидротурбины, генератора, системы стабилизации напряжения.
Как для ветроэнергетики, гидроэнергетический потенциал водотоков региона подразделяется на теоретический или валовый, технический и экономический.
Таким образом, последовательно разбивая водоток на характерные участки, производится определение теоретического потенциала соответствующих участков и суммарного энергетического потенциала водотока. Границы участков обычно соответствуют местам изломов продольного профи.ля русла водотока. В качестве примера на рис. 4 приведен продольный профиль одной из малых рек Томской области.
Расчет продольного профиля водотока как правило производится
с помощью топографических карт масштаба не менее 1:100 ООО.
Расчет расхода воды в каждом характерном створе может проводиться
различными способами. Очевидный вариант — обработка многолетних
наблюдений. Если таких данных нет, то следует использовать карты исследуемой территории масштаба 1:100000 с изолиниями модулей среднегодового стока М [л, (с км")]. Для определения среднемноголетней нормы годового стока реки следует оконтурить территорию ее бассейна до рассматриваемого пункта и вычислить искомую величину как средневзвешенное по оконтуренной водосборной плошади значение модуля.
Кроме указанных, существуют и другие способы расчета кадастров водотоков.
Обычно водность рек. а с ней и гидроэнергетический потенциал
сильно меняется по сезонам и месяцам. В частности для Томской области выделяются три гидрологических сезона: весеннее половодье, летнеосенний сезон и зимняя межень. Минимальные расходы воды наблюдаются зимой, соответственно зимний сезон считается для гидроэнергетики лимитирующим.
Наибольшая водность характерна для весеннего половодья. Во
время снеготаяния, интенсивность которого в лесной зоне сравнительно
невелика, огромное количество воды аккумулируется в поймах рек, озерах. болотах и других естественных резервуарах на поверхности территории. Одновременно происходит аккумуляция воды и в подземных во-доносных горизонтах, сложенных рыхлыми породами. Эти запасы поддерживают высокую водность рек в течение длительного времени, поэтому половодье получается большим по объему и растянутым во времени. Увеличивают продолжительность половодья и подпорные явления на устьевых участках притоков со стороны рек — водоприемников.
Фронт наступления половодья продвигается с юга на север. На
юге оно начинается в середине апреля, а на севере и северо-востоке — в
последней декаде этого месяца. Продолжительность половодья составляет 50-100 дней и зависит от его водности, величины реки, района области. Во время половодья на реках проходит 40-50% годового стока северных рек и 60-70% южных.
Летние и осенние осадки формируют дождевые паводки и пополняют запасы подземных вод. В результате на реках Томской области,
бассейны которых находятся в лесной зоне, создается более выровненное, чем в других зонах внутригодовое распределение стока.
Летнее-осенний сезон на юге области начинается после спада половодья в июне—июле. В северных районах области этот сезон начинается на 20-30 дней позднее. Продолжительность сезона уменьшается с
юга на север от 140 до 95 суток, а доля стока в обшем объеме за год возрастает соответственно с 10 до 30%.
Некоторые малые реки со слабым подземным питанием, при отсутствии дождей, летом могут пересыхать.
Начало зимней межени определяется по началу ледостава. Это самый продолжительный гидрологический сезон, начинающийся в конце октября на северо-востоке области и в начале ноября на юге и продолжающийся. соответственно от 190 до 170 суток. В этом же направлении — с севера на юг с 10 до 20% возрастает доля зимнего стока в годовом ходе.
Продолжительные ледовые явления существенно ограничивают
возможности практического использования гидроэнергии с помощью
малых гидроэлектростанций.
Технический потенциал представляет собой часть валового потенциала энергии водотока. В традиционной гидроэнергетике технический потенциал определяется как валовый, уменьшенный на величину
потерь гидроэнергии в процессе ее преобразования в электроэнергию на
ГЭС, а также потери от неиспользуемых участков водотока, различные
потери в водохранилище и др.
Таким образом, в гидроэлектростанциях плотинного типа технический потенциал гидроэнергии — это энергетический максимум генерируемой электроэнергии, который может быть получен на данном водотоке с использованием современных технических средств и технологий энергопреобразования.
Кроме плотинных ГЭС, в малой гидроэнергетике, особенно класса
микроГЭС, широко распространены деривационные и русловые гидроэнергоустановки. Такие ГЭС используют только часть руслового стока
и. как правило, осуществляют его регулирование. В этом случае понятие технический потенциал практически не имеет смысла и следует рассматривать энергетические характеристики собственно микрогидроэлектростанции.
Следует отметить перспективность бесплотинных гидроэнергоустановок в микрогидроэнергетике, определяемую их экологичностью.
простотой конструкции и малой стоимостью при достаточно высоком
уровне надежности и качества электроснабжения потребителей.
Для практического применения бесплотинных ГЭС часто весьма
эффективны малые реки. Кроме гидроэнергетического потенциала региона. для таких микроГЭС весьма важно выявление участков рек и территорий, подходящих для локального использования гидроэнергии:
большие перепады отметок местности, высокая водность и скорость течения. Локальная оценка факторов, определяющих гидроэнергетическийпотенциал, позволяет обеспечить достаточно корректное согласование между его общими оценками и возможностями энергетического использования водотока с максимальной технико-экономической эффективностью.
Возможности использования гидроэнергии в значительной степени определяются реализуемым напором воды, который, прежде всего, зависит от рельефа местности, определяющего продольные уклоны рек
на разных участках. Реки Западно-Сибирской равнины прокладывают
свои русла в сравнительно легко размываемых рыхлых грунтах. Поэтому продольный профиль их русла стремится к профилю равновесия, ко-торый характеризуется максимальными уклонами реки в верховьях с
постепенным их уменьшением по направлению к устью. Однако различие в устойчивости подстилающих пород к размыву приводят к нарушению плавной формы продольного профиля русла. Например,показано изменение уклона русла реки Киевский Еган по ее продолжительности .
Увеличения уклонов рек обычно характерны для участков Пересечения поднимающихся тектонических структур. Там. где скорость поднятия превышает интенсивность врезания реки, уклоны русла увеличиваются. а долина становится более узкой. Уклоны малых рек часто могут быть более высокими.
В качестве примера, на рис. 5 показаны аномальные уклоны рек Томской области. Выделенные участки потенциально пригодны для размещения гидроэнергетических установок.
Становление и развитие гидроэнергетики в России.
Человек ещё в глубокой древности обратил внимание на реки как на доступный источник энергии. Для использования этой энергии научились строить водяные колёса, которые вращала вода; этими колёсами приводились в движение мельничные постава и др. установки. Водяная мельница является примером древнейшей гидроэнергетические установки, сохранившейся во многих местах до нашего времени почти в первобытном виде. До изобретения паровой машины водная энергия была основной двигательной силой на производстве. По мере совершенствования водяных колёс увеличивалась мощность гидравлических установок, приводящих в движение станки, молоты, воздуходувные устройства и т. п. Об использовании водной энергии на территории СССР свидетельствуют материалы археологических исследований, в частности проведённых на территории Армении и в бассейне р.Амударья.
В 17 в. в России единственной энергетической базой развивавшегося мануфактурного производства были водяные колёса. Замечательные успехи в строительстве вододействующих или гидросиловых установок в России были достигнуты в 18 в. в горнорудной промышленности на Урале и Алтае. Гидросиловые установки были неотъемлемой частью металлургического, лесопильного, бумажного, ткацкого и др. производств. К концу 18 в. в России было уже около 3000 мануфактур, использовавших водную энергию рек. Были созданы уникальные для того времени гидросиловые установки. Например, в 1765 водный мастер К.Д.Фролов соорудил на р.Корбалиха (Алтай) гидросиловую установку, в которой вода подводилась к рабочему колесу по специальному каналу. Образовавшийся перепад между каналом и рекой использовался в установке для вращения водяного колеса, которое при помощи системы остроумно осуществленных передач приводило в движение группу машин, в том числе предложенный Фроловым внутризаводской транспорт в виде системы вагонеток. В 1787 г. Фролов завершил строительство деривационной четырехступенчатой подземной гидросиловой установки на р.Змеевка, не имевшей себе равных как по схеме, так и по масштабу и уровню технического исполнения. Самые мощные водяные колёса диаметром 9,5 м, шириной 7,5 м были установлены в конце 18 в. в России на р.Нарова для Кренгольмской мануфактуры. При напоре 5 м они развивали мощность до 500 л. с. С появлением паровой машины примитивные вододействующие установки начали утрачивать своё значение. Для того чтобы конкурировать с паровой машиной, необходимо было иметь более совершенные двигатели, чем громоздкие и сравнительно маломощные водяные колёса. В 1-й половине 19 в. была изобретена гидротурбина, открывшая новые возможности перед гидроэнергетикой. С изобретением электрической машины и способа передачи электроэнергии на значительные расстояния гидроэнергетика приобрела новое значение уже как направление электроэнергетики; началось освоение водной энергии путём преобразования её в электрическую на гидроэлектрических станциях (ГЭС).
Долгое время считалось, что серьезная гидроэнергетика в нашей стране начиналась в 20-х годах прошлого века. Читаем: «В царской России в 1913 г. было выработано тогдашними 74 гидростанциями всего 5 млн. кВт, то есть столько, сколько вырабатывает Красноярская ГЭС менее чем за час». Однако именно с малых гидроэлектростанций выросла гидроэнергетика нынешней России. Первенцем гидроэнергетики в России следует считать станцию на Рудном Алтае, построенную в 1892 г. Эта четырехтурбинная ГЭС была создана под руководством инженера Кокшарова для шахтного водоотлива Зыряновского рудника.
Почему же первая ГЭС появилась в такой далекой «глубинке»? Дело в том, что здесь издавна были гидросливные установки, где с помощью воды вращались механизмы. Пристроив к ним турбины с генератором тока, можно было без дополнительных затрат получить электроэнергию. Кроме того, у рудника были именитые хозяева - русские цари. Кроме того, уже с XVIII века Зыряновский рудник входил в зону так называемых «кабинетных земель», то есть принадлежавших царской фамилии. В 1896 г. рудник был сдан в концессию фирмам Франции, Австрии, Англии.
Следующие по «возрасту» были ГЭС, построенные на Урале, в Восточной Сибири и под Петербургом. На Урале первые гидроэлектростанции появились там, где добывалась железная руда, в частности на Алапаевском месторождении бурых железняков, известном с начала XVIII века. Мощность Алапаевской ГЭС, построенной в 1904 г., по тем временам была велика - 560 кВт.
В европейской части России первая промышленная гидроэлектростанция мощностью в 260 кВт была построена уже в 1896 г. на реке Охте, близ Петербурга. Она снабжала электроэнергией Охтинский пороховой завод. В ее создании участвовали инженеры В.Н.Чиколев и Р.Э.Классон.
18 октября 1898 г. стало знаменательной датой для Ленских золотых приисков: в этот день заработала ГЭС, на которой впервые в России были установлены генераторы трехфазного (переменного) тока. Трансформатор напряжением 10 кВ позволил передать ток на расстояние в 20 км. Для этого была специально сооружена высоковольтная линия. Через пару лет на Ленских приисках начали строить еще ряд ГЭС, так что их число к началу 1917 г. достигло шести, общая мощность - 2,5 тыс. кВт.
В Средней Азии ГЭС появились значительно позднее, чем в Сибири, но зато сюда, на реку Мургаб, была доставлена самая крупная в то время гидравлическая турбина, изготовленная в Риге. С ее помощью стала работать с 1910 г. гидроэлектростанция, поставлявшая электроэнергию для орошения «кабинетных земель», где выращивали фрукты для царского двора. Как это ни парадоксально, проводниками технического прогресса часто оказывались монастыри и курорты. Так, еще в 1902 г. под монастырем «Новый Афон», была построена Сухумская (или Псырцхская) ГЭС мощностью в 350 кВт. Добротно была сделана плотина; даже два землетрясения - одно в 1915 г. силой в 5 баллов и повторное в 1922 г. в 6 - не поколебали стойкость кладки.
И еще одна гидростанция - это ГЭС «Белый уголь», построенная в 1903 г. на реке Подкумок у г.Ессентуки, она имела два гидроагрегата для электроснабжения района Кавказских Минеральных Вод и работала на общую сеть с тепловыми электростанциями. Ни одна из гидроэлектростанций не была столь популярна.
О крайней отсталости царской России в развитии гидроэнергетики свидетельствует тот факт, что в 1913 г. в других странах общая мощность действующих ГЭС достигла 12000 Мвт, причём были построены такие крупные электростанции, как, например, ГЭС Адамс на Ниагарском водопаде (США) мощностью 37 Мвт. Только после Октябрьской революции началось широкое освоение гидроэнергетических ресурсов страны. 13 июня 1918 г. СНК принял решение о строительстве Волховской ГЭС мощностью 58 Мвт - первенца советской гидроэнергетики. В 1920 г. по указанию В.И.Ленина был составлен план электрификации России — план ГОЭЛРО. В нём предусматривалось сооружение 10 ГЭС общей установленной мощностью 640 Мвт. В 1927 г. начато строительство самой крупной для того времени гидростанции в Европе— Днепровской ГЭС мощностью 560 Мвт; с её пуском в 1932 г. СССР в строительстве гидростанций достиг уровня наиболее развитых стран мира. К 1970 г. СССР по установленной мощности гидроэлектростанций уступал только США.
Гидроэнергетика на всех этапах экономического развития СССР имела большое значение в снабжении электроэнергией развивающейся промышленности. В ряде районов страны гидроэнергетика была основной энергетической базой для развития экономики.
Огромные гидроэнергетические ресурсы были сосредоточены в Восточной Сибири, на рр. Енисей, Ангара, Нижняя Тунгуска и др. Гидроэнергетика содействовала развитию производительных сил северных районов Восточной Сибири.
Гидроэнергетика современной России - это практически более 20 процентов мощности электроэнергетики. Это основной задел, который позволяет обеспечивать города водой, обеспечивать оросительные системы. Это объекты, которые дают развитие инфраструктурам, дают развитие экономике. Это потенциал и задел инвестиционного развития страны. Однако гидроэнергетика России в течение последних 15 лет была «необоснованно и необъективно забыта». Речь, прежде всего, идет о вводе новых мощностей, реновации оборудования, участии России в международных строительных проектах.
Гидростанции - это важнейший инструмент обеспечения надежности и безопасности работы энергосистемы: в России ГЭС обеспечивают свыше 90% резерва регулировочной мощности, то есть при необходимости могут в считанные минуты увеличивать выработку, покрывая пиковые нагрузки. Гидротехнические сооружения ГЭС играют ключевую роль в защите от наводнений населения и хозяйственных объектов. Водохранилища гидростанций обеспечивают свыше трети объема хозяйственного и промышленного водоснабжения в России, свыше четверти объема орошения и обводнения, а регулирование стока рек позволят создавать глубоководные транспортные пути. Еще один важный аспект - это инструмент регионального развития территорий.
Сегодня российская гидроэнергетика - это порядка 100 средних и крупных действующих ГЭС, около 45 ГВт установленной мощности и 172 млрд. кВтч годовой выработки, то есть примерно каждый пятый киловатт-час в стране производится на ГЭС. Однако помимо своей основной функции - выработки электроэнергии - гидроэнергетика решает ряд других важнейших задач.
В ходе реформирования российской электроэнергетики происходят существенные изменения в ее функционировании: в декабре 2004 года была создана Федеральная гидрогенерирующая компания (ОАО «ГидроОГК»), которая объединила около половины всех российских гидростанций (50 ГЭС с мощностью 23,3 ГВт) и стала крупнейшей российской генерирующей компанией. Стратегия развития компании до 2020 года предполагает удвоение мощностей, что позволит сохранить паритет в сфере энергетических мощностей.
Основными задачами в гидроэнергетики России на ближайшие несколько лет являются строительство новых энергетических мощностей и развитие существующих - их пять.
Первое - Бурейская ГЭС. Второе - Богучанская ГЭС, уникальный объект, по которому долгое время не было реального решения. Третье - Сангтугинская ГЭС — первый наш опыт выхода за рубеж - в апреле 2009 года планируется эту ГЭС полностью ввести в строй. Четвертым - беспрецедентным проектом в гидроэнергетической сфере назван проект импорта российской электроэнергии в Китай - это означает строительство новых мощностей объемом около 6 миллионов киловатт. В настоящее время прорабатывается вариант строительства новых энергомощностей на Дальнем Востоке.
По данным исследований, до настоящего времени не используется значительная часть электрических мощностей Сибири - порядка 4 млн кВт, что на 1 млн кВт больше мощности вновь строящейся Богучанской ГЭС. Электрическую энергию в этом регионе вырабатывают четыре крупнейшие в мире гидроэлектростанции, четыре крупнейшие в России тепловые электростанции и ряд других станций. Энергетические запасы Сибири составляют более 50 млн кВт, а установленная мощность сибирских электростанций - 45 млн кВт.
Только пять гидроэлектростанций Енисейского каскада могли бы вырабатывать 33,5 млн кВт, а входящая в его состав Туруханская ГЭС (12 млн кВт) - третья в мире по установленной мощности. С учетом возможного прироста электрических мощностей на тепловых (Березовская ГРЭС, Харанорская ГРЭС) и гидроэлектростанциях (Богучанская ГЭС) и существующих темпов роста потребляемых мощностей прогнозируемая величина избыточной электроэнергии по Сибири к 2010 г. может составить более 20 млрд кВт.ч.
Такой огромный ресурс неиспользуемой энергии требует новых схем сбыта. Наиболее перспективным и выгодным покупателем электроэнергии из Сибири является Китай. По данным исследований российских и зарубежных специалистов, транспортировка электроэнергии из Сибири в Центр России и на Дальний Восток на расстояния 3600 км и более неэкономична в отличие от экспорта излишков электроэнергии в Китай на расстояние 2500 км. Строительство Бурейской ГЭС решило проблему дефицита электроэнергии на Дальнем Востоке и позволяет осуществлять ее продажу в Корею и северные районы Китая.
Не раз поднимался вопрос о возобновлении проекта экспорта электроэнергии в Китай и строительства энергомоста «Россия-Китай», который бы позволил привлечь дополнительные инвестиции в энергетику России в целом и Сибири в частности. Китай ежегодно увеличивает свои мощности на 12-15%, а это почти 25 млн кВт. Существующие и вновь построенные электростанции открывают перед Россией широкую перспективу поставки высокотехнологической продукции
Пятая задача - развитие приливной гидроэнергетики как «проекта с качественно новым технологическим прорывом».