Развитие гидроэнергетики в украине
ВВЕДЕНИЕ
Многие тысячелетия верно слу-жит человеку энергия, заключен-ная в текущей воде. Запасы ее на Земле колоссальны. Недаром неко-торые ученые считают, что нашу планету правильнее было бы назы-вать не Земля, а Вода - ведь около трех четвертей поверхности пла-неты покрыты водой. Огромным аккумулятором энергии служит Мировой океан, поглощающий большую ее часть, поступающую от Солнца. Понятно, что челове-чество в поисках энергии не могло пройти мимо столь гигантских ее запасов. Раньше всего люди научи-лись использовать энергию рек.
И так,ГЭ-это единственный возобновляемый источник энергии,кот. соизмерим с топливом.
Изобретение паровой машины, казалось бы, остановило много-вековое триумфальное шествие водяных колес. Маленькие пыхтя-щие двигатели, которые можно было устанавливать где угодно, а не только на берегу реки, приво-дили в движение станки и кузнечные молоты и сукновальни, покусились даже на извечное предназначение водяных колёс - на орошение полей. Одно за другим шли на слом гигантские водяные колёса, казалось, многовековая история водяной энергетики близится к завершению.
Но когда наступил золотой век электричества, произошло возрождение водяного колеса, правда, уже в другом обличье - в виде водяной турбины. Электрические генераторы, производящие энергию необходимо было вращать, а это вполне успешно могла делать вода.
НЕМНОГО ОБ ИСТОРИИ
Гидроэнергия, равно как и мускульная энергия людей и животных, а также солнечная энергия, используется очень давно. Упоминание об использовании энергии воды на водяных мельницах для помола зерна и дутья воздуха при выплавке металла относится к концу II в. до н. э. С течением столетий размеры и эффективность водяных колёс увеличились. С XI в. стали использоваться в сукновальном производстве, при варке пива, распилке леса, для работы откачивающих насосов, на маслобойнях. Можно считать, что современная гидроэнергетика родилась в 1891 году. В этом году русский инженер Михаил Осипович Доливо-Добровольский, эмигрировавший в Германию по причине «политической неблагонадёжности», должен был демонстрировать на электротехнической выставке во Франкфурте-на-Майне изобретённый им двигатель переменного тока. Этот двигатель мощностью около 100 киловатт сам по себе должен был стать гвоздём выставки, но изобретатель решил для его питания построить ещё и совершенно неожиданное по тем временам сооружение - гидроэлектростанцию. В небольшом городке Лауффен Доливо-Добровольский установил генератор трёхфазного тока, который вращала небольшая водяная турбина. Электрическая энергия передавалась на территорию выставки по невероятно протяжённой для тех лет линий передачи длиной 175 километров (это сейчас линии передач длиной в тысячи километров никого не удивляют, тогда же подобное строительство было единодушно признано невозможным).
Но эра гидроэнергетики тогда ещё не наступила. Преимущества гидроэлектростанций очевидны - постоянно возобновляемый самой природой запас энергии, простота эксплуатации, отсутствие загрязнения окружающей среды. . Поэтому в начале ХХ века было построено всего несколько гидроэлектростанций. Это было лишь началом. Освоение гидроэнергоресурсов осуществлялось быстрыми темпами, и в 30-е годы ХХ века была завершена реализация таких крупных проектов, как ГЭС Гувер в США мощностью 1,3 Гиговатт(Днепрогес строился тогда же!!!).
В настоящее время использование энергии воды по-прежнему остается актуальным, а основным направлением является производство электроэнергии.
РАЗВИТИЕ ГИДРОЭНЕРГЕТИКИ В УКРАИНЕ
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. В период с 1955г. началось освоение гидропотенциала р.Днепр - сооружение ГЭС Днепровского каскада.( Киевская ГАЭС ,ГЕС, Каневская ГЭС строящаяся Каневская ГАЭС · Кременчугская ГЭС · Днепродзержинская ГЭС · Днепровская ГЭС · Каховская ГЭС. Сегодня начался важный процесс реконструкции всех ГЭС. 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. 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. 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 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, Сотни МГЭС были заброшены и постепенно разрушались, 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). 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. 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. Реализация намеченных мероприятий создаст условия для широкого внедрения МГЭС, сроки окупаемости которых 4...6 лет. 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 Принцип действия гидроаккумулирующей станции основан на ее работе в двух режимах: насосном и турбинном. В насосном режиме вода из нижнего водохранилища (бассейна) ГАЭС (рис. 17.1 I) перекачивается в вышерасположенный верхний бассейн. Во время работы в насосном режиме (обычно в ночные часы, когда нагрузка в энергосистеме снижается) ГАЭС потребляет электрическую энергию, вырабатываемую тепловыми электростанциями энергосистемы. В турбинном режиме ГАЭС использует запасенную в верхнем бассейне воду, агрегаты станции при этом вырабатывают электроэнергию, которая подается потребителю в часы пиков нагрузки.
Гидроаккумулирующие электростанции можно классифицировать по следующим признакам. 1. ГАЭС простого аккумулирования, иногда их называют чистыми ГАЭС (рис. 17.1 I). Характерным признаком ГАЭС такого типа является отсутствие притока воды в верхний бассейн; 2. ГАЭС смешанного типа, или ГЭС-ГАЭС, при этой схеме имеется приток воды в верхний бассейн, который, срабатываясь в турбинном режиме, дает дополнительную выработку энергии (рис. 17.1 II); 3. ГАЭС в схеме переброски стока (рис. 17.1 III), или ГАЭС с неполной высотой подкачки в бассейн или канал на водоразделе. Характерным для этой схемы является раздельное расположение насосной и гидроэлектрической станций, в связи с чем У схему иногда называют раздельной. По длительности цикла аккумулирования, т. е. по периоду сработки и наполнения бассейна различают ГАЭС
По схеме основного гидросилового оборудования: 1. четырех машинная схема, имеющая отдельные насосный и турбинный агрегаты, т. е. четыре машины (двигатель, насос, турбина и генератор); 2. трехмашинная схема (двигатель-генератор, насос и турбина); 3. двухмашинная схема (двигатель-генератор и обратимая гидромашина). 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. |
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.
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
3. ОСНОВНЫЕ СХЕМЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВОДНОЙ ЭНЕРГИИ Имеются три основные схемы создания сосредоточенного напора ГЭС: 1. плотинная схема, когда напор создается платиной; 2. деривационная схема, когда напор создается посредствам деривации, осуществляемой виде канала, туннеля или трубопровода; 3. плотинно-деревационная схема, когда напор создается и плотиной, и деривацией Плотины имеются во всех трех схемах. Плотинная схема (рис.3) осуществляется преимущественно при больших расходах воды в реке и малых уклонах ее свободной поверхности. В плотинной схеме в зависимости от напора ГЭС может быть русловой или приплотинной. Русловой называется такая ГЭС, у которой здание ГЭС наряду с платиной входит в состав сооружений, создающих напор (рис.4) Русловая ГЭС может быть построена при сравнительно небольшом напоре. При средних и больших напорах, превышающих диаметр турбины более чем в 4-5 раз, здание ГЭС не может входить в состав напорного фронта. В таких случаях строят приплотинную ГЭС, здание которой располагается за плотиной и не воспринимает полного давления воды (рис. 5) При деривационной схеме (рис.6) высота плотины может быть не большой. На рис. Приведена схема ГЭС с деривацией в виде открытого канала. Плотина создает небольшой подпор. Из подпертого бьефа вода по деривационному каналу поступает в напорный бассейн, откуда она подается по трубопроводам к турбинам ГЭС. От турбин вода по отводящему каналу направляется в реку или в деривацию следующей ГЭС или же в ирригационный оросительный канал. При пересеченном или горном рельефе местности, деривацию можно выполнить в виде туннеля, прорезывающего горный массив (рис.7) или в виде трубопровода, уложенного по поверхности земли. В плотинно-деривационной схеме используются выгодные свойства обеих предыдущих схем, т. е. может быть создано водохранилище и использовано падение реки ниже платины (рис.8)
4. ОПИСАНИЕ РАБОТЫ ГЭС Источником гидроэнергии является преобразованная энергия Солнца в виде запасенной потанцеальной энергии воды, которая затем преобразуется в механическую работу и электроэнергию. Действительно под воздействием солнечного излучения вода испаряется с поверхности озер, рек, морей и океанов. Пар поднимается в верхние слои атмосферы, образуя облака; затем он, конденсируясь, выпадает в виде дождя, пополняя запасы воды в водоемах. Преобразование потанцеальной энергии воды в электрическую происходит на гидроэлектростанции (рис.1 ). Таким образом, мощность ГЭС определяется расходом и напором воды. На ГЭС, как правило, напор воды создается плотиной (рисунок). Водное пространство перед плотиной называется верхним бьефом, а ниже плотины — нижним бьефом. Разность уровней верхнего (УВБ) и нижнего бьефа (УНБ) определяет напор Н. Верхний бьеф образует водохранилище, в котором накапливается вода, используемая по мере необходимости для выработки электроэнергии. В состав гидроузла на равнинной реке входят: плотина, здание электростанции, водосбросные, судопропускные (шлюзы), рыбопропускные сооружения и др.
Поддержание постоянного напора осуществляется с помощью платины, которая образует водохранилище, Служащее акамулятором гидроэнергии. В связи с этим при строительстве ГЭС предъявляются определенные требования к рельефу местности, который должен позволить организовать водохранилище и создать требуемый напор за счет плотины. Все это связано со значительными затратами, и стоимость строительных работ может превышать стоимость оборудования ГЭС. Вместе с тем удельная стоимость электроэнергии, генерируемой ГЭС, является самой низкой по сравнению с себестоимостью энергии, производимой другими источниками. Как правило, срок окупаемости малых ГЭС не превышает 10 лет. Для преобразования энергии воды в механическую работу используются гидротурбины (рис.2) Различают активные и реактивные турбины. Принцип работы приливных электростанций аналогичен работе низконапорных гидроэлектростанций. Однако для работы ПЭС не требуется создания водохранилищ, обеспечивающих потенциал энергии. Плотины ПЭС, в теле которых устанавливаются турбины, строятся прямо на входах в заливы морей и океанов. От ГЭС приливные станции отличаются более низким напором рабочего тела — то есть воды, вследствие чего сами ПЭС устанавливают в местах, где высота прилива максимальна. Несоизмеримо более мощным источником водных потоков являются приливы и отливы. Подсчитано, что потенциально приливы и отливы могут дать человечеству примерно 70 млн. миллиардов киловатт-часов в год. Для сравнения: это примерно столько же, сколько способны дать разведанные запасы каменного и бурого угля, вместе взятые; вся экономика США 1977 г. базировалась на производстве 200 млрд. киловатт-часов, вся экономика СССР того же года – на 1150 млрд., хрущевский “коммунизм” к 1980 г. должен был быть построен на 3000 млрд. киловатт-часов. Образно говоря, одни только приливы могли бы обеспечить процветание на Земле тридцати тысяч современных “Америк” при максимально эффективном использовании приливов и отливов, но до этого пока далеко. Проекты приливных гидроэлектростанций детально разработаны в инженерном отношении, экспериментально опробованы в нескольких странах, в том числе и у нас, на Кольском полуострове. Продумана даже стратегия оптимальной эксплуатации ПЭС: накапливать воду в водохранилище за плотиной во время приливов и расходовать ее на производство электроэнергии, когда наступает “пик потребления” в единых энергосистемах, ослабляя тем самым нагрузку на другие электростанции. Сегодня ПЭС не конкурентоспособна по сравнению с тепловой энергетикой: кто будет вкладывать миллиарды долларов в сооружение ПЭС, когда есть нефть, газ, уголь, продаваемые развивающимися странами за бесценок странам более развитым? Завтра же она станет такой же важной составляющей мировой энергетики, какой сегодня является, к примеру, природный газ. Практически на сооружение ПЭС в наиболее благоприятных для этого точках морского побережья, где перепад уровней воды колеблется от 1-2 до 10-16 метров, потребуются десятилетия, может быть, даже столетия. Но процент за процентом в мировой энергобаланс ПЭС могут и должны начать давать уже на протяжении этого столетия. Первая приливная электростанция мощностью 240 МВт была пущена в 1966 г. во Франции в устье реки Ранс, впадающей в пролив Ла-Манш, где средняя амплитуда приливов составляет 8.4 м. Открывая станцию, президент Франции Шарль де Голль назвал ее выдающимся сооружением века. Несмотря на высокую стоимость строительства, которая почти в 2.5 раза превосходит расходы на возведение речной ГЭС такой же мощности, первый опыт экплуатации приливной ГЭС оказался экономически оправданным. ПЭС на реке Ранс входит в энергосистему Франции и эффективно используется. Существуют проекты крупных ПЭС мощностью 320 МВт (Кольская) и 4000 МВт (Мезенская) на Белом море, где амплитуда приливов составляет 7-10 м. Планируется использовать также огромный энергетический потенциал Охотского моря, где местами, например в Пенжинской губе, высота приливов достигает 12.9 м, а в Гижигинской губе - 12-14 м. Благоприятные предпосылки для более широкого использования энергии морских приливов связаны с возможностью применения геликоидной турбины Горлова, которая позволяет сооружать ПЭС без плотин, сокращая расходы на строительство. Наши рекомендации |
