Гидроэнергетика, история гидроэнергетики в России, Российские гидроэлектростанции
ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИИ
По количеству вырабатываемой энергии на втором месте посте теплоэлектростанций находятся гидроэлектростанции (ГЭС). Электроэнергия ГЭС наиболее дешева среди других видов, но строительство гидроэлектростанции дорого. Современные ГЭС позволяют производить до 7 млн. кВт энергии, что вдвое превышает показатели действующих в настоящее время ТЭС и, пока, АЭС, однако размещение ГЭС в Европе затруднено по причине дороговизны земли и невозможности затопления больших территорий в данных регионах. В России этой проблемы нет. Важным недостатком ГЭС является сезонность работы, столь неудобная для промышленности.
ГЭС можно разделить на две основные группы: ГЭС на крупных равнинных реках и ГЭС на горных реках. В России большая часть ГЭС сооружалась на равнинных реках. Сооружение ГЭС на равнинных реках менее рентабельно, чем на горных, но иногда это необходимо, например, для создания нормального судоходства и орошения. Во всех странах мира стараются отказаться от использования ГЭС на равнинных реках, переходя на быстрые горные реки или АЭС.
Гидроэлектростанции используют для выработки электроэнергии гидроэнергетические ресурсы, то есть силу падающей воды. Существует три основных вида ГЭС.
Гидроэлектрические станции. Технологическая схема их работы довольна проста. Естественные водные ресурсы реки преобразуются в гидроэнергетические ресурсы с помощью строительства гидротехнических сооружений. Гидроэнергетические ресурсы используются в турбине и превращаются в механическую энергию, механическая энергия используется в генераторе и превращается в электрическую энергию.
Приливные станции. Природа сама создает условия для получения напора, под которым может быть использована вода морей. В результате приливов и отливов уровень воды меняется на северных морях – Охотском, Беринговом, волна достигает 13 метров. Между уровнем бассейна и моря создается разница и таким образом создается напор. Так как приливная волна периодически изменяется, то в соответствии с ней меняется напор и мощность станций. Пока еще использование приливной энергии ведется в скромных масштабах. Главным недостатком таких станций является вынужденный режим. Приливные станции (ПЭС) дают свою мощность не тогда, когда этого требует потребитель, а в зависимости от приливов и отливов воды. Велика также стоимость сооружений таких станций.
Гидроаккумулирующие электростанции. Их действие основано на цикличном перемещении одного и того же объема воды между двумя бассейнами: верхним и нижним. В ночные часы, когда потребность электроэнергии мала, вода перекачивается из нижнего водохранилища в верхний бассейн, потребляя при этом излишки энергии, производимой электростанциями ночью. Днем, когда резко возрастает потребление электричества, вода сбрасывается из верхнего бассейна вниз через турбины, вырабатывая при этом энергию. Это выгодно, так как остановки ТЭС в ночное время невозможны. Таким образом, ГАЭС позволяет решать проблемы пиковых нагрузок. В России, особенно в европейской части, остро стоит проблема создания маневренных электростанций, в том числе ГАЭС.
В настоящее время появился новый тип гидроэлектростанций – бесплотинная мини-электростанция. Её устройство несложно, а показатели мощности довольно неплохи. Это мобильная электростанция, что удобно в некоторых труднодостижимых местах. Рукавная электростанция – также относится с микро гидроэлектростанциям.
ИСТОРИЯ ГИДРОЭНЕРГЕТИКИ В РОССИИ
Долгое время считалось, что серьезная гидроэнергетика в нашей стране начиналась в 20-х годах прошлого века. 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.
Именно с малых гидроэлектростанций выросла гидроэнергетика нынешней России. Так вспомним же где и кем были построены эти предтечи нынешних гигантов.
К 1916 г. Министерство земледелия России зарегистрировало 24 гидроэлектростанции, мощностью от 150 кВт и более, построенных на мелких речках, дающих электроэнергию фабрикам, курортам, монастырям, поместьям и рудникам.
Чаще всего использовалась такая схема. В горных районах, где быстрые реки позволяли не затапливать окрестности, в верховьях возводилась небольшая плотина. Уровень воды повышался на несколько метров. Затем по склону прорывался канал или укладывались трубы, куда отводилась часть потока. Остальная вода, переливаясь через гребень плотины, продолжала свое течение по руслу. У подошвы склона сооружалась гидроэлектростанция, турбина крутила не очень мощный электрогенератор.
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. 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.
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. 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 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.
И еще об одной гидростанции стоит рассказать — это ГЭС «Белый уголь», в создании которой принимал участие известный инженер М. А. Шателен. Построенная в 1903 г. на реке Подкумок .
Ни одна из гидроэлектростанций не была столь популярна. Впервые о ней писал в 1902 г. журнал «Электрический вестник». Возможно, что популярность станции стала причиной досадной ошибки: в некоторых изданиях ее называют первой ГЭС страны.
Более 110 лет минуло с тех пор, как наши соотечественники заставили воду работать для электроэнергетики. Пришла пора, наверное, считать первые ГЭС памятниками национальной технической культуры.
ГИДРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ РЕСУРСЫ РОССИИ
Водные ресурсы — это воды рек, озер и подземные воды, они служат основным источником водоснабжения страны. Вода нужна и коммунальному хозяйству, и промышленным предприятиям, и сельскому хозяйству для орошения. В целом страна хорошо обеспечена водными ресурсами, но по ее территории они распределены неравномерно. Хорошо обеспечены северные районы, Сибирь (80% пресных вод сосредоточено в озере Байкал), однако все наиболее освоенные части страны испытывают недостаток воды, особенно это касается южной половины европейской части страны.
Главная проблема водоснабжения — нехватка чистой воды, загрязнение вод рек и озер бытовыми и промышленными стоками, стоками животноводческих комплексов. Нужно шире внедрять системы оборотного водоснабжения, очистки сточных вод и их использования.
Водные ресурсы России значительны и разнообразны. Запасы пресной воды содержатся не только в реках, озерах, водохранилищах, но также и в подземных водоемах, ледниках, многолетней мерзлоте и болотах.
По водообеспеченности Россия значительно опережает любую соседнюю республику нового зарубежья. Но распределение водных ресурсов крайне неравномерно. Значение этой диспропорции еще более усиливается, если учесть, что наименее обеспеченные водой районы являются главными потребителями воды.
Россия обладает огромными гидроэнергетическими ресурсами. Но они используются менее чем на 20%. Большая часть гидроэнергетических ресурсов приходится на Сибирь и Дальний Восток (80%). Особенно велики они в бассейнах рек Енисея, Лены, Оби, Ангары, Иртыша, Амура. Богаты гидроэнергоресурсами реки Северного Кавказа.
Строительство ГЭС не только выгодно, но имеет и отрицательные последствия: затопление земель, изменение уровня грунтовых вод, микроклимата, ухудшаются условия для размножения многих ценных видов рыб.
Велико значение рек для развития межрайонных и внутрихозяйственных связей. В России — самая разветвленная речная сеть в мире; протяженность судоходных речных путей по России — свыше 400 тыс. км.
РОССИЙСКИЕ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИИ
Новосибирская ГЭС, построена на р. Оби, вблизи г. Новосибирска (ныне — в черте города). Проектная мощность станции 400 МВт, среднегодовая выработка электроэнергии 1687 млн. кВт/ч. В состав гидроузла входят водосливная бетонная плотина высотой 33 м, длиной по гребню 198,5 м, земляная намывная плотина длиной 4382 м, здание ГЭС длиной 283,6 м, в котором установлено 7 гидроагрегатов мощностью по 57,2 МВт, и трёхкамерный однониточный шлюз. Плотина образует Новосибирское водохранилище. Строительство станции начато в 1950, 1-й агрегат пущен в 1957, в 1959 введена в эксплуатацию на полную мощность. Энергия, вырабатываемая ГЭС, поступает в объединённую энергосистему Сибири.
Верхнесвирская ГЭС, на р. Свирь в Ленинградской области. Сооружение ГЭС начато в 1935, в 1941 (в связи с войной) строительство прервано, возобновлено в 1947, пущена в 1952. Установленная мощность 160 Мвт (160 тыс. кВт). Среднегодовая выработка электроэнергии 620 млн. кВт/ч. В состав гидроузла входят: трёхпролётная бетонная водосливная плотина (длина 111 м), совмещенная ГЭС (длина 117,8 м), земляная намывная плотина (длина 312,8 м, наибольшая высота 31 м) и однокамерный судоходный шлюз. Общая длина напорного фронта 620 м. В машинном зале установлены 4 гидротурбины поворотно-лопастного типа. Электроэнергия по высоковольтным линиям электропередачи напряжением 220 кв передаётся в Объединённую энергосистему Северо-Запада.
Красноярская ГЭС, крупнейшая ГЭС мира (1972). Расположена на р. Енисей, выше г. Красноярска, в месте пересечения Енисеем отрогов Восточного Саяна у г. Дивногорска. Установленная мощность 6000 Мвт (6 млн. квт), среднемноголетняя выработка электроэнергии — 20,4 млрд. кВт/ч в год. В состав сооружений входят: русловая бетонная плотина высота 124 м, здание ГЭС длина 430 м, судоподъёмник, открытые распределительные устройства напряжением 220 и 500 кв. Длина напорного фронта гидроузла 1175 м, максимальный напор 101 м, расход воды через плотину 12000 м3/сек. Плотина образует Красноярское водохранилище. В станционной части плотины размещены 24 водозаборных отверстия, а в водосбросной 7 водосливных пролётов шириной по 25 м. В здании ГЭС установлены 12 гидроагрегатов с турбинами радиально-осевого типа мощностью по 508 Мвт. Управление, регулирование и контроль работы электромеханического оборудования ГЭС осуществляются автоматически, с использованием средств телемеханики ближнего действия. Судоподъёмник продольно-наклонного типа с поворотным устройством расположен на левом берегу. Перемещение судов из одного бьефа в другой производится в самоходной судовозной камере.
Волховская ГЭС, первая районная ГЭС , построенная по плану ГОЭЛРО на р. Волхов. Сооружение станции начато в 1918, но из-за Гражданской войны и военной интервенции строительные работы развернулись только в 1921. Первоначальная мощность ГЭС 58 Мвт (58 тыс. квт). В начале Великой Отечественной войны станция была демонтирована и оборудование вывезено. В 1942 частично восстановлена и по подводному кабелю, проложенному по дну Ладожского озера, снабжала электроэнергией осаждённый Ленинград. В октябре 1944 полностью восстановлена. Мощность станции увеличена до 66 Мвт. Среднегодовая выработка электроэнергии — 375 млн. кВт/ч. В состав гидроузла входят: бетонная водосливная плотина длиной 213,3 м, здание ГЭС длиной 140,5 м, водоспуск, однокамерный шлюз и рыбоход. В машинном зале ГЭС установлены 8 гидроагрегатов мощностью по 8 Мвт и 2 малых гидроагрегата по 1 Мвт. Водонапорные сооружения создают Волховское водохранилище.
Саяно-Шушенская ГЭС, Саянская, одна из крупнейших ГЭС, строящаяся в долине р. Енисей, вблизи поселка Майна Хакасской АО Красноярского края. Установленная мощность 6400 Мвт. Среднегодовая выработка электроэнергии составит 23,8 млрд. кВт/ч. В состав гидроузла входят: арочно-гравитационная плотина максимальной высотой 242 м и длина по гребню 1066 м; здание ГЭС приплотинного типа с 10 агрегатами по 640 Мвт; расчётный напор 194 м; эксплуатационный водосброс с водобойным колодцем; предусмотрена возможность устройства судоподъёмника. Плотина образует водохранилище сезонного регулирования полным объёмом 31,3 км3 и полезным объёмом 15,3 км3. Работы подготовительного периода начаты в 1964. Электроэнергия, вырабатываемая ГЭС, будет передаваться по высоковольтным линиям напряжением 500 кв в объединённую энергосистему Сибири.
Саратовская ГЭС, одна из ГЭС Волжского каскада. Расположена у г. Балаково Саратовской области. Установленная мощность 1,36 Гвт, среднегодовая выработка электроэнергии 5,4 млрд. кВт/ч. строительство начато в 1956, введена на полную мощность в 1970. В состав гидроузла входят: русловая земляная намывная плотина длиной по гребню 1260 м и высотой 40м, двухниточный однокамерный шлюз, верховой и низовой каналы, левобережная дамба, рыбоподъёмник и здание ГЭС совмещенного типа с сопрягающими устройствами. В машинном зале длиной 1100 м установлено 24 агрегата (21 по 60 Мвт, 2 по 45 Мвт и один — 10 Мвт для обеспечения собственных нужд ГЭС). Плотина образует Саратовское водохранилище. Электроэнергия по линиям электропередачи 500 и 220 кв передаётся в энергосистему средней Волги, а через неё — в Единую энергетическую систему.
Усть-Хантайская ГЭС, одна из самых северных ГЭС мира. Расположена на р. Хантайка (правый приток Енисея). Максимальный напор 56,5 м. В состав гидроузла входят русловая каменно-набросная плотина длина по гребню 420 м, водоприёмник длина 140 м, береговой водосброс, рассчитанный на пропуск 3300 м3 воды в секунду, и береговые дамбы длина 4,5 км. Здание ГЭС подземного типа длина 139 м, с расстояниями между осями агрегата 17 м. Гидроузел образует Усть-Хантайское водохранилище. Строительство ГЭС начато в 1963, закончено в 1972. ГЭС снабжает электроэнергией Норильский горно-металлургический комбинат и районы Крайнего Севера.
Братская ГЭС, одна из крупнейших в мире. Сооружена на р. Ангаре в Падунском сужении вблизи г. Братска Иркутской области РСФСР. Строительство начато в 1955, в 1961 пущены первые 4 гидроагрегата. Проектная мощность ГЭС 4500 Мвт. Средняя годовая выработка электроэнергии 22,7 млрд. кВт/ч. К 1967 мощность станции достигла 4100 Мвт. В здании ГЭС установлено 16 гидроагрегатов с мощностью по 225 Мвт и 2 гидроагрегата по 250 Мвт. Турбины вертикальные радиально-осевые на напор 100 м и частоту вращения 125 об /м. В состав гидроузла входят: русловая бетонная плотина гравитационного типа длиной 924 м и максимальной строительной высотой 124,5 м, состоящая из станционной части (длиной 515 м, в которой расположены 20 водоприёмных отверстий и напорные трубопроводы), водосливной (длиной 242 м с 10 водосбросными отверстиями) и глухих частей общей длиной. 167 м; здание ГЭС длиной 516 м, расположенное у низовой грани станционной части плотины и примыкающее к левому берегу; береговые бетонные плотины общей длиной 506 м; правобережная земляная плотина длиной 2987 м и левобережная длиной 723 м; открытые распределительные устройства на напряжение 220 и 500 кв., расположенные на левом берегу р. Ангары. По гребню плотины проходит магистральная железная дорога Тайшет — Лена, а ниже — шоссейная дорога. Напорные сооружения общей длиной 5140 м образуют Братское водохранилище. Судоходные сооружения — объекты 2-й очереди.
Воткинская ГЭС, гидроэлектростанция Камского каскада у г. Чайковского Пермской области, в 30 км от г. Воткинска. Установленная мощность 1000 Мвт (1 млн. квт). Среднегодовая выработка электроэнергии 2320 млн. квтЇч. Сооружение гидроузла начато в 1955, в 1961 пущен 1-й агрегат, в 1963 станция введена на полную мощность. В состав гидроузла входят: 8-пролётная водосливная плотина длиной 191 м и высотой 44,5 м; земляные намывные плотины общей длиной 4,79 км и наибольшей высотой 35 м; здание ГЭС длиной 308 м и 2-ниточный однокамерный шлюз. Напорные сооружения общей длиной 5,4 км образуют Воткинское водохранилище. В машинном зале ГЭС установлены 10 гидроагрегатов по 100 Мвт. Электроэнергия, вырабатываемая ГЭС, передаётся по высоковольтным линиям электропередачи напряжением 500, 220 и 110 кв. В. ГЭС — одна из опорных электростанций объединённой энергосистемы Урала.
Волжская ГЭС, одна из крупнейших ГЭС мира, в нижнем течении р. Волги, севернее г. Волгограда. Установленная мощность 2,54 Гвт (2,54 млн. квт), среднегодовая выработка электроэнергии 11,1 млрд. квтЇч. Строительство начато в 1951, в 1958 пущены первые 3 гидроагрегата, в 1962 — последний (22-й агрегат). В состав гидроузла входят: бетонная водосливная плотина распластанного профиля с максимальным напором 27 м, длиной 725 м, имеющая 27 водосливных пролётов; земляная намывная плотина длиной 3375 м; здание ГЭС совмещенного типа длиной 664 м с сороудерживающим сооружением; двухниточный двухступенчатый шлюз с аванпортом в верхнем бьефе и низовым подходным каналом длиной 5,6 км; Волго-Ахтубинский канал; рыбопропускное сооружение. По сооружениям гидроузла устроены железнодорожный и шоссейный переходы через р. Волгу. Напорные сооружения образуют Волгоградское водохранилище. В здании ГЭС установлены 22 вертикальных гидроагрегата мощностью по 115 Мвт (115 тыс. квт). Малый гидроагрегат мощностью 11 Мвт установлен на рыбоподъёмнике.
ПЛАН ГОЭЛРО
Становление электроэнергетики России связано с планом ГОЭЛРО (1920 г.). Рассчитанный на 10—15 лет план предусматривал строительство 10 гидроэлектростанций и 20 паровых электростанций суммарной мощностью 1,5 млн кВт. Фактически план был реализован за 10 лет — к 1931 году, а к концу 1935 г. вместо 30 электростанций были построены 40 районных электростанций, в том числе Свирская и Волховская гидроэлектростанции, Шатурская на торфе и Каширская на подмосковных углях государственные районные электростанции (ГРЭС).
Основу плана составили следующие направления:
• широкое использование на электростанциях местных топливных ресурсов;
• создание высоковольтных электрических сетей, объединяющих мощные станции;
• экономическое использование топлива, достигаемое параллельной работой тепловых электростанций (ТЭС) и ГЭС;
• сооружение ГЭС в первую очередь в районах, бедных органическим топливом.
План ГОЭЛРО создал базу индустриализации России. В 1920-е годы наша страна занимала одно из последних мест в мире по выработке энергии, а уже в конце 1940-х годов она заняла первое место в Европе и второе в мире.
ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ГИДРОЭНЕРГЕТИКИ
Одно из важнейших воздействий гидроэнергетики связано с отчуждением значительных площадей плодородных (пойменных) земель под водохранилища. В России, где за счет использования гидроресурсов производится не более 20% электрической энергии, при строительстве ГЭС затоплено не менее 6 млн. га земель. На их месте уничтожены естественные экосистемы.
Со строительством водохранилищ связано резкое нарушение гидрологического режима рек, свойственных им экосистем и видового состава гидробионтов. Так, Волга практически на всем протяжении (от истоков до Волгограда) превращена в непрерывную систему водохранилищ.
Ухудшение качества воды в водохранилищах происходит по различным причинам. В них резко увеличивается количество органических веществ как за счет ушедших под воду экосистем (древесина, другие растительные остатки, гумус почв и т. п.), так и вследствие их накопления в результате замедленного водообмена. Это своего рода отстойники и аккумуляторы веществ, поступающих с водосборов.
В конечном счете, перекрытые водохранилищами речные системы из транзитных превращаются в транзитно-аккумулятивные. Кроме биогенных веществ, здесь аккумулируются тяжелые металлы, радиоактивные элементы и многие ядохимикаты с длительным периодом жизни. Продукты аккумуляции делают проблематичным возможность использования территорий, занимаемых водохранилищами, после их ликвидации. Имеются данные, что в результате заиления равнинные водохранилища теряют свою ценность как энергетические объекты через 50-100 лет после их строительства. Считается, что в перспективе мировое производство энергии на ГЭС не будет превышать 5% от общей.
ПЕРСПЕКТИВЫ ГИДРОЭНЕРГЕТИКИ
Сейчас Россия занимает второе место в мире по гидроэнергетическим ресурсам. Но потенциал еще больше. Новое строительство в основном планируется в Сибири и на Дальнем Востоке. Гидропотенциал этих регионов в настоящее время используется на 20 и 4% соответственно. Программой перспективного развития гидроэнергетики предусмотрено строительство следующих ГЭС: Катунская, Чемальсткая, Мокская, Тельмамская, Шилкинская, Нижнеангарская, Выдумская, Стрелковская, а также Ивановской ГЭС.
К 2020 г. планируется ввести в эксплуатацию восемь строящихся сейчас гидростанций: каскад Нижне-Черекских ГЭС, Зарамагские ГЭС, Ирганайскую ГЭС, Богучанскую ГЭС, Бурейскую ГЭС, Усть-Среднеканскую ГЭС и Вилюйскую ГЭС. Их сооружение началось еще до 1990 г.
Однако, нынешнее техническое состояние уже эксплуатирующихся гидроэлектростанций оставляет желать лучшего, поэтому акцент также делается на модернизацию существующих ГЭС.
Весьма перспективным является строительство гидроаккумулирующих электростанций, которые позволяют решать проблему пиковых нагрузок. Построена Загорская ГАЭС (1,2 млн КВт), строится Центральная ГАЭС (2,6 млн КВт).
Энергетика России в последние годы ясно показала, что при недофинансировании, при недоинвестировании энергетических активов энергетика может стать препятствием для экономического роста в регионах. Когда есть запрос на развитие промышленности, есть запрос на подключение потребителя, а энергетика не может обеспечить этот запрос.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Экономическая география России: Учеб. Пособие для вузов / Под ред. Т. Г. Морозовой. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2001. – 147с.
2. Региональная экономика: Учеб. Пособие для вузов/ Т. Г. Морозова, М. П. Победина, Г. Б. Поляк и др.; Под ред. проф. Т. Г. Морозовой. – М.: Банки и биржи, ЮНИТИ, 1995. – 304 с.
3. География России. Население и хозяйство. 9 кл.: Атлас. – 9-е изд., испр. – М.: Дрофа; Издательство ДИК, 2005. – 48с.: ил., карт.
4. http://www.booktown.info (04.12.2006 19:07).
5. http://www.rgo.ru/ (12.2006 18:59).