Гидроэнергетика - это, во-первых, отрасль энергетики и, во-вторых, техническая наука о водной энергии, методах ее получения и использования обществом, и, в частности, в целях электроэнергетики.

Дата: 2025-05-01; Просмотры: 3

Оценка:

0.00 из 5.00 — оценок

Скачиваний: 0

Скачать

Гидроэнергетика, гидроэлектроэнергетика

Гидроэнергетика - это, во-первых, отрасль энергетики и, во-вторых, техническая наука о водной энергии, методах ее получения и использования обществом, и, в частности, в целях электроэнергетики.

С точки зрения основных целей - производ­ства электроэнергии и использования энергетических ресурсов гидроэнергетика такая же отрасль, как теплоэнергетика и атомная энергетика или энергетика, использующая возобновляемые источники энергии. Все эти отрасли тесно связаны между собой и не могут функционировать и развиваться в отрыве друг от друга и от электроэнергетики. Объединяет их конечный продукт – электрическая энергия.

В тоже время гидроэнергетика тесно связана с водным хозяйством, так как обеспечивает необходимые и целесообразные условия комплек­сного использования водных ресурсов. Источниками гидроэнер­гии являются не только поверхностные водотоки (реки и каналы), но моря и океаны. Например, на приливных электро­станциях (ПЭС) используют энергию естественного колебания уровней (приливные и волновые явления).

Гидроэнергетика как наука включает в себя изучение методов получения и использования гидроэнергии. К методам получения гидроэнергии относится все то, что лежит в основе выбора схемы использования данного водотока, т.е. гидрологи­ческое, гидротехническое и энергоэкономиче­ское обоснование сооружения гидроэлектростанций (ГЭС). При изучении методов использования гидроэнергии в целях электроэнергетики рассматриваются проблемы оптимизации управления гидроэнергетическими ресурсами. При этом необходимо также учитывать также и экологические вопросы, связанные с воздей­ствием энергетических объектов на окружающую среду.

Краткий исторический обзор гидроэнергетики.

О первых гидросиловых установках на Руси в виде водяных колес упоминается в летописях XI в. Упоминание о водяных мельницах на реках Яузе и Ходынке приводится в завещании князя Дмитрия Донского и датируется XIV в. (1389 г.).

К началу XVIII в. гидросиловые установки охватывали все виды производ­ства того времени. Число заводов, использовавших эти установки, к концу века составляло уже около 3000. Выполнялись гидросиловые установки в виде водяных колес, механическая сила от которых передавалась валам машин с помощью ременных (а позднее зубчатых) передач. Эти установки обладали су­щественными недостатками:

- малой мощностью;

- громоздкостью;

- низким коэффи­циентом полезного действия (КПД);

- самое главное, они «привязывали» пред­приятие к реке, что ставило эффективность их работы в зависимость от гидрологического режима реки.

По этой причине с начала XIX в. дальнейшее распространение гидросиловых установок в промышленности приостановилось, и их место начали занимать паровые машины, которые вскоре стали энергети­ческой основой крупной машинной индустрии, хотя их КПД около 15%. Но поскольку паровые машины требовали топлива, то установка их также в известной мере привязывалась к источнику энергии (транспорт был примитивен). Кроме того, эксплуатация паровых машин требовала значительно больше средств, чем водяных колес. Поэтому интерес к использованию водной энергии не снижался. Однако для того чтобы она могла конкурировать с тепловой, необходимо было прежде всего изыскать более прогрессивные гидравлические двигатели, чем тихоходные водяные колеса. Теоретические предпосылки к этому были созданы трудами Д. Бернулли, Я. Сегнера и Л. Эйлера, и вскоре последовали много­численные предложения новых конструкций двигателей, получивших название гидравлических турбин. Они отличались от водяных колес компактностью, более высокой мощностью и КПД.

Одной из первых русских гидравлических турбин следует считать реактив­ную турбину, построенную в 1837 г. русским плотиностроителем И. Е. Сафо­новым. Турбина при КПД, равном 53%, развивала мощность 35 л. с. (1 л.с.=735 Вт). Через два года им же были изготовлены турбины, КПД которых уже был доведен до 70%.

В 1849 г. Френсис изобрел реактивную турбину, а в 1881 г. Пелтон предложил конструкцию активной турбины с ковшовыми лопатками. Обе машины в различных модификациях широко используются и поныне. Такого рода турбины освобождали использование водной энергии от 3-х первых ограничений, но широкое применение их по-прежнему было затруднено из-за 4-ой причины.

Из-за ограниченных возможностей механической передачи энергии от паровых и гидравлических машин к потребителю стало тормозиться удовлетворение все возрастающего спроса на нее. Потребовался другой способ передачи энергии. Энергией такого вида смогла стать электрическая энергия (кстати, термин «электричество» появился в 1600 г. в работах английского врача У. Гильберта, который лечил с помощью статического электричества).

Первые опыты использования электричества восходят к 70-80 гг. ХIХ века, когда П.Н. Яблочковым была создана дуговая лампа, а А.Н.Лодыгиным – лампа накаливания.

Начало организованной инженерной деятельности по созданию в России систем электроснабжения относится к 1880 г. Первое собрание электротехни­ческого отдела Русского технического общества (РТО) состоялось в Петербурге 30 января 1880 г. В марте и июне того же года открылась Первая Всероссийская электротехническая выставка и вышел первый номер журнала «Электричество» органа РТО.

Первые в мире опыты передачи электрической энергии постоянным током были проведены Ф. А. Пироцким: на Волковском поле в Петербурге им была передана мощность в 6 л.с. на расстояние 1 км.

В 1887 г. Ф. А. Пироцкий опубликовал статью «О передаче работы воды, как движителя, на всякое расстояние посредством гальванического тока», в которой писал: «Ввиду громадных издержек, необхо­димых на содержание паровых двигателей больших заводов и фабрик, нам пришла мысль о возможности передачи работы воды как самого дешевого двигателя на известное расстояние посредством гальванического тока, получен­ного какою-либо динамо-электрическою машиною... В том месте, где воды спо­собной к работе много, надо поставить водяное колесо или турбину, которое сцепить с динамо-электрической машиной, имеющей размеры, соответствующие силе водяного колеса».

Таким образом, Ф. А. Пироцкий впервые высказал идею создания гидро­электрической станции (ГЭС) и заложил основы будущей гидроэнер­гетики.

В 1880 г. русский ученый-электрик Д. А. Лачинов и француз М. Депре независимо друг от друга опубликовали исследования о возможности передачи электрической энергии на дальние расстояния и вскоре подтвердили это на промышленно-значимых экспериментах с постоянным током напряжением 6—8 кВ.

Но передача электроэнергии постоянным током высокого напряжения имела в то время существенные недостатки, приводящие в силу чрезмерной слож­ности ее к очень низкой экономической эффективности и слабой надежности в работе.

В 1888 г. русский инженер М. О. Доливо-Добровольский изобрел систему трехфазного тока. В 1891 г. в Германии под его руководством была переоборудована гидросиловая установка на р. Неккар в ГЭС мощностью 300 л. с. с генератором трехфазного тока и впервые в мире осуществилась передача от нее электроэнергии переменным током напряжением 8.5 кВ на расстояние 175 км. Это послужило поворотным пунктом в истории гидроэнергетики и энергетики, и вскоре трехфазный переменный ток получил наибольшее распространение.

Возможность передавать электроэнергию на большие расстояния открывала широкий путь к использованию водной энергии рек в тех местах, где это оказывалось не только технически наиболее просто, но и экономически наиболее выгодно, т. е. в местах наибольшей концентрации гидроэнергии в естественных условиях. Этим объясняется, что первые проекты крупных ГЭС были связаны с использованием энергии порожистых участков таких рек, как Днепр, Вуокса, Нарва, Свирь, Волхов и др.

Преимущество электроэнергии в высоких потребительских свойствах:

- способность к концентрации производства, как следствие экономия пространства, занимаемого оборудованием;

- передача на большие расстояния;

- безграничное дробление мощностей;

- легкое преобразование в другие виды энергии;

- простота и удобство в управлении всеми процессами (выработка, преобразование, передача, распределение, потребление и др.).

Электростанция - предприятие, вырабатывающее электроэнергию, а в отдельных случаях и тепловую энергию, путем преобразования других видов энергии.

По видам источников энергии ЭС бывают:

- Тепловые ЭС (тепловая энергия от сжигания органического топлива);

- Гидравлические ЭС, в т.ч. ГЭС, ГАЭС, ПЭС и ВЭС (волновые);

- АЭС;

- Солнечные;

- Ветровые;

- Геотермальные.

По назначению:

- ГРЭС (государственные районные ЭС) – обслуживают потребителей всех видов;

- Промышленные, входят в состав производственных предприятий.

Первая ЭС в России была построена в 1886 г. в Одессе, мощность ее 160 кВт. В 1897 году первый ток дала Раушская ЦЭС (МГЭС-1), примечательно, что она работает до сих пор.

Первой районной ЭС в России принято считать небольшую ГЭС «Белый уголь» недалеко от г. Ессентуки (1903 г.) – обеспечивала район на удалении до 20 км.

Первой относительно мощной РЭС была ТЭС «Электропередача» под Москвой N = 10 000 кВт = 10 МВт с ВЛ 35 и 70 кВ (Московская и Владимирская губернии).

В 1913 г. в России работало 78 ГЭС суммарной мощностью 8382 кВт. Однако это составляло менее 1% суммарной мощности всех электростанций страны (1.14 млн кВт, в США в 6.5 раз больше). Одно время советские статистики полюбили сравнивать достижения социализма с показателями 1913 года. А ведь в то время Россия сильно отставала от передовых стран и по абсолютным, и по удельным показателям. Так угля Россия добывала меньше чем США в 20 раз, чем Англия в 14 раз, Германия в 6 раз. Положение в электроэнергетике было примерно таким же – на душу населения в России вырабатывалось 13 кВт.ч, а в США 236 кВт.ч. Всего эл.энергии в России 2.04 млрд. кВт.ч, а в США в 11 раз больше.

В то же время по качественным показателям электроэнергетической отрасли России не уступали зарубежным. В начале века и в России и за рубежом единичные мощности турбин достигали 3000 кВт, а ЭС 10-15 тыс.кВт.

ЭС строились трех типов:

- промышленные;

- общего назначения, в основном для освещения зданий и улиц, вместо керосинового и газового;

- трамвайные с более низкой частотой электротока.

Кстати, первый в стране трамвай был пущен в Киеве в 1892 г., в Москве в 1899 г.

Началось ускоренное развитие отечественного энергомашиностроения. В начале ХХ века Металлический и Электромеханический заводы в Санкт-Петербурге, завод «Динамо» в Москве и др.

Появились крупные промышленно-финансовые структуры с доминирующим влиянием иностранного капитала. В 1913 году суммарная доля их составляла 90%.

В 1916 г. ЭС работали на дровах 60%, донецком угле 26%, нефти 11%.

ЭС в то время между собой не были связаны. Они по своему усмотрению устанавливали частоту и напряжение, сами определяли потребителей. Развитие отрасли происходило в условиях ожесточенной конкуренции энергетических компаний, их автономности, засекреченности и лоббировании своих интересов в госструктурах всех уровней. Этим негативным тенденциям активно и последовательно противостояла лишь научно-инженерная общественность.

Объединяющим началом были всероссийские электротехнические съезды. С 1900 по 1913 год их состоялось 7. Уже на первом был заслушан доклад «Об электропередаче силы порогов Волхова, Нарвы и Вуоксы в Петербург». По итогам доклада было принято решение о проведении научных и инженерно-прикладных изысканий по этой проблеме. Изыскания закончились к 1912 году, руководил ими Г.О.Графтио (известный гидротехник, впоследствии академик). О результатах он доложил на 7-ом съезде «Проект гидротехнической установки на порогах р. Волхова и передача энергии в Петербург напряжением 110 кВт».

В 1912 году под влиянием рекомендательных решений 7-го съезда было образовано «Петербургское общество электропередачи силы водопадов». В 1913 и 1914 гг. оно уже представило проекты строительства нескольких ГЭС, в т.ч. в Финляндии мощностью 250 тыс. кВт. В то же время велись интенсивные работы по освоению днепровских порогов. С российской стороны ими руководил И.Г.Александров. Из-за 1-ой мировой войны реализация проекта отодвинулась на 15 лет.

Таким образом, первые проекты Волховской и Днепровской ГЭС, считавшиеся детищем плана ГОЭЛРО, в действительности, были разработаны до революции.

После Октябрьской революции в гидроэнергетике начался резкий подъем. Уже в январе 1918 г. инженер Г. О. Графтио получил задание уточнить дореволюционные проекты и подготовить предварительную смету на строительство Волховской ГЭС. В марте того же года правительство под пред­седательством В. И. Ленина обсудило необходимость строительства этой ГЭС мощностью 56 000 кВт. А уже в июле было начато ее строительство.

2—7 февраля 1920 г. состоялась 1 сессия ВЦИК VII созыва, на которой В. И. Ленин предложил разработать план электрификации. На сессии была принята резолюция «Об электрификации России». Во исполнение решения ВЦИК 11 февраля того же года состоялось совещание, позже названное первым заседанием Государственной комиссии по электрификации России (ГОЭЛРО). 21 февраля Президиум ВСНХ утвердил состав Комиссии ГОЭЛРО.

Комиссия ГОЭЛРО должна была научно разработать план электрификации России на основе определенного государствен­ного плана развития всего народного хозяйства, что соответствовало знаменитой формуле В. И. Ленина «Коммунизм — это есть Советская власть плюс электри­фикация всей страны». 22—29 декабря 1920 г. на VIII Всероссийском съезде Советов был доложен план электрификации ГОЭЛРО. Этот исторический план представлял собой первый в мире научно обоснованный единый (комплексный) план хозяйственного развития страны на базе передовой техники — электрифи­кации. В нем предусматривалось в течение 10—15 лет сооружение 30 районных электростанций общей мощностью 750 тыс. кВт, в том числе 10 ГЭС общей мощностью 640 тыс. кВт (1 гидроагрегат СШГЭС).

Принцип ГОЭЛРО –концентрация производства на мощных ГРЭС и ГЭС и централизация электроснабжения от общей электросети, стал основным направлением развития электроэнергетики в нашей стране.

Вначале создаются районные энергосистемы, а затем они соединяются мощными ЛЭП в крупные ОЭС.

Сначала ТЭС и ГЭС около потребителя (промышленного или бытового), затем ближе к источникам энергоресурсов.

Вопросам развития гидроэнергетики в плане ГОЭЛРО специально был посвящен раздел «В. Электрификация и водная энергия». В нем были сформу­лированы два основополагающих принципа развития советской гидроэнергетики:

«I) В первую очередь обратить внимание на установки, исключительно выгодные как по естественным условиям, так и по возможному полному эконо­мическому использованию.

2) При проектировании сооружений скомбинировать использование гидро­технических сооружений для нескольких целей, чтобы стоимость могла быть разложена на ряд взаимно связанных предприятий (использование водной энергии со шлюзованием реки, орошением и т. п.)».

Эти принципы легли в основу комплексного использования водных ресурсов и неуклонно соблюдались во все последующие годы гидроэнергетического строительства в стране.

Первыми гидроэлектростанциями, вошедшими в строй по плану ГОЭЛРО, были:

в 1926 г. - Волховская ГЭС им. В. И. Ленина, Бозсуйская ГЭС на канале Бозсу в Ташкенте, Ереванская ГЭС-1 на р. Раздан в Армении;

в 1927 г. - первая очередь Земо-Авчальской ГЭС им. В. И. Ленина в Грузии. В этом же году было начато строительство самой мощной в Европе Днепровской ГЭС. В состав сооружений Днепрогэс входили здание ГЭС с девятью агрегатами общей мощностью 560 тыс. кВт и бетонная плотина высотой 60 и длиной 760 м с огромным по тому времени объемом строительных работ (5,3 млн. м³ земельно-скальных и 1,2 млн. м³ бетонных). Коллектив Днепростроя, возглавляемый А. В. Винтером и Б. Е. Веде­неевым, завершил строительство (практически без средств механизации) всего за 5 лет, и 10 октября 1932 г. состоялось торжествен­ное открытие Днепровской ГЭС имени В. И. Ленина.

в 1928 г. - Ленинаканская ГЭС на р. Ахурян в Армении;

в 1929 г.- Кондопожская ГЭС на р. Сун в Карелии, Зурнабская ГЭС на р. Ганджачай в Азербайджане и ряд других.

В 1935 г. план ГОЭЛРО был перевыполнен. Мощность ГЭС в СССР достигла примерно 900 тыс. кВт, из них 11 районных ГЭС (ГРЭС) имели общую мощность 770 тыс. кВт.

В предвоенные годы гидроэнергетика страны от строительства гидроэлектростанций в местах, испытывающих нехватку электро­энергии и топлива (период выполнения плана ГОЭЛРО), перешла к планомерному и наиболее эффективному использованию гидроэнергетических ресурсов стра­ны. Было принято решение о сооружении 9 ГЭС Волжского каскада общей мощностью более 10 млн. кВт со среднегодовой выработкой электроэнергии около 40 млрд. кВт-ч. Началось сооружение Иваньковской ГЭС мощностью 30 мВт, являющейся первой ступенью Волжского каскада. Угличской и Ры­бинской ГЭС мощностью 110 и 330 МВт соответственно. Последние, еще не выйдя на проектную мощность, сыграли исключительную роль в электроснабже­нии Москвы в суровую военную зиму 1941/42 г., выработав для столицы 3,5 млрд. кВт-ч электроэнергии.

Был разработан также проект освоения каскада ГЭС на р. Раздан в Армении, в котором предусматривалось строительство 9 ГЭС, суммарной мощностью 604 МВт. Необходимо подчеркнуть, что каскады ГЭС обеспечивали комплексное использование водных ресурсов рек, в том числе для водного транспорта и орошения на Волге и для орошения на Раздане.

К концу 1940 г. выработка электроэнергии в стране достигла 48.3 млрд. кВт-ч, в т.ч. гидроэлектростанциями - 5,11 млрд. кВт-ч. Доля гидро­электроэнергии в общем электроэнергетическом балансе возросла с 4% в 1928 г. до 10,6% в 1940 г. За 1928—1940 гг. в СССР было построено 39 средних и крупных гидроэлектростанций.

В годы Великой Отечественной войны немецко-фашистские войска нанесли большой урон советской энергетике, разрушив более 60 крупных электростанций, в том числе пять ГЭС общей мощностью 780 тыс. кВт, в том числе Днепровскую.

Несмотря на тяжелые годы войны за 1941—1945 гг. были введены в эксплуатацию новые ГЭС общей мощностью 280 тыс. кВт, а на восстанавли­ваемых ГЭС она составила около 250 тыс. кВт. Общая мощность гидроэлектро­станций Советского Союза в 1945 г. составила 1252 тыс. кВт, а их выработка — 4,86 млрд. кВт-ч. Доля гидроэлектроэнергии в общем электроэнергетическом балансе страны возросла с 10,6% в 1940 г. до 11,2% в 1945 г.

Вскоре после войны были восстановлены на полную мощность пострадавшие ГЭС. В 1947 г. пущено три агрегата восстановленной Днепровской ГЭС имени В. И. Ленина. В 1950 г. она была введена на полную мощность 650 МВт, что на 16% превысило ее довоенную установленную мощность. Уже в 1947 г. установленная мощность всех ГЭС достигла довоенного уровня.