Информационный партнер Комитета
по экологии и охране окружающей
среды Ассоциации менеджеров
Нам уже год! 
21 Ноября 2017

Ликбез №6: Давление – в нужное русло

«Кислород.ЛАЙФ» продолжает выпускать тексты, разъясняющие понятные специалистам, но не всегда правильно понимаемые обывателями технические нюансы энергетики. Сегодня поговорим о том, что такое напор и почему он не зависит от высоты плотины.

Поделиться в социальных сетях

Когда проектировщик приступает к расчету проекта тепловой электростанции, он начинает с выбора топлива. Принципиальное значение имеет его теплотворная способность – то есть количество теплоты, выделяемое при полном сгорании. При проектировании ГЭС важнейшее значение имеет напор – так называют разницу между уровнем расположения водовода станции в верхнем бьефе и уровнем за рабочим колесом гидроагрегата в нижнем бьефе. Итоговая мощность гидроагрегата подсчитывается как произведение напора, расхода воды и коэффициента полезного действия турбины и генератора. Напор же создается за счет плотины, именно это и позволяет управлять станцией. А не ждать милостей от погоды, которая сильно влияет на выработку солнечных и ветровых станций.

Из этой формулы следует вывод, что увеличить установленную мощность ГЭС можно разными способами. Например, повысить КПД оборудования. Но в современной энергетике он и так уже превышает 90-95%, из-за чего многие активисты и зеленые уверены – какие тут могут быть инновации? Предел развития достигнут, не то что в солнце и ветре. В реальности же каждая гидроэнергетическая компания бьется, в буквальном смысле слова, даже за долю процента. И именно поэтому столь крупным событием стала замена рабочих колес на Красноярской ГЭС, второй по установленной мощности в России. Новые колеса повысят мощность станции всего на 2% - обывателям кажется, что это мизер, но специалисты – в восторге.

Можно увеличить и количество агрегатов – но и тут форма створа, в случае с каждой ГЭС – индивидуальная и неповторимая – способна продиктовать свои ограничения, а результат окажется не лучше, чем у других станций. Знаменитая ГЭС «Три ущелья» (КНР) имеет 32 агрегата и проектную производительность 100 млрд кВт*часов в год, а ГЭС «Итайпу» (Бразилия – Парагвай) на 20 агрегатах дважды в своей истории выходила на рубеж 92 млрд кВт*часов. Разница между двумя гигантами заключается как раз в напоре – на «Итайпу» он составляет 120 метров, а «Три ущелья» располагают всего 80,6 метрами (есть, правда, проект увеличения напора до 109 метров). Впрочем, в соответствии с существующей классификацией обе станции считаются высоконапорными – к таким относятся все станции с напором более 60 метров; к средненапорным – от 25 метров; к низконапорным – от 3 до 25 метров.

Кстати, именно от напора воды зависит и тип турбин, которые устанавливают на ГЭС. Для высоконапорных обычно подходят ковшовые и радиально осевые турбины с металлическими спиральными камерами. На средненапорных ставят поворотно-лопастные и радиально-осевые турбины, на низконапорных — поворотно-лопастные турбины в железобетонных камерах. Но принцип работы всех видов турбин схож — вода, находящаяся под давлением (напор воды) поступает на лопасти, которые и начинают вращаться. За счет этого механическая энергия передается на гидрогенератор, который преобразует ее в энергию электрическую.

В России крупнейшей по установленной мощности является Саяно-Шушенская ГЭС. При высоте плотины в 242 метра расчетный напор на гидроагрегаты составляет 194 метра. Тут следует отметить, что расчетный напор – это некая средняя величина. В действительности же уровень верхнего бьефа постоянно меняется (мы ведь говорим о возобновляемой энергетики, а она всегда так или иначе зависит от непредсказуемости ресурса – воды). Но должен умещаться между тремя ключевыми для каждой станции отметками. Нормальный подпорный уровень (НПУ) – оптимальная отметка уровня водохранилища; форсированный подпорный уровень (ФПУ) – максимальная отметка, выше которой вода подниматься не должна даже при самых экстремальных наводнениях; и уровень мертвого объема (УМО) – граница, до которой водохранилище может опуститься с учетом возможных экологических и технических последствий. Разница между НПУ и УМО считается полезным объемом водохранилища – тем самым резервом, который ГЭС может превратить в электроэнергию и передать потребителям. На большинстве крупных ГЭС в России разница между НПУ и УМО составляет несколько метров, к рекордсменам относятся Бурейская (20 метров) и Зейская ГЭС (19 метров) на Амуре. Для Саяно-Шушенской ГЭС в документах Енисейского бассейнового водного управления Росприроднадзора НПУ зафиксирован на отметке 539 метров над уровнем моря, УМО – 500 метров. А нижняя граница водовода находится на отметке 479 метров.

Самый большой напор в мире – не у китайской ГЭС «Цзиньпин-1», внесенной в Книгу рекордов Гиннеса как самая высокая плотина в мире (305 метров), а у швейцарской ГЭС «Бьедрон» (высота плотины – 285 метров). При помощи деривационных (отводящих от основного русла реки) тоннелей швейцарские инженеры создали на выходе пять струй воды со скоростью 192 м/с – это соответствует давлению в 200 атмосфер или напору 1869 метров! Суммарная мощность трех турбин составляет 1269 МВт, китайская же станция на шести турбинах выдает 3600 МВт. Вот вам и разница!

Спор между двумя конструкциями пока не в пользу «Бьедрона»: в 2000 году в одном из подводящих тоннелей станции произошла авария, на ее устранение потребовалось более 9 лет. Помимо сложностей и рисков при эксплуатации, аналогичные «Бьедрону» станции – австрийская «Рейсек», исландская «Каурахньюкар» - требуют строительства многочисленных дополнительных плотин и тоннелей. У «Каурахньюкар», например, дополнительных плотин пять, а длина тоннелей превышает 73 км – не каждая страна может себе позволить такие конструкции.

Директор любой из ГЭС предпочел бы круглый год работать на оптимальных напорах, но в России, где сезонные колебания притока очень значительны, перепадов не избежать. Иное дело «Итайпу»: сравнительно ровный климат и несколько водохранилищ, расположенных выше по течению, гарантируют станции коэффициент использования установленной мощности на уровне 73-83%. Коэффициент рассчитывают делением средней мощности станции на реальную мощность, достигнутую в течение года – то есть «Итайпу» почти круглый год работает в оптимальном режиме. В России самые высокие КИУМ у ГЭС Сибири и Дальнего Востока – сказываются и природные условия, и отсутствие конкуренции с другими типами электростанций за потребителя.

Кстати, в великом многообразии гидроэлектростанций есть и безнапорные варианты – использующие наличный напор течения реки или деривационного канала. У таких установок есть преимущества (например, их можно легко перенести с места на место), но и есть и существенный недостаток: очень небольшая мощность – производительности хватит на частное хозяйство или небольшой населенный пункт, не более. К тому же зимой в России такие мини-ГЭС придется извлекать из замерзшей реки и где-то хранить, иначе они пострадают от льда. Что бы не говорили ярые сторонники минимального воздействия на природу, но пока без плотин, создающих напор для ГЭС, нам не обойтись.

Принцип работы гидроагрегата 

на примере Бурейской ГЭС