2.3. Система технологій гес

Рушійною силою в гідроелектростанції є потік річкової води, що запускає гідротурбіну, сполучену з електрогенератором.

Основне устаткування ГЕС:

1. Гребля для створення необхідного напору води шляхом підняття рівня з однієї сторони й опускання – з іншої.

2. Гідротурбіна, яка перетворює енергію падаючої води в механічну енергію обертання.

3. Гідрогенератор (електрогенератор), який механічну енергію перетворює в електричну.

Основне енергетичне устаткування розміщують у будинку ГЕС:

• у машинному залі – гідроагрегати, допоміжне устаткування, пристрої автоматичного управління і контролю;

• на центральному посту управління – пульт оператора-диспетчера або автооператор ГЕС.

Енергетичне джерело безперервно відновлюється природою. Основні витрати при спорудженні гідроелектростанції складають роботи зі спорудження греблі для забезпечення перепаду води. Чим вище гребля, тим більше потенційна енергія води на “вході” конверсії в кінетичну, яка перетворюється послідовно в механічну енергію турбіни й електрич­ну на “виході” з електрогенератора.

Коефіцієнт корисної дії конверсії енергії потоку води в електроенергетичну незрівнянно вище, ніж у системах конверсії теплових і атомних електростанцій і складає більш 90 %. Ці переваги стимулюють будівництво гідроелектростанцій у всьому світі.

Приклад. Гребля однієї з найбільших гідроелектростанцій світу Саяно-Шушенської (на р. Єнисей, Росія) забезпечує натиск води L на турбіну в 200 т (висота греблі 245 м і довжина 1060 м) при витраті води V за хвилину 21 400 м³. Коефіцієнт конверсії енергії води в електричну h = 0,92. Визначте потужність (Р) одного гідроелектроагрегату і всієї ГЕС (10 гідроелектроагрегатів) і порівняйте потужність такого гідроелектроагрегату з потужністю одного енергоблока РБМК-1000 Чорнобильської АЕС.

Рішення

А

Визначальна рівність потужності Р = ,

t

де Р – енергія (робота), Дж; t – час, с.

Енергія падаючої води (А) буде прямо пропорційна натиску і масі m, що обумовлює силу F, яка діє на лопасті гідротурбіни:

F = mg,

де g – прискорення вільного падіння на земну поверхню – 9,8 м/с².

Масу води m, що проходить через турбіну за хвилину, знайдемо із рівняння:

m = rН₂О × V = 1000 кг/м³ × 21400 м³ = 21,4 × 10⁶ кг.

Сила потоку води F = mg = 21,4 × 10⁶ кг × 9,8 м/с² =

= 209,7 × 10⁶ (кгм/с² ) = 209,7 МН.

Робота, що виконує потік за 1 хвилину:

А = F × L = 209,7 × 10⁶ Н × 200 м = 41,9 × 10⁹ ГДж.

Електрична потужність одного гідроелектрогенератора з урахуванням коефіцієнта конверсії h = 0,92 складе:

41,9 × 10⁹Дж × 0,92

––––––––––––––––– = 642 × 10⁶ Дж = 642 МДж.

60

Тобто потужність ГЕС (10 блоків) складає 6,4 ГВт.

Потужність одного блока РБМК-1000 (1000 МВт) більше, ніж гідроелектрогенератора, у 1,5 рази.

Діючі ГЕС України – Київська, Канівська, Кременчуцька, Дніпродзержинська, Дніпровська, Каховська та Дністровська.

При будівництві й експлуатації ГЕС багато аспектів не було враховано. Насамперед, це стосується водоймищ, що заливають великі площі сільськогосподарських угідь і лісів. На кожний кіловат потужності гідроелектростанції затоплюється біля 300 м² землі.

У басейнах рік рівнинних регіонів значна частина площ таких водоймищ є мілководна (до 2 м), де створюються сприятливі умови для широкого розміщення синьозелених водоростей. Небезпека цього явища – насиченість води токсичними хімічними сполуками (фенолом, індолом і т. ін.), що виділяються в процесі відмирання і розкладання водоростей. Це явище спостерігається як “цвітіння” води й особливо розповсюдилося в різноманітних регіонах світу в другій половині ХХ сторіччя. Пояснюють це тим, що через застосування на полях добрив у мілководні площі водяних басейнів, що добре прогріваються сонцем, із дощовими потоками з грунту потрапляє велика кількість живильних для водоростей елементів – азот, фосфор, калій. У таких водоймищах зникає риба, а вода, перед тим, як вона надійде до споживача, потребує збільшення коштів на її очищення.

Крім того, утворення величезних водоймищ змінює мікроклімат регіону і часто не в кращій бік. Так, утворення глибокого (понад 100 м) Красноярського водоймища на Єнисеї (Росія) спричинило зниження температури води влітку більш ніж на 10°С, а взимку, навпаки, у сорокаградусний мороз річка вкрита густим туманом, не замерзає протягом 300 км униз за течією. При спорудженні цієї ГЕС були затоплені найцінніші сільськогосподарські угіддя краю.

Але існує й інша сторона проблеми. Для потужних ГЕС у 2000...3000 МВт необхідні великі водяні артерії, які б забезпечували потік води понад 1000 м³ за секунду. Таких річок мало, а в Європі – зовсім немає.

Перспективний напрямок у гідроенергетиці – електростанції, що гідроакумулюють (ГАЕС). Вони включаються в регіональну електромережу з іншими електростанціями і виконують роль демпфера – самі споживають електроенергію, коли вона є в надлишку, і повертають її в мережу, коли її недостатньо. Електричні машини станції можуть працювати як насоси, коли перекачують воду у верхнє водоймище, і як блок гідротурбіни з електрогенератором, коли вона з верхнього водой­мища перетікає в нижнє. Такі станції дозволяють не тільки раціонально витрачати електроенергію, не знижуючи її виробництва всіма станціями електромережі, але й забезпечувати використання води з верхніх водоймищ для сільськогосподарських угідь. Перша гідроакумулююча електростанція була споруджена в 1971 році на правому березі Київського водоймища потужністю 225 МВт із натиском 65 м, довжиною водой­мища 275 м. Нижнім є Київське водоймище. Після 1980 р. побудовані ще дві ГАЕС: Загорська (Московська область) на річці Кум’я потужністю 1200 МВт і найбільша у Литві на р. Німан – 1600 МВт. У 1999 р. запущено в експлуатацію ГАЕС на річці Дністер.