4. Гидроэнергетические установки

4.1. Гидростатика и гидродинамика

Гидростатика – раздел гидромеханики жидкостей, в котором изучаются равновесие жидкости и воздействие покоящейся жидкости на погруженные в нее тела. Одной из основных задач гидростатики является изучение распределение давления в жидкости для обеспечения условий ее равновесия. Зная распределение давления, можно на основании законов гидростатики рассчитать силы, действующие со стороны покоящейся жидкости на погруженные в нее тела, например на стену плотины гидроэлектростанции (ГЭС).

Одним из основных законов гидростатики является закон Архимеда. Применительно к гидротехническим сооружениям имеет практическое значение определение силы, действующей на некоторую поверхность, погруженную в жидкость. В этом случае сила давления P сводится к одной равнодействующей силе, равной весу столба жидкости, который был бы над стенкой, если бы оно лежало горизонтально на глубине центра тяжести смоченной площади:

(4.1)

,

где ρ – плотность жидкости;

g – ускорение свободного падения;

h_цт – глубина центра тяжести смоченной плоскости;

p₀ – внешнее давление на свободную поверхность воды;

S – площадь смоченной поверхности стенки.

Точка пересечения линии действия этой силы с плоскостью стенки называется центром давления.

Формула (4.1) применяется для расчета плотин, щитов, затворов и других гидротехнических сооружений.

Гидродинамика – раздел гидромеханики жидкостей, изучающий движение несжимаемых жидкостей под действием внешних сил, а также законы механического взаимодействия между жидкостью и соприкасающимися с ней телами. В гидродинамике жидкость считается непрерывной однородной средой в силу ее текучести.

О

(4.2)

сновные уравнения гидродинамики получаются путем применения общих законов физики к элементарной массе, выделенной в жидкости. В общем случае – это достаточно сложные системы дифференциальных уравнений с частными производными, которые часто упрощают, вводя те или иные допущения, например, пренебрегают вязкостью жидкости. При этом уравнения гидродинамики сводят к уравнениям динамики идеальной жидкости, в частности уравнению Бернулли. Согласно ему вдоль струйки жидкости имеет место следующее соотношение между давлениемP, скоростью υ течения жидкости, плотностью ρ жидкости, высотой Z над плоскостью отсчета:

= const.

Теория гидродинамики применяется при проектировании кораблей, расчете трубопроводов, насосов, гидротурбин и водосливных плотин, изучении грунтовых вод и др. ГЭС предназначены для преобразования статической и динамической энергии воды в электрическую энергию, и знание законов гидростатики и гидродинамики небходимо для корректного решения целого ряда вопросов проектирования оборудования электростанций.

4.2. Гидроэнергоресурсы и состояние гидроэнергетики России

Сегодня гидроэлектростанции России производят до 10 –18 % общей выработки электроэнергии в зависимости от степени сезонной загрузки и иных факторов, атомные электростанции – около 15 %, остальное (около 70 %) вырабатывают на тепловых электростанциях. В мире доли ГЭС, АЭС и ТЭС в производстве электроэнергии составляют соответственно 19, 17 и 62 %.

В настоящее время в нашей стране действует порядка 100 ГЭС суммарной установленной мощностью порядка 44 млн. кВт. Ежегодно на ГЭС в зависимости от водности года вырабатывается 156–170 млрд. кВт∙ч электроэнергии.

В разработанной по решению Прави­тельства РФ энергетической стратегии России на период до 2020 года развитие электроэнергетики страны ориентиро­вано на темпы роста производства вну­треннего валового продукта 5–6 % в год при соответствующем устойчивом росте электропотребления не менее 3 % в год. В результате потребление электроэнергии к 2020 году должно до­стигнуть 1545 млрд. кВт∙ч. С учетом увеличения объемов эффективного экспорта плановое производство электроэнергии достигнет 1620 млрд. кВт∙ч, из них 216 млрд. кВт∙ч будет выработано на гид­роэлектростанциях.

В гидроэнергетическом потенциале России заложены большие резервы электроэнергетического баланса страны. Степень использования данного потенциала на сегодняшний день очень неравномерна: наиболее высок этот показатель в европейской части страны – 46,6 %, в Сибири он близок к среднему – 19,7 %, а на Востоке России составляет лишь 3,3 %.

Российские гидроэнергоресурсы по своему потенциалу сопоставимы с современной выработкой всех электростанций страны. Сегодня у нас не используется экономически эффективный гидроэнергетический потенциал, эквивалентный ежегодному производству более чем 650 млрд. кВт∙ч электроэнергии. Однако освоение потенциала такого масштаба требует (за исключением малых ГЭС) очень больших капиталовложений и продолжительных сроков строительства гидроэнергетических объектов.

По степени освоения гидроэнергоресурсов Россия, к сожалению, значительно отстает от других стран. Например, в США и Канаде гидроресурсы освоены на 50–55 %, в европейских странах и Японии – на 60–80 %. Если же говорить о мировой тенденции в развитии гидроэнергетики, то в перспективе доля ГЭС в выработке электроэнергии в мире будет снижаться, за исключением Китая и Латинской Америки, где ожидается увеличение этой доли.

Гидроэнергетика России в ближайшие 20 лет будет развиваться в основном в Сибири и на Дальнем Востоке, обеспечивая базисный режим работы тепловым электростанциям этих регионов. В европейских районах страны продолжится сооружение некрупных пиковых ГЭС, преимущественно на Северном Кавказе.

Нельзя не учитывать и тот факт, что сегодня мы имеем 16 гидроэлектростанций, строительство которых уже ведется в Сибири и на Дальнем Востоке, на северо–западе и юге России. Общая мощность этих ГЭС в перспективе составит 9 млн. кВт, а годовая выработка электроэнергии составит 35 млрд. кВт∙ч. Некоторые из указанных ГЭС имеют высокую степень готовности, капиталовложения на этих стройках освоены на 30–60 % их сметной стоимости. На многих возводимых ГЭС выполнены большие объемы работы по основным сооружениям, а на ряде гидроузлов готовность сооружений такова, что они могут быть введены в эксплуатацию уже в ближайшие годы, при условии определенной концентрации на этих объектах сил и средств. Подобная готовность ГЭС, безусловно, делает их привлекательными для инвесторов, которых нужно более активно искать и находить.

Что касается инвестиций, то финансирование достройки Аушигерской, Богучанской, Бурейской, Зарамагской, Зеленчукской, Ирганайской, Усть–Среднеканской ГЭС до сего времени осуществлялось в основном из средств РАО «ЕЭС России». Сторонних инвесторов для завершения постройки названных ГЭС пока привлечь не удалось, а государство в финансировании их сооружения участия практически не принимает. Суммарная проектная мощность перечисленных ГЭС – 6,5 млн. кВт, и они смогут ежегодно производить 11,7 млрд. кВт∙ч электроэнергии. Первые очереди этих ГЭС общей мощностью около 1 млн. кВт введены в 2006 г. Ведется также достройка Вилюйской ГЭС.

Важнейшей проблемой гидроэлектростанций России является их старение. В настоящее время срок эксплуатации 12 ГЭС превысил 50 лет. К 2010 году через 50 летний рубеж перейдут еще 20 ГЭС. Эти 32 гидроэлектростанции имеют суммарную установленную мощность 94 млн. кВт и годовую выработку около 40 млрд. кВт, что составляет почти треть общего числа ГЭС. Срок 50 лет – принципиальный рубеж. Переход через него требует проведения серьезных исследований состояния гидроузла в целом и, прежде всего, тщательной оценки надежности его гидротехнических сооружений.

В связи с этим надо сказать несколько слов о концепции технического перевооружения энергетического оборудования ГЭС России. Износ основного энергетического оборудования отечественных ГЭС достиг предельного уровня. В настоящее время на 87 российских гидроэлектростанциях из 464 агрегатов выработали нормативный срок службы, определенный в 30 лет, и нуждаются в реконструкции и техническом перевооружении 335 гидроагрегатов. Такое состояние основного оборудования неизбежно увеличивает эксплуатационные и ремонтные затраты, снижает выработку электроэнергии и ограничивает пропускную способность ГЭС при прохождении паводка.

Единственным на сегодня способом поддержания работоспособности оборудования и продления срока его службы стал восстановительный ремонт. Этот метод по существу является в настоящее время и основным направлением технического перевооружения оборудования ГЭС. Рост ремонтной составляющей в себестоимости электроэнергии ГЭС в связи с этим достиг 40 %.

С выработкой нормативного срока службы оборудования связана и такая крайне важная проблема, как безопасность гидротехнических сооружений ГЭС. Свидетельство тому участившиеся в последнее время в мире техногенные аварии и катастрофы.

Основной причиной свертывания гид­роэнергетического строительства стали во многих случаях природоохранные требования и ограничения. По­этому сегодня следует тщательно и конкретно рассматривать экологические факторы, которые могут стать причиной сущест­венной корректировки прогноза разви­тия гидроэнергетики. Следует уделить внимание на положительные экологиче­ские эффекты от сооружения ГЭС. Всесторонний анализ всех этих факторов и эффектов позволит полнее оценить влияние ГЭС на окружающую среду.

Сегодня, как никогда ранее, сложи­лась благоприятная ситуация для наращивания генерирующих мощностей гидроэнергетики. Это обусловлено следующими факторами. Во–первых, ростом спроса на электроэнергию внутри страны и увели­чением ее экспорта. Во–вторых, обо­стрением проблемы топлива в тепло­энергетике, вызванной дефицитом природного газа. В–третьих, вовлечением в топливный баланс новых объемов твердого топлива, что требует значительных затрат для перевода ТЭС на сжигание угля, решения экологиче­ских проблем и внедрения новых доро­гостоящих технологий. В–четвертых, предстоящая либерализация цен на газ и изменение ценовых соотношений для газообразного, нефтяного и твердого топлив приведут в перспективе к значи­тельному росту тарифов на электро­энергию ТЭС и, разумеется, еще боль­ше повысят конкурентоспособность ГЭС.