Гидроэлектроэнергетика

Гидроэлектростанция не только гидротехническое сооружение, но и предприятие по производству электрической энергии.

Как предприятие-производитель электрической энергии гидроэлектростанция снабжена основным оборудованием - гидротурбинами, гидрогенераторами, распределительными устройствами (РУ) и линиями электропередачи (ЛЭП). Рассмотрим схематично историю развития оборудования гидроэлектростанций.

Ирригация положила начало многим замечательным открытиям. Изобретатель рычага и автор знаменитого закона Архимед (287-212 гг. до н.э.) предложил первый насос - червячный винт. Известный математик Герон из Александрии (умер в 70 г. до н.э.) изобрел первый теодолит (прибор для измерения на местности горизонтальных и вертикальных углов). Нивелир (прибор для определения высот точек земной поверхности относительно некоторой избранной точки) появился еще раньше: первый гидронивелир -канава, заполненная водой. Римскому инженеру Ктесибию (около 100 г. до н.э.) приписывается изобретение нагнетательного насоса. Великому художнику и ученом} Возрождения Леонардо да Винчи - изобретение шлюза (сооружение для подъёма, опускания судов с одного уровня воды на другой) со створными воротами (1495 г.). Первые шлюзы с опускными воротами появились несколько раньше. Одни исследователи считают, что первый шлюз был построен в Нидерландах, другие полагают, что первый шлюз построили в Милане в 1438 г. итальянцы Филиппо из Модены и Фиорованти из Болоньи, чтобы доставить камни для строительства знаменитого Миланского собора. В Китае считают, что у них первые шлюзы появились на 600 лет раньше, чем в Европе.

Использование воды как источника энергии началось двумя тысячелетиями позже, чем для ирригации. Первая водноэнергетическая установка - водоподьемное колесо (первичный двигатель с вращательным движением рабочего органа - ротора (колеса), преобразующий в механическую работу энергию подводимой воды), была впервые описана в конце первого века до н.э. римским инженером Ветрувием. Поначалу водяное колесо использовалось только в мукомольном деле. В средние века водяное колесо (в последствии гидротурбина) стало универсальной энергетической установкой. Великий математик и механик Леонард Эйлер в 1750-1754 гг. существенно усовершенствовал водяное колесо, расположив его горизонтально и поместив в камеру со специальным подводом воды, таким образом, создав прообраз современной гидротурбины. Первые промышленные гидротурбины были изобретены лишь в XIX веке французскими инженерами Фурнейроном и Бурденом (1827 г.). Дальнейшее совершенствование конструкций гидротурбин связано с именами американских инженеров А.Пельтона и Д.Френсиса. В 1847 г. Френсис изобрел радиально-осевую (в рабочем колесе поток воды имеет сначала радиальное, а затем осевое направление), а в 1889 г. Пельтон -ковшовую гидротурбину (вода на лопасти (ковши) рабочего колеса поступает через сопла по касательной к окружности, проходящей через середину ковша). Поворотно-лопастная гидротурбина (имеет двойное регулирование мощности одновременным поворотом лопаток направляющего аппарата и лопастей рабочего колеса) была изобретена австрийским инженером Каштаном в 1920 г.

В девятнадцатом веке гидротурбины нашли применение лишь как источник получения механической энергии и только вблизи водотоков. Девятнадцатый век был веком пара. Созданная в восемнадцатом веке паровая машина, изобретение которой приписывают Томасу Ньюкомену (1712 г.), И.И.Ползунову (1766 г.), Джеймс У any (1769 г.), стала энергетической основой промышленной революции. Изобретение Робертом Фултоном парохода (1807 г.) и Джорджем Стефенсоном паровоза (1814 г.) закрепили повсеместно господство пара как источника получения механической энергии.

Веком электричества стал век двадцатый, после того, как во второй половине XIX века появились зачатки третьего главного элемента электростанции - электрогенератора. Теоретические основы электротехники были разработаны Майклом Фарадеем. В 1821 году Фарадей сформулировал идею электродвигателя, а в 1831 году - электрогенератора. Основные технические усовершенствования генератора связаны с именем американского изобретателя Томаса Альвы Эдисона (1882 г.). Сочленение паровой турбины с электрогенератором позволило создать агрегат под названием турбоагрегат, а с гидравлической турбиной - гидроагрегат и соответственно их электрогенераторы - турбогенератор и гидрогенератор.

Электрическую энергию необходимо было не только произвести, но и передать на большое расстояние. Высоковольтная передача электрической энергии постоянного тока на большое расстояние (57 км) впервые была осуществлена во Франции в 1882 г. Марселем Депре и в Англии Ферранти в 1889 г. (на напряжении 10 тыс. Вольт). Еще раньше (1874-75 гг.) русский электротехник Ф.Пироцкий впервые передал электрическую энергию на расстояние 1 км. Но распространение передача электроэнергии получила лишь после того, как был изобретён трёхфазный переменный ток (см. гл. 6). Однако недостаточно было только передать электроэнергию, её необходимо было ещё распределить между потребителями. Потребность в распределении появилась сразу же, как только трёхфазный ток был востребован массовым потребителем.

К концу девятнадцатого века возникли четыре основных элемента, без которых невозможна гидроэлектростанция: плотина, гидротурбина, гидрогенератор, распределение и передача электроэнергии по высоковольтным линиям электропередачи. В 1882 г. Т.А. Эдисон создал компанию, которая развернула строительство гидростанций в США, Англии, Италии. По-видимому, этот год можно считать началом эры гидроэлектроэнергетики. Чуть позже начинается строительство тепловых электростанций. Первая паровая турбина для выработки электроэнергии была предложена Чарльзом Парсонсом в 1884 г.
Таким образом, современная гидроэлектростанция представляет собой взаимоувязанный комплекс гидротехнических сооружений, водохранилища и оборудования.

С начала практического применения электроэнергии в мире начали формироваться теоретические взгляды на электрификацию как на новый не только технический, но и социально-экономический процесс, способный оказать глубокое позитивное воздействие на общественное производство и на качество жизни.

Победу электричества над использованием пара, как источника для преобразования в механическую энергию, обеспечили следующие важные свойства электрической энергии:

- универсальность электроэнергии как энергоносителя: легкость преобразования в другие виды энергии и обратно, возможность практически безграничной концентрации, относительная простота управления электрическими потоками, и следовательно, процессами, которые основываются на использовании этих потоков, и, наконец, экологическая чистота при её использовании - обеспечивает преимущество электротехнологий в области повышения гигиенического комфорта, условий труда, сокращения вредных выбросов;

- экономичность, энергия тратится по мере надобности; в эпоху пара, если рабочий отключал станок, паровая машина не меняла режима работы, лишь стравливала «лишний» пар в атмосферу; при остановке станка с помощью рубильника (выключателя) электрическая энергия не расходуется;

- распределение и делимость на любые порции, возможность подвести ее практически в любую точку;

- транспортабельность и возможность передачи на большие расстояния; транспортировка электроэнергии по линиям электропередачи не требует таких высоких транспортных затрат, как перевозка топлива.

Недостатком электрической энергии является практическая невозможность ее накопления и складирования. Современные электрические аккумуляторы еще не обладают необходимой емкостью. Электрическая энергия потребляется сразу после того, как производится. Этим она отличается от любого товара (ее нельзя накопить и «придержать под прилавком»).

Единственным достаточно емким аккумулятором электрической энергии в настоящее время является особый тип гидроэлектростанции - ГАЭС. ГАЭС - гидроаккумулирующая электростанция оборудована «обратимыми» гидроагрегатами, которые могут работать и как турбины, и как насосы. Идея работы ГАЭС будет пояснена в гл. 2.

В.И. Брызгалов, Л.А. Гордон, "Гидроэлектростанции", Красноярск, 2002г.