Гидроэнергетика и перспектива применения малых ГЭС.
Особенности функционирования гидроэнергетики Украины.
Гидроэнергетика Украины началась с сооружения наибольшей в Европе Днепровской ГЭС - 560 МВт (1927г. - начало строительства, 1932г. - введенная в эксплуатацию). В состав сооружения входили здания ГЭС с девятью агрегатами. Концентрация мощностей в процессе развития энергетики привела к строительству преимущественно мощных ГЭС. Из ГЭС средней мощности была сооружена лишь Теребле-Рикская (27 МВт, 1955г.) - чрезвычайно интересная ГЭС, где задействовано процедуру перебрасывания стока р.Теребля в р.Реку. Здесь используется разность имеющихся природных уровней рек Теребля и Реки, составляющая 200 м в том месте, где эти реки сближаются на расстоянии 3,5 км.
В период с 1955г. началось освоение гидропотенциала р.Днепр - сооружение ГЭС Днепровского каскада. Все ГЭС, кроме Каховской (периодически-полупиковый объект), являются пиковыми электростанциями.
В 1983г. введена в эксплуатацию Днестровская ГЭС. Установленная мощность Днестровской ГЭС - 702 Мвт, среднее многолетнее (проектное) производство электроэнергии составляет 800 млн. квт·ч, расчетный напор - 55 м, число часов использования мощности по проекту - 1140 часов, то есть это чисто остропиковая электростанция. Данная электростанция имеет характер горной, поэтому площадь затопления земель под водохранилищем составляет лишь 14,2 тыс. га (буферное водохранилище - 1,04 тыс. га).
ГЭС, в зависимости от водности, вырабатывали в последние годы 14-16 % электроэнергии в энергообъединении. Себестоимость электроэнергии на больших ГЭС составила, например, в 1998р. 0,59 коп./квт·ч.
Уровень освоения гидропотенциала больших рек практически исчерпан. В последние годы использования технического гидропотенциала больших рек в Украине превышало 60 %. Доиспользование потенциала р.Днестр требует серьезных экологических исследований и обоснований (кроме верховья). Усложняет эту работу новое межгосударственное значение речки.
Еще в 1975г. введена первая в СССР гидроаккумулирующая электростанция - Киевская ГАЭС мощностью 225 Мвт. Ее характеристики:
полный объем верхнего водохранилища - 4,79 млн. м3;
полезный объем - 3,79 млн. м3;
площадь верхнего водохранилища - 60 га (нижнее - водохранилище Киевской ГЭС);
средний напор воды Нср = 70 г (65-74 м);
мощность ГАЭС в турбинном режиме составляет 225 МВт;
на станции установлены три вращающихся агрегата единичной мощности в насосном режиме 43 МВт (после модернизации 43,5 МВт), в турбинный - 33,4 МВт (после модернизации 37,0 МВт);
мощность трех прямых агрегатов составляет по 41,5 Мвт.
Киевская ГАЭС стала крупномасштабной моделью для всесторонних исследований. Выполнены исследования свойств усталости металлов вращающихся узлов в зависимости от влияния интенсивных вибрационных нагрузок, прочности узлов (крышки турбины и турбинного подшипника), вибрации лопаток направляющего аппарата, системы отжима воды и выпуска воздуха при пуске в насосный режим. Проведен комплекс исследований переходных процессов при пусках и переведении в разные режимы, остановках, потере привода. Отработан двухтактный и более режим эксплуатации. Опыт эксплуатации и накопленные исследовательские наработки в будущем будут оказывать содействие внедрению мощных ГАЭС (сооружены первые очереди Днестровской и Ташлыкской, начато строительство, но законсервировано, Каневской ГАЭС).
В 20-30-тые годы началось массовое развитие малой гидроэнергетики. Так, в 1924 г. в Украине эксплуатировалось 84 малых гидроэлектростанций (МГЭС) (суммарная мощность 4000 квт, средняя мощность 47,6 квт), а до 1929 г. их было уже 150 (суммарная мощность 8400 квт, средняя мощность 56 квт). Среди них достаточно мощной была Бузская (введенная в эксплуатацию в 1929г., мощность 570 квт), Вознесенская (1929г., 840 квт), Сутиская (1927г., расширенная в 1935г. до 1000 квт). В 1935 - 1937гг. из известных введены в эксплуатацию Шумская (120 квт), Потуская (32 квт), Писаревская (160 квт), Белоусовская (88 квт), Березовская (108 квт), Клебанская (64 квт) и много других МГЭС.
1934 г. сооружена Корсунь-Шевченковская станция (1650 квт), которая была одной из самых совершенных МГЭС и стала основой первой в Украине и в СССР местной Корсунь-Шевченковской сельской энергосистемы с очень высокими для того времени экономическими показателями (существовала до 1957г.). В её состав вошли и работали параллельно еще Юрковская ПТЭС (2000 квт), Стеблевская ГЭС (2800 квт), Дибненская ГЭС (560 квт).
В 1950 г. по данным "Укргидропроект" в Украине эксплуатировалось 956 МГЭС, но потом их строительство было приостановлено.
С развитием мощного гидроэнергостроительства, сооружением больших ТЭС, возрастанием централизации энергоснабжение, а также низкими ценами на топливо и электроэнергию у ведомств и предприятий, на балансе которых находились МГЭС, интерес к ним исчез, началась их консервация и стихийный демонтаж. В значительной мере утрачен опыт проектирования, производства оборудования и сооружения. Сотни МГЭС были заброшены и постепенно разрушались, сносилось основное оборудование, когда-то сооруженные плотины или разрушены, или находятся в аварийном состоянии.
Как следствие, сегодня гидроэнергетика не полностью удовлетворяет потребности энергосистем в пиковой и полупиковой мощности вследствие недостаточной мощности на гидро- и гидроаккумулирующих электростанциях (ГЭС и ГАЭС), а также ограничений, которые накладывают другие области водохозяйственного комплекса. Необходимо заметить, что вопрос продолжения строительства больших ГЭС еще требует значительных доработок, связанных с экологическими последствиями их эксплуатации, а также с учетом ограничения строительства атомных электростанций (АЭС) и широким внедрением парогазовых установок. До 2010 г. установленная мощность ГЭС и ГАЭС Украины должна быть доведена до 14,5 млн. квт, а изготовление электроэнергии - до 17 млрд. квт*ч за счет сооружения Унизской ГЭС на р.Днестр, ГЭС и ГАЭС в Закарпатье в составе энергокомплексов и сооруженных в отдельности ГАЭС, а также путем строительства средних, малых и микроГЭС. Некоторое увеличение производства электроэнергии предполагается за счет реконструкции и модернизации существующих объектов гидроэнергетики, а также привлечения ресурсов малых и средних рек. Должны быть проведены разработки по преобразованию некоторых существующих ГЭС в ГАЭС, что разрешит значительно увеличить регулирующую мощность относительно существующей.
Оптимизация существующих генерирующих мощностей: принцип сбалансированного развития.
Сегодня уже очевидно, что строительство гидростанций становится всё более сложным и дорогостоящим делом. А из-за ужесточения природоохранных требований к крупным объектам инфраструктуры и необходимости выполнения социальных задач, получить социально-политическое одобрение для создания крупно-масштабной инфраструктуры достаточно сложно. Более того хорошие створы (особенно это касается каскада р. Днепр уже освоены ). В контексте вышесказанного оптимизация общей выработки за счёт расширения и модернизации существующих энергетических установок, по-видимому является одним из лучших решений данной проблемы.
Настоящая статья посвящена способам повышения эффективности ГЭС путём изменения функционирования станций и агрегатов, а также за счёт усовершенствования режимов работы для удовлетворения меняющихся требований системы . Надо определить эффективность работы каждой турбины с целью получения конкретных эксплуатационных показателей агрегатов. Для каждого типа турбины рассматривается ряд различных переменных, позволяющих оптимизировать напор/расход и выдаваемую мощность. К увеличению КПД может привести даже изменение конструкции рабочего колеса на площадке. Анализ мероприятий в области гидрогенерации и оперативных процессов показывает, что оптимизация способна дать ежегодный прирост мощности в размере 0,2%. Следующим шагом должна стать замена существующих рабочих колёс новыми, более совершенными моделями. Должна быть разработана компьютерная программа моделирования ( модель расчёта гидравлической турбины ), которая позволит рассчитать различные варианты ТЭО. Должен быть рассмотрен широкий спектр вопросов – от замены рабочего колеса и связанного с этим оборудования до замены или перемотки генераторов, включая токопроводы и силовые трансформаторы. С точки зрения экспертов наиболее экономичным оказалось решение о модернизации отсасывающей трубы, что позволяет добавить почти 50% мощности станции. В соответствии с принципами устойчивого развития все проекты гидроэнергетики осуществляющиеся на территории Украины должны отвечать трём условиям:
▪ быть экологически приемлемыми;
▪ заслужить одобрение местных сообществ;
▪ являться экономически эффективными.
Ратификация Киотского протокола и предоставление кредитов экологически чистым и возобновляемым источникам генерации привели к пересмотру существующих вариантов энергообеспечения. В результате мы становимся свидетелями роста числа возобновляемых источников энергии и их эффективности, а также снижения объёма загрязняющих атмосферу выбросов от использования таких видов природного топлива как уголь, нефть и газ. По сравнению с альтернативными тепловыми станциями гидроэнергетика требует, с одной стороны, низкиз эксплуатационных затрат; а с другой – больших ( приблизительно на 100 – 200% в зависимости от площадки ) первоначальных расходов, обусловленных более высокой стоимостью строительства на единицу мощности и суммой выплачиваемых процентов в силу длительности строительства. Тем не менее, улучшая работу и повышая мощность существующих гидроузлов, можно получить дополнительную выработку, минуя финансовые барьеры.
Что касается гидроэнергетики, то всего 20% больших платин в мире заняты производством электроэнергии. Это позволяет добавить к существующим платинам мощность, вырабатываемую гидростанциями. Следовательно, оптимизация использования природных и человеческих ресурсов должна стать основным способом сбалансированного энергетического развития. Последнее определяется за счёт снижения энергопотребления за счёт энергосберегающих мероприятий. Растущая тенденция к выработке электроэнергии возобновляемыми источниками и проведение энергосберегающих мероприятий влияют на функционирование и модернизацию гидроэлектростанций. Гидроэнергетика является таким возобновляемым источником, который может постоянно функционировать в объединённой энергосистеме, благодаря гибкости работы водохранилища, аккумулирующего энергию воды.
Уже достаточно давно усовершенствование гидроузлов позволяет получить дополнительные выгоды. Даже небольшой прирост выработки и/или генерирующей маневренности могут оказаться значимыми. Для стабильного развития гидроэнергетики модернизация оборудования очень важна. Изучение методов эффективного освоения рек и водоразделов с помощью комплексных компьютерных программ позволяет оптимизировать положительные воздействия на окружающую среду и увеличивать производство энергии.
Гидроэнергетика – это проверенная и хорошо знакомая технология, используемая уже больше века. Гидроэлектростанции характеризуются минимальными эксплуатационными затратами и наибольшим жизненным циклом. Модернизация и реконструкция оборудования способствует увеличению срока его службы. При реализации различных стратегических решений реальный срок эксплуатации гидроэлектростанций может на целые десятилетия превзойти запланированный. Оптимизация выработки в течение срока службы сооружения помогает удовлетворить потребности энергетического рынка. Гидроэнергетика не загрязняет окружающуй среду, позволяя сохранить мир чистым для будущих поколений. Таким образом, развитие гидроэнергетики и реализация мероприятий по повышению КПД станций могут внести значительный вклад в сбалансированное развитие экономики Украины.