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.

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.