Практически каждый представляет себе предназначение гидроэлектростанций, однако лишь немногие достоверно понимают принцип работы ГЭС. Основная загадка для людей - каким образом вся эта огромная плотина без какого-либо топлива генерирует электрическую энергию. Об этом и поговорим.

Что такое ГЭС?

Гидроэлектростанция - это сложный комплекс, состоящий из разных сооружений и специального оборудования. Возводятся гидроэлектростанции на реках, где есть постоянный приток воды для наполнения плотины и водохранилища. Подобные сооружения (плотины), создаваемые при постройке гидроэлектростанции, необходимы для концентрации постоянного потока воды, который при помощи специального оборудования для ГЭС преобразовывается в электрическую энергию.

Отметим, что важную роль в плане эффективности работы ГЭС играет выбор места для строительства. Необходимо наличие двух условий: гарантированная неиссякаемая обеспеченность водой и высокий угол

Принцип работы ГЭС

Работа гидроэлектростанции достаточно проста. Возведенные гидротехнические сооружения обеспечивают стабильный напор воды, который поступает на лопасти турбины. Напор приводит турбину в движение, в результате чего она вращает генераторы. Последние и вырабатывают электроэнергию, которую затем по линиям высоковольтных передач доставляют потребителю.

Основная сложность подобного сооружения - обеспечение постоянного напора воды, что достигается путем возведения плотины. Благодаря ей большой объем воды концентрируется в одном месте. В некоторых случаях используют естественный ток воды, а иногда плотину и деривацию (естественное течение) применяют совместно.

В самом здании находится оборудование для ГЭС, основная задача которого заключается в преобразование механической энергии движения воды в электрическую. Эта задача возложена на генератор. Также используется и дополнительное оборудование для контроля работы станции, распределяющие устройства и трансформаторные станции.

Ниже на картинке показана принципиальная схема ГЭС.

Как видите, поток воды вращает турбину генератора, тот вырабатывает энергию, подает ее на трансформатор для преобразования, после чего она транспортируется по ЛЭП к поставщику.

Мощности

Есть разные гидроэлектростанции, которые можно поделить по вырабатываемой мощности:

1. Очень мощные - с выработкой более 25 МВт.
2. Средние - с выработкой до 25 МВт.
3. Малые - с выработкой до 5 МВт.

Технологии

Как мы уже знаем, принцип работы ГЭС основан на использовании механический энергии падающей воды, которая в дальнейшем с помощью турбины и генератора преобразуется в электрическую. Сами турбины могут быть установлены либо в дамбе, либо возле нее. В некоторых случаях применяют трубопровод, через который вода, находящаяся ниже уровня дамбы, проходит под высоким давлением.

Индикаторов мощности любой ГЭС несколько: расход воды и гидростатический напор. Последний показатель определяется разницей высот между начальной и конечной точкой свободного падения воды. При создании проекта станции на одном из этих показателей основывают всю конструкцию.

Известные сегодня технологии производства электричества позволяют получать высокий КПД при преобразовании механической энергии в электрическую. Иногда он в несколько раз превышает аналогичные показатели тепловых электростанций. Столь высокая эффективность достигается за счет применяемого на гидроэлектростанции оборудования. Оно надежное и относительно простое в использовании. К тому же за счет отсутствия топлива и выделения большого количества тепловой энергии срок службы подобного оборудования достаточно большой. Поломки здесь случаются крайне редко. Считается, что минимальный срок службы генераторных установок и вообще сооружений - около 50 лет. Хотя на самом деле даже сегодня вполне успешно функционируют гидроэлектростанции, которые были построены в тридцатых годах прошлого века.

Гидроэлектростанции России

На сегодняшний день на территории России действует около 100 гидроэлектростанций. Конечно, их мощность разная, и большая часть - это станции с установленной мощностью до 10 МВт. Есть также такие станции, как Пироговская или Акуловская, которые были введены в эксплуатацию еще в 1937 году, а их мощность составляет всего 0.28 МВт.

Самыми крупными являются Саяно-Шушенская и Красноярская ГЭС с мощностью 6400 и 6000 МВт соответственно. За ними следуют станции:

1. Братская (4500 МВт).
2. Усть-Илимская ГЭС (3840).
3. Бочуганская (2997 МВт).
4. Волжская (2660 МВт).
5. Жигулевская (2450 МВт).

Несмотря на огромное количество подобных станций, они вырабатывают всего 47700 МВт, что равно 20% от суммарного объема всей производимой энергии в России.

В заключение

Теперь вы понимаете принцип работы ГЭС, преобразовывающих механическую воды в электрическую. Несмотря на достаточно простую идею получения энергии, комплекс оборудования и новые технологии делают подобные сооружения сложными. Впрочем, по сравнению с они действительно являются примитивными.

ГЭС - это гидроэлектростанция, преобразующая энергию водного потока в электрическую. Поток воды, падая на лопасти, вращает турбины, которые, в свою очередь, приводят в движение генераторы, преобразующие механическую энергию в электрическую. Гидроэлектростанции сооружаются на руслах рек, при этом обычно строятся плотины и водохранилища.

Принцип работы

Основа работы ГЭС - это энергия падающей воды. Из-за разности уровней речная вода образует непрерывный поток от истока к устью. Плотина - неотъемлемая часть практически всех гидроэлектростанций, перекрывает движение воды в русле реки. Перед плотиной образуется водохранилище, создавая значительную разницу уровня воды до и после нее.

Верхний и нижний уровень воды называют бьефом, а разницу между ними - высотой падения или напором. Принцип работы достаточно прост. На нижнем бьефе устанавливается турбина, на лопасти которой направляется поток с верхнего бьефа. Падающий поток воды приводит в движение турбину, а она через механическую связь вращает ротор электрического генератора. Чем больше напор и количество воды, проходящее через турбины, тем выше мощность гидроэлектростанции. Коэффициент полезного действия составляет около 85%.

Особенности

Существует три фактора эффективного производства энергии на гидроэлектростанциях:

• Круглогодичная гарантированная водообеспеченность.
• Благоприятствующий рельеф. Наличие каньонов и перепадов способствуют гидростроительству.
• Больший уклон реки.

Эксплуатация гидроэлектростанция имеет несколько, в том числе сравнительных особенностей:

• Себестоимость производимой электроэнергии существенно меньше, чем на других видах электростанций.
• Возобновляемый источник энергии.
• В зависимости от количества энергии, которое должна производить ГЭС, ее генераторы можно быстро включать и выключать.
• По сравнению с другими видами электростанций ГЭС намного меньше влияет на воздушную среду.
• В основном ГЭС - это удаленные от потребителей объекты.
• Строительство гидроэлектростанций очень капиталоемкое.
• Водохранилища занимают большие территории.
• Строительство плотин и устройство водохранилищ перекрывает многим видам рыб пути к нерестилищам, что кардинально меняет характер рыбного хозяйства. Но при этом в самом водохранилище устраиваются рыбоводческие хозяйства, увеличиваются запасы рыбы.

Виды

Гидроэлектростанции разделяют по характеру возведенных сооружений:

• Приплотинные ГЭС - это самые распространенные в мире станции, в которых напор создается плотиной. Строятся на реках с преимущественно небольшим уклоном. Для создания большого напора под водохранилища затопляются значительные территории.
• Деривационные - станции, сооружаемые на горных реках с большим уклоном. Нужный напор создается в обходных (деривационных) каналах при сравнительно малом расходе воды. Часть потока реки через водозабор направляется в трубопровод, в котором создается напор, что приводит в движение турбину.
• Гидроаккумулирующие станции. Они помогают справиться энергосистеме с пиковыми нагрузками. Гидроагрегаты таких станций способны работать в насосном и генераторном режиме. Состоят из двух водохранилищ в разных уровнях, соединенных трубопроводом с гидроагрегатом внутри. При высоких нагрузках вода сбрасывается из верхнего водохранилища в более низкое, при этом происходит вращение турбины и вырабатывается электричество. При низком спросе вода перекачивается назад из низкого хранилища в более высокое.

Гидроэнергетика России

На сегодняшний день в России суммарно вырабатывается более 100 МВт электроэнергии на 102 гидроэлектростанциях. Общая мощность всех гидроагрегатов ГЭС России составляет порядка 45 млн кВт, что соответствует пятому месту в мире. Доля ГЭС в общем количестве вырабатываемой электроэнергии в России составляет 21 % - 165 млрд кВт*ч/год, что также соответствует 5 месту в мире. По количеству потенциальных гидроэнергоресурсов Россия стоит на втором месте после Китая с показателем 852 млрд кВт*ч, но при этом степень их освоения составляет лишь 20%, что существенно ниже, чем практически у всех стран мира, в том числе развивающихся. Для освоения гидропотенциала и развития российской энергетики в 2004 году была создана Федеральная программа по обеспечению надежной эксплуатации функционирующих гидроэлектростанций, завершение действующих строек, проектирование и возведение новых станций.

Список крупнейших ГЭС России

• Красноярская ГЭС — г. Дивногорск, на реке Енисей.
• Братская ГЭС — г. Братск, р. Ангара.
• Усть-Илимская — г. Усть-Илимск, р. Ангара.
• Саяно-Шушенская ГЭС — г. Саяногорск.
• Богучанская ГЭС — на реке. Ангара.
• Жигулёвская ГЭС — г. Жигулевск, р. Волга.
• Волжская ГЭС — г. Волжский, Волгоградская обл, река Волга.
• Чебоксарская — г. Новочебоксарск, река Волга.
• Бурейская ГЭС — пос. Талакан, река Бурея.
• Нижнекамская ГЭС — Челны, р. Кама.
• Воткинская — г. Чайковский, р. Кама.
• Чиркейская — река. Сулак.
• Загорская ГАЭС — река. Кунья.
• Зейская — г. Зея, р. Зея.
• Саратовская ГЭС — река. Волга.

Волжская ГЭС

В прошлом Сталинградская и Волгоградская ГЭС, а ныне «Волжская», расположенная в одноименном городе Волжский на реке Волга, средненапорная станция руслового типа. На сегодняшний день считается крупнейшей гидроэлектростанцией в Европе. Количество гидроагрегатов - 22, электрическая мощность - 2592,5 МВт, среднегодовое количество вырабатываемой электроэнергии 11,1 млрд кВт*ч. Пропускная способность гидроузла - 25000 м3/с. Большая часть вырабатываемой электроэнергии поставляется местным потребителям.

Возведение ГЭС стартовало в 1950 году. Пуск первого гидроагрегата был осуществлен в декабре 1958. В полном объеме Волжская гидроэлектростанция заработала в сентябре 1961 года. Ввод в эксплуатацию сыграл важнейшую роль в объединении значимых энергосистем Поволжья, Центра, Юга и энергоснабжения Нижнего Поволжья и Донбасса. Уже в 2000-х годах было произведено несколько модернизаций, что позволило увеличить общую мощность станции. Кроме производства электроэнергии Волжская ГЭС используется для орошения засушливых земельных массивов Заволжья. На сооружениях гидроузла устроены автодорожные и железнодорожные переходы через Волгу, обеспечивающие связь районов Поволжья между собой.

Гидроэлектростанции или ГЭС вырабатывают электричество, используя энергию падающей воды. ГЭС чаще всего появляются на крупнейших реках, которые для этого перегораживаются плотинами. Известно также, что самой густонаселённой страной мира является Китай, а бурно развивающаяся здесь экономика требует невероятного количества электроэнергии. Поэтому в этой стране сейчас и реализуются проекты огромных электростанций. На этом фоне не удивительно, что самая большая ГЭС в мире также находится в Китае. Рейтинг составлен по установленной мощности ГЭС (указана в скобках).

1. Три ущелья, Китай (22,5 ГВт)

Одна из самых полноводных и третья по длине река мира Янцзы стала местом, где была построена самая мощная в мире плотина «Три ущелья», которая и по количеству вырабатываемой энергии делит первое-второе места. Она является одним из самых грандиозных гидротехнических сооружений на планете. Находится она в провинции Хубей, в городском округе Ичан возле города Саньдоупин. Здесь построена одна из самых больших в мире гравитационных бетонных плотин.
Перед заполнением водохранилища потребовалось переселить 1,3 миллиона местных жителей - это самое массовое в истории переселение, связанное с подобными технологическими решениями. Эту ГЭС начали строить в 1992 году, а официально запустили её в эксплуатацию в июле 2012 года. Мощность ГЭС «Три ущелья» по проекту составила 22,5 ГВт, а проектный годовой уровень выработки ста миллиардов киловатт был практически достигнут в том же году. Перед плотиной ГЭС образовалось большое водохранилище, вмещающее 22 куб. км воды и имеющее площадь водного зеркала 1045 кв. км. К концу 2008 года в проект этой гидроэлектростанции было вложено около 26 миллиардов долларов, из них 10 пришлись на переселение людей, столько же на её строительство, а проценты с кредитов составили ещё 6 миллиардов.

С древних времён изощрённый ум человека старался придумать такое страшное наказание для преступника, проведённое обязательно публично, чтобы устрашить...

2. Итайпу, Парагвай/Бразилия (14 ГВт)

В 20 километрах от города Фос-ду-Игуасу, на бразильско-парагвайской границе на реке Парана построена плотина с гидроэлектростанцией «Итайпу». Своё название она унаследовала от острова в устье этой крупной реки, он и стал основой плотины. Именно эта электростанция в 2016 году стала первой в мире, сумевшей выдать свыше 100 миллиардов киловатт электричества, точнее - 103,1 млрд кВт*ч. Проектированием и подготовительными работами по её строительству занялись ещё в 1971 году, в 1991 году ввели в строй последние два генератора из 18 запланированных, а в 2007 году к ним добавились ещё 2 электрические машины, доведя мощность ГЭС до 14 ГВт.
В процессе строительства властям пришлось переселять примерно 10 тысяч семей, живших на берегах Параны, многие из них позднее стали членами движения безземельных крестьян. Первоначально эксперты оценили стоимость строительства ГЭС в 4,4 миллиарда долларов, но сменявшие один другого диктаторские режимы не отличались эффективной политикой, из-за чего реальная цифра расходов возросла до 15,3 млрд.

3. Силоду, Китай (13,86 ГВт)

В верховьях реки Янцзы есть приток Цзиньша, на котором была построена крупная гидроэлектростанция Силоду. Так назвали её по близлежащему посёлку Силоду - центру городского уезда Юншань провинции Юньнань. По руслу реки проходит административная граница с другой провинцией - Сычуань. После завершения строительства станция стала важнейшим элементом проекта регулируемого стока реки Цзиньша, который преследовал не только цели выработки электроэнергии, но и уменьшения количества ила, попадающего в Янцзы.
Силоду стала третьей по мощности гидроэлектростанцией мира. Максимальная вместимость её водохранилища равна почти 12,7 кубических километра.
В 2005 году строительство ГЭС временно было приостановлено для более детального изучения его последствий на экологию данной местности, но позднее было возобновлено. Русло Цзиньша было перекрыто в 2009 году, первую турбину на 770 МВт ввели в эксплуатацию в июле 2013 года, а в апреле 2014 году заработала уже 14-я турбина. В августе того же года были запущены и последние агрегаты ГЭС.

В последние десятилетия система образования у нас претерпевает значительные метаморфозы, да и в мире возникают новые формы школ, пропагандирующих иные...

4. Гури, Венесуэла (10,235 ГВт)

В венесуэльском штате Боливар на реке Карони за 100 км от её впадения в Ориноко построена крупная ГЭС Гури. Официально она носит имя Симона Боливара, хотя в период с 1978 по 2000 год называлась именем Рауля Леони. Эту ГЭС начали строить в 1963 году, в 1978 году была завершена её первая очередь, а в 1986 году - вторая.
Одна эта станция на 65% покрывает расходы в электричестве всей Венесуэлы, а вместе с другими крупными ГЭС (Макагуа и Каруачи) она даёт 82% электричества. Эта электроэнергия имеет полностью возобновляемый источник, что важно для этой страны с низкой энергообеспеченностью хозяйства. Мало того, часть энергии Венесуэла продаёт в Бразилию и Колумбию. В 2013 году недалеко от ГЭС произошёл сильный пожар, оставивший на непродолжительное время почти всю страну без электроснабжения, поскольку были повреждены три высоковольтные ЛЭП, распределяющие энергию по разным штатам страны.

5. Тукуруи, Бразилия (8,37 ГВт)

Эта гидроэлектростанция была построена на реке Токантинс в одноимённом бразильском штате. Своё название ГЭС унаследовала от находящегося поблизости городка Тукуруи. Но сейчас город с аналогичным названием появился ниже плотины по течению реки. На плотине установлено 24 электрогенератора. Объём воды в водохранилище почти достигает 46 куб. км, а площадь поверхности воды составляет 2430 кв. км. На международном конкурсе, объявленном по случаю разработки и реализации проекта ГЭС, победу одержал образованный в 1970 году консорциум из двух бразильских фирм. Сами же работы были начаты в 1976 году и в 1984 году были полностью завершены. Плотина имеет высоту 76 метров. У местного водосброса наибольшая в мире пропускная способность, составляющая 120 000 куб. м/с.

6. ГЭС Белу-Монти, Бразилия (7,57 ГВт)

На реке Шингу близ города Алтамира в Бразилии идет масштабное строительство комплекса ГЭС. У моменту завершения работ, запланированному на 2020 год ГЭС должна выйти на установленную мощность 11,2 ГВт. Но и в настоящее время с запущенными 12 гидроагрегатами из 20 и вспомогательной ГЭС Пиментал мощность комплекса составила 7566,3 МВт.

7. Гранд-Кули, США (6,809 ГВт)

На данный момент это самая крупная в Северной Америке ГЭС, расположенная на реке Колумбия. Она была построена в 1942 году. Объём её водохранилища составляет 11,9 км3. Плотина была построена не только для выработки электричества, но и для возможности орошения пустынных земель северо-западного побережья (примерно 2000 кв. км сельхозугодий). В тело этой гравитационной плотины высотой 168 метров и длиной 1592 метра было уложено почти 9,2 миллиона кубометров бетона. Водосливная часть плотины имеет ширину 503 метра. Здесь имеется 4 машинных зала, в которых смонтированы 33 турбины, ежегодно вырабатывающие 20 ТВтч электроэнергии.

8. Сянцзяба, Китай (6,448 ГВт)

Ещё одна мощная ГЭС была построена всё на том же притоке Янцзы - реке Цзиньшу. Она расположена в провинции Юннань, городском уезде Юншань. ГЭС является частью постепенно возводимого целого каскада плотин на реке Янцзы и её притоках. Она также призвана не только вырабатывать электричество, но и уменьшить поступление ила в Янцзы. В её гидроузле предусмотрен лифтовый вертикальный судоподъёмник, в то время как в расположенной выше по течению ГЭС Силоду такого судоподъёмника не имеет. В результате выше по течению Цзиньша последним судоходным участком стало именно водохранилище Сянцзяба.

9. Лунтань, Китай (6,426 ГВт)

Футбольные стадионы давно перестали быть просто местами, где проводятся матчи по этому виду спорта. Эти архитектурные колоссы стали олицетворять стран...

Эта крупная китайская гидроэлектростанция появилась на реке Хуншуйхэ, являющейся притоком реки Чжуцзян. Высота её плотины достигает 216,5 метра. В мае 2007 года был испытан первый из трёх запланированных энергоблоков. Когда строительство было завершено в 2009 году, в строй вступили 9 генераторов, которые по плану должны вырабатывать 18,7 млрд кВтч.

10. Саяно-Шушенская, Россия (6,4 ГВт)

До сих пор эта гидроэлектростанция является крупнейшей в России по установленной мощности. Она стоит на Енисее, разделяя Красноярский край и Хакассию, рядом находятся посёлок Черёмушки и Саяногорск. Саяно-Шушенская ГЭС является верхней ступенью каскада ГЭС, построенных на Енисее. Её арочно-гравитационная плотина, имеющая высоту 242 метра, является самой высокой в России, да и в мире не так много подобных плотин. Своё название она получила от расположенных рядом Саянских гор и села Шушенского, в котором когда-то отдыхал в ссылке В. Ленин.
Начали строительство этой гидроэлектростанции в 1963 году, а официально оно было завершено только в 2000 году. Во время возведения и самой эксплуатации электростанции проявлялись разные недостатки, например, разрушение водосбросных сооружений, образование в плотине трещин, которые постепенно были решены.
Но в 2009 году на Саяно-Шушенской ГЭС случилась самая серьёзная в отечественной гидроэнергетике авария, в результате которой станция временно оказалась выведенной из строя, при этом погибли 75 человек. Лишь в ноябре 2014 года электростанцию смогли восстановить.

По состоянию на 2010 год в России существует 14 гидроэлектростанций мощностью более 1000 мегаватт и более сотни крупных гидроэлектростанций.

Гидроэлектростанции России мощностью свыше 1000 мВт

Крупнейшие гэс в мире

Коротко опишем крупнейшие гидроэлектростанции России.

Крупнейшие гидроэлектростанции России находятся в составе Ангаро-Енисейского каскада ГЭС, построенного на сибирской реке Енисее и его притоке – Ангаре. В этот каскад входят следующие ГЭС:

на Енисее – крупнейшая в России Саяно-Шушенская ГЭС и вторая по величине в России Красноярская ГЭС, а также Майнская ГЭС;

на Ангаре – Братская и Усть-Илимская ГЭС, входящие в первую пятерку ГЭС России, а также Иркутская ГЭС.

Помимо этого на Ангаре строится Богучанская ГЭС. Она располагается в 367 км ниже по течению от существующей Усть-Илимской ГЭСи в 444 км от устья реки.

Саяно-Шушенская гэс

Саяно-Шушенская гидроэлектростанция имени П. С. Непорожнего – крупнейшая по установленной мощности электростанция России, шестая среди ныне действующих гидроэлектростанций в мире. Расположена на реке Енисей, на границе между Красноярским краем и Хакасией, у посёлка Черёмушки, возле Саяногорска. Строительство Саяно-Шушенской ГЭС, начатое в 1963 году, было официально завершено только в 2000 году.

В 1956-1960 годах «Ленгидроэнергопроектом» была разработана схема гидроэнергетического использования верхнего Енисея, в ходе работы над которой была установлена целесообразность использования падения реки в районе Саянского коридора одной мощной ГЭС, что позволяло создать водохранилище с ёмкостью, достаточной для сезонного регулирования.

В 1962-1965 годах Ленинградский проектный институт «Ленгидропроект» разработал проектное задание для Саяно-Шушенской ГЭС. В ходе проектирования рассматривались варианты компоновки будущего гидроузла с каменно-набросной, бетонной гравитационной, арочной и арочно-гравитационной плотиной.

Из всех возможных вариантов наиболее предпочтительным оказался вариант с арочно-гравитационной плотиной. Например, вариант с каменно-набросной плотиной, потенциально несколько более дешёвый, был отвергнут по причине необходимости строительства крупных тоннельных водосбросов, требовавших сооружения сложных в эксплуатации двухъярусных водоприёмников и создававших тяжёлый гидравлический режим реки в нижнем бьефе.

Проектное задание Саяно-Шушенской ГЭС было утверждено Советом Министров СССР в 1965 году и предусматривало сооружение ГЭС с 12 гидроагрегатами мощностью по 530 МВт с подводом воды по типу использованного на Красноярской ГЭС, расположенными в здании ГЭС, по центру арочно-гравитационной плотины, и двумя поверхностными водосбросами без водобойных колодцев слева и справа от здания ГЭС, предусматривавших гашение энергии потока воды в яме размыва в нижнем бьефе.

В ходе работы над техническим проектом конструктивная схема отдельных элементов гидроузла, зафиксированная в проектном задании, подверглась изменению. В 1968 году по предложению Министерства энергетики СССР и заводов-производителей оборудования было решено увеличить единичную мощность гидроагрегатов до 640 МВт, что позволило уменьшить их количество до 10; кроме того, было принято решение об использовании однониточных трубопроводов и одноподводных спиральных камер, в результате чего удалось существенно уменьшить длину здания ГЭС. Также в связи со значительными прогнозируемыми размерами воронки размыва и возможным развитием ряда неблагоприятных процессов в нижнем бьефе было принято решение об отказе от предусмотренной проектным заданием схемы водосбросных сооружений с гашением потока в воронке размыва в пользу водосброса с водобойным колодцем, расположенного в правой части гидроузла.

11 января 1971 года технический проект Саяно-Шушенской ГЭС был утверждён коллегией Минэнерго СССР.

Подготовительный этап строительства Саяно-Шушенской ГЭС начался в 1963 году со строительства дорог, жилья для строителей и других объектов инфраструктуры. Согласно проектному заданию, строительство ГЭС предполагалось осуществить в 1963-1972 годах.

Непосредственные работы по сооружению собственно ГЭС были начаты 12 сентября 1968 года с отсыпки перемычек котлована первой очереди.

После осушения котлована 17 октября1970 годав основные сооружения станции был уложен первый кубометрбетона. К моменту перекрытия Енисея, осуществлённого11 октября1975 года, были построены основание водосбросной части плотины с донными водосбросами первого яруса, значительная часть водобойного колодца и рисберма. После перекрытия реки были развёрнуты работы по сооружению левобережной части плотины со зданием ГЭС. Вплоть до1979 годасток реки пропускался через 9 донных водосбросов, а также поверх строящейся водосбросной части плотины через так называемую «гребёнку», образованную наращиванием нечётных секций плотины по отношению к чётным.

Первый гидроагрегат Саяно-Шушенской ГЭС (со сменным рабочим колесом) был поставлен под промышленную нагрузку 18 декабря1978 года.

Отставание в темпах строительства ГЭС, в частности, в темпах укладки бетона, привело к чрезвычайному происшествию во время пропуска половодья 1979 года. Предполагалось использовать только водосбросы второго яруса (донные водосбросы первого яруса подлежали заделке). Однако из-за больших объемов паводковых вод возникла необходимость использования также и открытых водосливов, образованных за счёт штраблениянечётных секций водосбросной части плотины. Тем не менее, к началу половодья 1979 года водосбросной участок плотины не был подготовлен к пропуску воды и в этом варианте – в необходимые для безопасного пропуска половодья сооружения не было уложено более 100 000 м³ бетона. В результате23 мая1979 года при пропуске половодья произошёл перелив воды через раздельную стенку и затопление котлована ГЭС с введённым уже в строй гидроагрегатом № 1. Перед затоплением гидроагрегат был остановлен и частично демонтирован, что позволило после откачки воды восстановить его работоспособность. Но все же понадобилось время для восстановления гидроагрегата – откачка воды из здания ГЭС, осушка, ремонтно-восстановительные работы. В ходе восстановительных работ был сооружён бетонный барьер вокруг гидрогенератора, произведена герметизация ограждающих конструкций. Повторно гидроагрегат № 1 был включен в сеть20 сентября1979 года.

Ввод гидроагрегата № 2 (также со сменным рабочим колесом) был произведён 5 ноября1979 года, гидроагрегата № 3 со штатным рабочим колесом –21 декабря1979 года.

К этому времени начали возникать проблемы со строительными конструкциями плотины ГЭС. При заполнении водохранилища возникли трещины в бетоне плотины. Имели место значительные по объёму кавитационныеразрушения в водосбросах второго яруса и попусковом водосбросе первого яруса. Это было связано как с недостаточно продуманными проектными решениями, так и с отступлениями от проекта при строительстве и эксплуатации водосбросов. В частности, согласно проекту временные водосбросы второго яруса планировалось использовать в течение 2-3 лет, однако из-за затягивания строительства фактически они использовались 6 лет.

В 1980 году были пущены гидроагрегаты № 4 и № 5 (29 октябряи21 декабря),6 ноября1981 года– гидроагрегат № 6. Оставшиеся гидроагрегаты были пущены в1984 году(№ 7 –15 сентябряи № 8 –11 октября) и в1985 году(№ 9 –21 декабря, № 10 –25 декабря). К началу половодья 1985 года были заделаны водосбросы второго яруса и введена в работу часть эксплуатационных водосбросов. В1987 годувременные рабочие колёса гидроагрегатов № 1 и № 2 были заменены на постоянные. К1988 годустроительство ГЭС было в основном завершено, в1990 годуводохранилище было впервые заполнено до отметки НПУ. В постоянную эксплуатацию Саяно-Шушенская ГЭС была принята13 декабря2000 года.

И в процессе строительства Саяно-Шушенской ГЭС, и в процессе ее эксплуатации возникали проблемы, как со строительной (бетонной) частью станции, так и с оборудованием гидроагрегатов.

Проблемы с водобойными колодцами.

Первые, небольшие и относительно легко устранённые повреждения водобойного колодца Саяно-Шушенской ГЭС были зафиксированы в 1980-1981 годах. Разрушения были вызваны попаданием в водобойный колодец горной породы, кусков бетона и строительного мусора, нарушениями в технологии строительства, непроектными режимами работы водосбросов.

Более серьезные проблемы возникли при пропускании через водосбросы паводковых вод в штатном режиме. Конструкция и качество строительства водобойных колодцев оказались не способными работать в штатном режиме.

Так в 1985 году перед пропуском половодья водобойный колодец был осушен, обследован и очищен, значительных повреждений в нём обнаружено не было. После пропуска половодья, в ноябре 1988 года при осмотре водобойного колодца было выявлено наличие в нём значительных разрушений. На площади около 70 % поверхности дна колодца плиты крепления были полностью разрушены и выброшены потоком за водобойную стенку. На площади, составляющей порядка 25 % от общей площади дна колодца, были разрушены все плиты крепления, бетонная подготовка и скала на глубину от 1 до 6 м ниже основания плит.

Причины разрушения изучались различными комиссиями, объединяя выводы которых, можно отметить следующее.

Плиты, покрывавшие дно водобоя, были плохо закреплены. Между ними оставались незагерметизированные трещины, в которые проникала вода. При починке кавитационных повреждений водобойного колодца в 1981 году бетонная пломба была выполнена из некачественного бетона, места ее сопряжения с плитами крепления не были загерметизированы. Кроме того, при открытии затворов водосброса были использованы непроектные схемы сосредоточенного сброса воды в водобойный колодец.

При ремонте водобойного колодца вместо плит толщиной 2,5 м были уложены блоки толщиной 4 – 8 м. Устойчивость блоков обеспечивалась за счёт их веса, цементации основания и использования анкеров. При этом разборка старого крепления и подготовка основания для нового проводилась с широким использованием буровзрывных работ.

В 1987 годуэксплуатационные водосбросы не использовались. В1988 годудля пропуска летнего паводка с15 июляпо19 августаоткрывалось до пяти эксплуатационных водосбросов, максимальный расход достигал 5450 м³/с. После осушения колодца в сентябре 1988 года были обнаружены значительные разрушения его днища в центральной части. Общая площадь повреждений составила 2250 м², что соответствует примерно 14 % общей площади дна колодца. В зоне наибольших разрушений площадью 890 м² бетонное крепление было разрушено полностью, до скального грунта, с образованием в последнем воронки размыва. Бетонные блоки крепления весом до 700 тонн каждый были либо разрушены, либо отброшены потоком к водобойной стенке.

Причиной разрушения водобойного колодца являлось образование трещин в блоках первой очереди реконструкции в ходе подготовки основания под блоки второй очереди с применением широкомасштабных буровзрывных работ. Проникновение воды под давлением в трещины через открытые швы между блоками привело к разрушению повреждённых блоков первой очереди, что в свою очередь привело к отрыву от основания неповреждённых блоков второй очереди, часть из которых (толщиной 6 м и более) к тому же не была закреплена анкерами. Усугубило ситуацию включение водосбросов 43 и 44 секций с полным открытием затворов 1 августа1988 года, что привело к концентрации сбросов на «потревоженной», но ещё находившейся на месте части крепления, после чего в короткие сроки произошло разрушение крепления.

Разрушения в водобойном колодце после паводка 1988 года устранялись путём установки блоков, аналогичных блокам первой и второй очереди, но с герметизацией швов металлическими шпонкамии обязательной установкой анкеров. Кроме того, во всех сохранившихся блоках крепления второй очереди толщиной 6 метров и более также устанавливались анкера из расчёта один анкер на 4 м² площади. Была проведена цементация швов блоков всех трёх очередей. Взрывные работы при подготовке основания для установки блоков были исключены. Работы по реконструкции водобойного колодца были завершены к 1991 году, всего было уложено 10 630 м³ бетона, установлено 221 т пассивных анкеров и сеток и 46,7 т (300 шт.) предварительно-напряжённых анкеров. После завершения реконструкции, в ходе дальнейшей эксплуатации значительных разрушений в водобойном колодце не наблюдалось.

После выявления повторных разрушений в водобойном колодце в 1988 году было предложено, с целью снижения нагрузок на водобойный колодец, рассмотреть возможность сооружения дополнительного водосброса тоннельного типа пропускной способностью 4000-5000 м³/с.

Строительство берегового водосброса было начато 18 марта 2005 года. Строительные работы по сооружению первой очереди берегового водосброса, включающей входной оголовок, правый безнапорный туннель, пятиступенчатый перепад и отводящий канал, были завершены к 1 июня2010 года. Гидравлические испытания первой очереди были проведены в течение трёх дней, начиная с28 сентября2010 года. Завершение строительства берегового водосброса намечено на2011 год.

Повышенный уровень фильтрации через напорный фронт.

После наполнения водохранилища до отметки НПУ в 1990 году резко увеличился фильтрационный расход через тело плотины и зону контакта плотины и основания. Проект допускал уровень фильтрации в основании в пределах 100 – 150 л/с, а в теле плотины фильтрация вообще должна была быть незначительной. Тем не менее, в 1995 году была зафиксирована фильтрация в количестве 549 л/с в основании и 457 л/с в теле плотины. Причиной увеличения фильтрации явилось образование трещин в плотине, трещинообразование в месте контакта бетона плотины и её основания, а также разуплотнение пород основания. В качестве причин данного явления называются несовершенство использованных при проектировании расчётных методик и отступления от проекта при строительстве плотины (интенсификация строительства первого столба плотины при отставании в бетонировании других столбов).

В 1991-1994 годах предпринимались попытки заделки трещин в плотине и основании с помощью цементации, которые не привели к успеху – цементирующий состав вымывался из трещин. В 1993 годубыло принято решение воспользоваться услугамифранцузскойфирмы «Solétanche Bachy» («Солетанш Баши»), имевшей опыт ремонтных работ на гидротехнических сооружениях с использованиемэпоксидных смол. Работы по инъецированию трещин в бетоне плотины с помощью эпоксидного состава «Родур-624» были проведены в 1996-1997 годах и показали хороший результат – фильтрация была подавлена до 5 л/с и менее. Опираясь на этот опыт, в1998-2002 годахуже с помощью отечественного состава КДС-173 (компаунд эпоксидной смолы и модифицированногокаучука) были проведены работы по инъецированию трещин в основании плотины, также с положительным результатом – фильтрация снизилась в несколько раз, упав до значений меньших, чем предусмотрено проектом. Всего на ремонтные работы в плотине и основании было затрачено 334 тонны эпоксидных составов.

С 1997 года, после завершения заделки трещин в плотине, с целью недопущения их раскрытия было принято решение снизить отметку нормального подпорного уровня на 1 метр (с 540 до 539 м), а отметку форсированного подпорного уровня – на 4,5 м (с 544,5 м до 540 м). В 2006 году при прохождении сильного летнего дождевого паводка холостые сбросы через эксплуатационный водосброс достигали 5270 м³/с, существенных повреждений в водобойном колодце после его осушения обнаружено не было. Значительные объёмы сбросов через эксплуатационный водосброс (до 4906 м³/с) имели место и в 2010 году, при пропуске многоводного паводка обеспеченностью 3-5 %. После аварии в августе 2009 года эксплуатационный водосброс работал в течение более чем 13 месяцев, с 17 августа2009 года по29 сентября2010 года, пропустив 55,6 км³ воды без каких-либо повреждений.

В настоящее время действующая Саяно-Шушенская ГЭС имеет следующие характеристики.

Высота плотины составляет 245 м, ширина основания 110 м, а длина по гребню 1066 м.

Состав сооружений ГЭС:

бетонная арочно-гравитационная плотина высотой 245 м, длиной 1066 м, шириной в основании – 110 м, шириной по гребню 25 м. Плотина включает левобережную глухую часть длиной 246,1 м, станционную часть длиной 331,8 м, водосливную часть длиной 189,6 м и правобережную глухую часть длиной 298,5 м;

приплотинное здание ГЭС;

береговой водосброс.

Мощность ГЭС – 6400 МВт, среднегодовая выработка 23,5 млрд. кВт·ч. В 2006 году из-за крупного летнего паводка электростанция выработала 26,8 млрд. кВт·ч электроэнергии.

В здании ГЭС размещено 10 радиально-осевых гидроагрегатов мощностью по 640 МВт, работающих при расчетном напоре 194 м. Максимальный статический напор на плотину – 220 м.

Ниже Саяно-Шушенской ГЭС расположен её контррегулятор - Майнская ГЭС мощностью 321 МВт, организационно входящая в состав Саяно-Шушенской ГЭС.

Плотина ГЭС образует крупное Саяно-Шушенское водохранилище полным объёмом 31,34 куб. км (полезный объём – 15,34 куб. км) и площадью 621 кв. км.

Перекрытие Енисея

Перекрытие Енисея

Рабочие колеса турбин на баржах доставляют к месту

строительства станции

Саяно-Шушенская ГЭС – ночная иллюминация

Саяно-Шушенская ГЭС – вид на плотину

На первый взгляд, гидроэлектростанция штука довольно простая - льётся вода, крутится генератор, вырабатывается электричество. На самом деле современная ГЭС - система с очень сложным оборудованием и тысячами датчиков, управляемая компьютерами.

Сегодня я расскажу о том, что мало кто из обычных людей знает о ГЭС.

Сейчас я нахожусь на стройплощадке Усть-Среднеканской ГЭС, которая расположена в 400 километрах от Магадана. Подробно о ГЭС и строительстве я ещё расскажу, а сегодня несколько любопытных фактов.

1. ГЭС - возможно единственный крупный инженерный объект, который начинает эксплуатироваться задолго до окончания строительства. На Усть-Среднеканской ГЭС ещё не до конца возведена плотина, не до конца построен машинный зал, а первые два гидроагрегата из четырёх уже вырабатывают электричество.

2. Пока ГЭС строится, в её гидроагрегатах работают временные рабочие колёса, рассчитанные на малый напор воды. Когда плотина будет достроена, напор воды повысится и временные колёса заменят постоянными для высокого напора с другой формой лопастей.

3. Несмотря на то, что строительство ГЭС очень дорогое удовольствие, многие ГЭС окупаются ещё до того, как их достраивают до конца. Кстати, Усть-Среднеканская ГЭС продаёт электричество по 1.10 руб за кВтч.

4. Перед тем, как попасть на турбину ГЭС, вода закручивается с помощью огромной стальной улитки - спиральной камеры. Сейчас на Усть-Среднеканской ГЭС как раз заканчивается монтаж спиральной камеры третьего энергоагрегата и мне удалось увидеть и сфотографировать её. Когда энергоагрегат будет достроен, гигантская улитка окажется в толще бетона.

Чтобы осознать размеры конструкции, обратите внимание на рабочих, занимающихся монтажом спиральной камеры.

5. Рабочее колесо гидроагрегата всегда крутится с одинаковой скоростью, обеспечивая стабильную частоту 50 герц. Для меня всегда было загадкой, как поддерживается стабильная скорость вращения. Оказалось, просто с помощью изменения потока воды. Лопатки, управляемые компьютером, постоянно находятся в движении, уменьшая и увеличивая поток воды. Задача системы добиться точной скорости вращения независимо от усилия, с которым крутится вал генератора (а оно зависит от вырабатываемой мощности).

6. Напряжение, выдаваемое генератором, регулируется с помощью изменения напряжения возбуждения. Это постоянное напряжение, которое подаётся на электромагнит ротора. При этом напряжение, которое генерируется обмоткой статора зависит от силы магнитного поля. На фото у меня над головой вращается многотонный ротор.

7. Генератор ГЭС вырабатывает напряжение 15.75 кВ. На Усть-Среднеканской ГЭС установлены генераторы, имеющие номинальную мощность 142.5 МВт (142500000 Вт) и ток в проводах, отводящих выработанное электричество от генератора, может достигать 6150 А. Поэтому эти провода, а точнее шины, имеют огромное сечение и заключены вот в такие трубы.

Любая коммутация при таких токах превращается в большую проблему. Вот так выглядит простой выключатель. Конечно, на токе в шесть тысяч ампер и напряжении пятнадцать тысяч вольт он становится совсем непростым.

8. Повышающие трансформаторы обычно стоят на улице за машинным залом ГЭС (для передачи потребителям напряжение, полученное с генераторов, повышается чаще всего до 220 кВ).

9. По проводам линий электропередач передаётся не только электроэнергия на частоте 50 Гц, но и информационные сигналы на высокой частоте. С помощью них, например, можно с высокой точностью определить место аварии на ЛЭП. На электростанциях и подстанциях ставятся специальные фильтры высокочастотного сигнала. Наверняка, вы такие штуки видели, но вряд ли знали, для чего они.

10. Вся коммутация на высоких напряжениях происходит в среде элегаза (фторид серы, имеющий очень низкую электропроводность), поэтому провода выглядят, как трубы и электрика больше напоминает сантехнику. :)

p.s. Спасибо сотрудникам Усть-Среднеканской ГЭС Илье Горбунову и Вячеславу Сладкевичу (он на фото) за подробные ответы на мои многочисленные вопросы, а так же компании Русгидро за возможность своими глазами посмотреть на строительство и работу такого грандиозного сооружения.

2016, Алексей Надёжин

Основная тема моего блога - техника в жизни человека. Я пишу обзоры, делюсь опытом, рассказываю о всяких интересных штуках. А ещё я делаю репортажи из интересных мест и рассказываю об интересных событиях.
Добавьте меня в друзья