станция , гидроэлектростанция (ГЭС), комплекс сооружений и оборудования, посредством которых энергия потока воды преобразуется в электрическую энергию. ГЭС состоит из последовательной цепи гидротехнических сооружений , обеспечивающих необходимую концентрацию потока воды и создание напора, и энергетического оборудования, преобразующего энергию движущейся под напором воды в механическую энергию вращения (см. Гидротурбина ), которая, в свою очередь, преобразуется в электрическую энергию (см. Гидрогенератор ).
Напор ГЭС создаётся концентрацией падения реки на используемом участке ( аб ) плотиной ( рис. 1 ), либо деривацией ( рис. 2 ), либо плотиной и деривацией совместно ( рис. 3 ). Основное энергетическое оборудование ГЭС размещается в здании ГЭС: в машинном зале электростанции - гидроагрегаты , вспомогательное оборудование, устройства автоматического управления и контроля; в центральном посту управления - пульт оператора-диспетчера или автооператор гидроэлектростанции . Повышающая трансформаторная подстанция размещается как внутри здания ГЭС, так и в отдельных зданиях или на открытых площадках. Распределительные устройства зачастую располагаются на открытой площадке. Здание ГЭС может быть разделено на секции с одним или несколькими агрегатами и вспомогательным оборудованием, отделённые от смежных частей здания. При здании ГЭС или внутри него создаётся монтажная площадка для сборки и ремонта различного оборудования и для вспомогательных операций по обслуживанию ГЭС.
По установленной мощности (в Мвт ) различают ГЭС мощные (свыше 250), средние (до 25) и малые (до 5). Мощность ГЭС зависит от напора Нб (разности уровней верхнего и нижнего бьефа ), расхода воды Q ( м3/сек ), используемого в гидротурбинах, и кпд гидроагрегата hг . По ряду причин (вследствие, например, сезонных изменений уровня воды в водоёмах, непостоянства нагрузки энергосистемы, ремонта гидроагрегатов или гидротехнических сооружений и т.п.) напор и расход воды непрерывно меняются, а кроме того, меняется расход при регулировании мощности ГЭС. Различают годичный, недельный и суточный циклы режима работы ГЭС.
По максимально используемому напору ГЭС делятся на высоконапорные (более 60 м ), средненапорные (от 25 до 60 м ) и низконапорные (от 3 до 25 м ). На равнинных реках напоры редко превышают 100 м , в горных условиях посредством плотины можно создавать напоры до 300 м и более, а с помощью деривации - до 1500 м . Классификация по напору приблизительно соответствует типам применяемого энергетического оборудования: на высоконапорных ГЭС применяют ковшовые и радиально-осевые турбины с металлическими спиральными камерами; на средненапорных - поворотнолопастные и радиально-осевые турбины с железобетонными и металлическими спиральными камерами, на низконапорных - поворотнолопастные турбины в железобетонных спиральных камерах, иногда горизонтальные турбины в капсулах или в открытых камерах. Подразделение ГЭС по используемому напору имеет приблизительный, условный характер.
По схеме использования водных ресурсов и концентрации напоров ГЭС обычно подразделяют на русловые, приплотинные, деривационные с напорной и безнапорной деривацией, смешанные, гидроаккумулирующие и приливные. В русловых и приплотинных ГЭС напор воды создаётся плотиной, перегораживающей реку и поднимающей уровень воды в верхнем бьефе. При этом неизбежно некоторое затопление долины реки. В случае сооружения двух плотин на том же участке реки площадь затопления уменьшается. На равнинных реках наибольшая экономически допустимая площадь затопления ограничивает высоту плотины. Русловые и приплотинные ГЭС строят и на равнинных многоводных реках и на горных реках, в узких сжатых долинах.
В состав сооружений русловой ГЭС, кроме плотины, входят здание ГЭС и водосбросные сооружения ( рис. 4 ). Состав гидротехнических сооружений зависит от высоты напора и установленной мощности. У русловой ГЭС здание с размещенными в нём гидроагрегатами служит продолжением плотины и вместе с ней создаёт напорный фронт. При этом с одной стороны к зданию ГЭС примыкает верхний бьеф, а с другой - нижний бьеф. Подводящие спиральные камеры гидротурбин своими входными сечениями закладываются под уровнем верхнего бьефа, выходные же сечения отсасывающих труб погружены под уровнем нижнего бьефа.
В соответствии с назначением гидроузла в его состав могут входить судоходные шлюзы или судоподъёмник , рыбопропускные сооружения , водозаборные сооружения для ирригации и водоснабжения. В русловых ГЭС иногда единственным сооружением, пропускающим воду, является здание ГЭС. В этих случаях полезно используемая вода последовательно проходит входное сечение с мусорозадерживающими решётками, спиральную камеру, гидротурбину, отсасывающую трубу, а по специальным водоводам между соседними турбинными камерами производится сброс паводковых расходов реки. Для русловых ГЭС характерны напоры до 30-40 м ; к простейшим русловым ГЭС относятся также ранее строившиеся сельские ГЭС небольшой мощности. На крупных равнинных реках основное русло перекрывается земляной плотиной, к которой примыкает бетонная водосливная плотина и сооружается здание ГЭС. Такая компоновка типична для многих отечественных ГЭС на больших равнинных реках. Волжская ГЭС им. 22-го съезда КПСС - наиболее крупная среди станций руслового типа.
При более высоких напорах оказывается нецелесообразным передавать на здание ГЭС гидростатическое давление воды. В этом случае применяется тип приплотинной ГЭС, у которой напорный фронт на всём протяжении перекрывается плотиной, а здание ГЭС располагается за плотиной, примыкает к нижнему бьефу ( рис. 5 ). В состав гидравлической трассы между верхним и нижним бьефом ГЭС такого типа входят глубинный водоприёмник с мусорозадерживающей решёткой, турбинный водовод, спиральная камера, гидротурбина, отсасывающая труба. В качестве дополнительных сооружений в состав узла могут входить судоходные сооружения и рыбоходы, а также дополнительный водосброс. Примером подобного типа станций на многоводной реке служит Братская ГЭС на р. Ангара.
Другой вид компоновки приплотинных ГЭС, соответствующий горным условиям, при сравнительно малых расходах реки, характерен для Нурекской ГЭС на р. Вахш (Средняя Азия), проектной мощностью 2700 Мвт . Здание ГЭС открытого типа располагается ниже плотины, вода подводится к турбинам по одному или нескольким напорным туннелям (см. рис. 2 в ст. Гидроузел ). Иногда здание ГЭС размещают ближе к верхнему бьефу в подземной (подземная ГЭС) выемке. Такая компоновка целесообразна при наличии скальных оснований, особенно при земляных или набросных плотинах, имеющих значительную ширину. Сброс паводковых расходов производится через водосбросные туннели или через открытые береговые водосбросы.
В деривационных ГЭС концентрация падения реки создаётся посредством деривации; вода в начале используемого участка реки отводится из речного русла водоводом, с уклоном, значительно меньшим, чем средний уклон реки на этом участке и со спрямлением изгибов и поворотов русла. Конец деривации подводят к месту расположения здания ГЭС. Отработанная вода либо возвращается в реку, либо подводится к следующей деривационной ГЭС. Деривация выгодна тогда, когда уклон реки велик. Деривационная схема концентрации напора в чистом виде (бесплотинный водозабор или с низкой водозаборной плотиной) на практике приводит к тому, что из реки забирается лишь небольшая часть её стока. В др. случаях в начале деривации на реке сооружается более высокая плотина и создаётся водохранилище: такая схема концентрации падения называется смешанной, т.к. используются оба принципа создания напора. Иногда, в зависимости от местных условий, здание ГЭС выгоднее располагать на некотором расстоянии от конца используемого участка реки вверх по течению; деривация разделяется по отношению к зданию ГЭС на подводящую и отводящую. В ряде случаев с помощью деривации производится переброска стока реки в соседнюю реку, имеющую более низкие отметки русла. Характерным примером является Ингурская ГЭС, где сток р. Ингури перебрасывается туннелем в соседнюю р. Эрисцкали (Кавказ).
Сооружения безнапорных деривационных ГЭС состоят из трёх основных групп: водозаборное сооружение, водоприёмная плотина и собственно деривация (канал, лоток, безнапорный туннель). Дополнительными сооружениями на ГЭС с безнапорной деривацией являются отстойники и бассейны суточного регулирования, напорные бассейны, холостые водосбросы и турбинные водоводы. Крупнейшая ГЭС с безнапорной подводящей деривацией - ГЭС Роберт-Мозес (США) мощностью 1950 Мвт , а с безнапорной отводящей деривацией - Ингурская ГЭС (СССР) мощностью 1300 Мвт .
На ГЭС с напорной деривацией водовод (туннель, металлическая, деревянная или железобетонная труба) прокладывается с несколькими большим продольным уклоном, чем при безнапорной деривации. Применение напорной подводящей деривации обусловливается изменяемостью горизонта воды в верхнем бьефе, из-за чего в процессе эксплуатации изменяется и внутренний напор деривации. В состав сооружений ГЭС этого типа входят: плотина, водозаборный узел, деривация с напорным водоводом, станционный узел ГЭС с уравнительным резервуаром и турбинными водоводами, отводящая деривация в виде канала или туннеля (при подземной ГЭС). Крупнейшая ГЭС с напорной подводящей деривацией - Нечако-Кемано (Канада) проектной мощностью 1792 Мвт .
ГЭС с напорной отводящей деривацией применяется в условиях значительных изменений уровня воды в реке в месте выхода отводящей деривации или по экономическим соображениям. В этом случае необходимо сооружение уравнительного резервуара (в начале отводящей деривации) для выравнивания неустановившегося потока воды в реке. Наиболее мощная ГЭС (350 Мвт ) этого типа - ГЭС Харспронгет (Швеция).
Особое место среди ГЭС занимают гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС) и приливные электростанции (ПЭС). Сооружение ГАЭС обусловлено ростом потребности в пиковой мощности в крупных энергетических системах, что и определяет генераторную мощность, требующуюся для покрытия пиковых нагрузок. Способность ГАЭС аккумулировать энергию основана на том, что свободная в энергосистеме в некоторый период времени (провала графика потребности) электрическая энергия используется агрегатами ГАЭС, которые, работая в режиме насоса, нагнетают воду из водохранилища в верхний аккумулирующий бассейн. В период пиков нагрузки аккумулированная т. о. энергия возвращается в энергосистему (вода из верхнего бассейна поступает в напорный трубопровод и вращает гидроагрегаты, работающие в режиме генератора тока). Мощность отдельных ГАЭС с такими обратимыми гидроагрегатами достигает 1620 Мвт (Корнуол, США).
ПЭС преобразуют энергию морских приливов в электрическую. Электроэнергия приливных ГЭС в силу некоторых особенностей, связанных с периодическим характером приливов и отливов, может быть использована в энергосистемах лишь совместно с энергией регулирующих электростанций, которые восполняют провалы мощности приливных электростанций в течение суток или месяцев. В 1967 во Франции было завершено строительство крупной ПЭС на р. Ранс (24 агрегата общей мощностью 240 Мвт ). В СССР в 1968 в Кислой Губе (Кольский полуостров) вступила в строй первая опытная ПЭС мощностью 0,4 Мвт , на которой ныне проводятся экспериментальные работы для будущего строительства ПЭС.
По характеру использования воды и условиям работы различают ГЭС на бытовом стоке без регулирования, с суточным, недельным, сезонным (годовым) и многолетним регулированием. Отдельные ГЭС или каскады ГЭС, как правило, работают в системе совместно с конденсационными электростанциями (КЭС), теплоэлектроцентралями (ТЭЦ), атомными электростанциями (АЭС), газотурбинными установками (ГТУ), причём в зависимости от характера участия в покрытии графика нагрузки энергосистемы ГЭС могут быть базисными, полупиковыми и пиковыми (см. Энергосистема ).
Важнейшая особенность гидроэнергетических ресурсов по сравнению с топливно-энергетическими ресурсами - их непрерывная возобновляемость. Отсутствие потребности в топливе для ГЭС определяет низкую себестоимость вырабатываемой на ГЭС электроэнергии. Поэтому сооружению ГЭС, несмотря на значительные удельные капиталовложения на 1 квт установленной мощности и продолжительные сроки строительства, придавалось и придаётся большое значение, особенно когда это связано с размещением электроёмких производств (см. Гидроэнергетика ).
Одни из первых гидроэлектрических установок мощностью всего в несколько сотен вт были сооружены в 1876-81 в Штангассе и Лауфене (Германия) и в Грейсайде (Англия). Развитие ГЭС и их промышленное использование тесно связано с проблемой передачи электроэнергии на расстояние: как правило, места, наиболее удобные для сооружения ГЭС, удалены от основных потребителей электроэнергии. Протяжённость существовавших в то время линий электропередач не превышала 5-10 км ; самая длинная линия 57 км . Сооружение линии электропередачи (170 км ) от Лауфенской ГЭС до Франкфурта-на-Майне (Германия) для снабжения электроэнергией Международная электротехническая выставки (1891) открыла широкие возможности для развития ГЭС. В 1892 промышленный ток дала ГЭС, построенная на водопаде в Бюлахе (Швейцария), почти одновременно в 1893 были построены ГЭС в Гельшене (Швеция), на р. Изар (Германия) и в Калифорнии (США). В 1896 вступила в строй Ниагарская ГЭС (США) постоянного тока; в 1898 дала ток ГЭС Рейнфельд (Германия), а в 1901 стали под нагрузку гидрогенераторы ГЭС Жонат (Франция).
В России существовали, но так и не были реализованы детально разработанные проекты ГЭС русских учёных Ф. А. Пироцкого , И. А. Тиме , Г. О. Графтио , И. Г. Александрова и др., предусматривавших, в частности, использование порожистых участков рр. Днепр, Волхов, Западная Двина, Вуокса и др. Так, например, уже в 1892-95 русским инженером В. Ф. Добротворским были составлены проекты сооружения ГЭС мощностью 23,8 Мвт на р. Нарова и 36,8 Мвт на водопаде Б. Иматра. Реализации этих проектов препятствовали как косность царской бюрократии, так и интересы частных капиталистических групп, связанных с топливной промышленностью. Первая промышленная ГЭС в России мощностью около 0,3 Мвт (300 квт ) была построена в 1895-96 под руководством русских инженеров В. Н. Чиколева и Р. Э. Классона для электроснабжения Охтинского порохового завода в Петербурге. В 1909 закончилось строительство крупнейшей в дореволюционной России Гиндукушской ГЭС мощностью 1,35 Мвт (1350 квт ) на р. Мургаб (Туркмения). В период 1905-17 вступили в строй Саткинская, Алавердинская, Каракультукская, Тургусунская, Сестрорецкая и др. ГЭС небольшой мощности. Сооружались также частные фабрично-заводские гидроэлектрические установки с использованием оборудования иностранных фирм.
1-я мировая война 1914-18 и связанный с ней интенсивный рост промышленности некоторых западных стран повлекли за собой развитие действовавших и строительство новых энергопромышленных центров, в том числе на базе ГЭС. В результате мощность ГЭС во всём мире к 1920 достигла 17 тыс. Мвт , а мощность отдельных ГЭС, например Масл-Шолс (США), Иль-Малинь (Канада), превысила 400 Мвт (400 тыс. квт ).
Общая мощность ГЭС России к 1917 составляла всего около 16 Мвт ; самой крупной была Гиндукушская ГЭС. Строительство мощных ГЭС началось по существу только после Великой Октябрьской социалистической революции. В восстановительный период (20-е гг.) в соответствии с планом ГОЭЛРО были построены первые крупные ГЭС - Волховская (ныне Волховская ГЭС им. В. И. Ленина) и Земо-Авчальская ГЭС им. В. И. Ленина. В годы первых пятилеток (1929-40) вступили в строй ГЭС - Днепровская, Нижнесвирская, Рионская и др.
К началу Великой Отечественной войны 1941-45 было введено в эксплуатацию 37 ГЭС общей мощностью более 1500 Мвт . Во время войны было приостановлено начатое строительство ряда ГЭС общей мощностью около 1000 Мвт (1 млн. квт ). Значительная часть ГЭС общей мощностью около 1000 Мвт оказалась разрушенной или демонтированной. Началось сооружение новых ГЭС малой и средней мощности на Урале (Широковская, Верхотурская, Алапаевская, Белоярская и др.), в Средней Азии (Аккавакские, Фархадская, Саларская, Нижнебуэсуйские и др.), на Северном Кавказе (Майкопская, Орджоникидзевская, Краснополянская), в Азербайджане (Мингечаурская ГЭС), в Грузии (Читахевская ГЭС) и в Армении (Гюмушская ГЭС). К концу 1945 в Советском Союзе мощность всех ГЭС, вместе с восстановленными, достигла 1250 Мвт , а годовая выработка электроэнергии - 4,8 млрд. квт/ч .
В начале 50-х гг. развернулось строительство крупных гидроэлектростанций на р. Волге у гг. Горького, Куйбышева и Волгограда, Каховской и Кременчугской ГЭС на Днепре, а также Цимлянской ГЭС на Дону. Волжские ГЭС им. В. И. Ленина и им. 22-го съезда КПСС стали первыми из числа наиболее мощных ГЭС в СССР и в мире. Во 2-й половине 50-х гг. началось строительство Братской ГЭС на р. Ангаре и Красноярской ГЭС на р. Енисее. С 1946 по 1958 в СССР были построены и восстановлены 63 ГЭС общей мощностью 9600 Мвт . За семилетие 1959-65 было введено 11400 Мвт новых гидравлических мощностей и суммарная мощность ГЭС достигла 22200 Мвт (табл. 1). К 1970 в СССР продолжалось строительство 35 промышленных ГЭС (суммарной мощностью 32000 Мвм ), в том числе 11 ГЭС единичной мощностью свыше 1000 Мвт : Саяно-Шушенская, Красноярская, Усть-Илимская, Нурекская, Ингурская, Саратовская, Токтогульская, Нижнекамская, Зейская, Чиркейская, Чебоксарская.
Табл. 1 . - Развитие ГЭС в СССР за период 1965-80
Показатели ГЭС
1965
1970
1975
1980
(прогноз)
Установленная мощность ГЭС, Мвт
22200
32000
50000
74500
Доля ГЭС в общей мощности электростанций СССР, %
19,3
18,6
20
20,3
Выработка электроэнергии в год, млрд. квт T ч
81,4
121
182
260
Доля ГЭС в выработке электроэнергии в СССР, %
16,1
16
15,6
14,6
Мощность ГАЭС, Мет
-
30
1410
5100
В 60-х гг. наметилась тенденция к снижению доли ГЭС в общем мировом производстве электроэнергии и всё большему использованию ГЭС для покрытия пиковых нагрузок. К 1970 всеми ГЭС мира производилось около 1000 млрд. квт/ч электроэнергии в год, причём начиная с 1960 доля ГЭС в мировом производстве снижалась в среднем за год примерно на 0,7%. Особенно быстро снижается доля ГЭС в общем производстве электроэнергии в ранее традиционно считавшихся 'гидроэнергетическими' странах (Швейцария, Австрия, Финляндия, Япония, Канада, отчасти Франция), т.к. их экономический гидроэнергетический потенциал практически исчерпан. Табл. 2 . -Крупнейшие ГЭС мира
Наименование
ГЭС
Мощность ГЭС *,
Мвт
Год начала
эксплуатации Действующие
Красноярская, СССР....
5000
(6000)
1967
Братская, СССР
4100
(4600)
1961
Волжская им. 22-го съезда КПСС, СССР
2530
1958
Волжская им. В. И. Ленина, СССР
2300
1955
Джон-Дей, США
2160
(2700)
1968
Гранд-Кули, США
1974
(1711)
1941
Роберт-Мозес (Ниагара), США
1950
1961
Св. Лаврентия, Канада-США
1824
1958
Высотная Асуанская, АРЕ
1750
(2100)
1967
Боарнуа, Канада
1639
1948 Строятся
Саяно-Шушенская, СССР
6300
-
Черчилл-Фолс, Канада
4500
-
Усть-Илимская, СССР
4300
-
Илья-Солтейра, Бразилия
3200
-
Нурекская, СССР
2700
-
Портидж-Маунтин, Канада
2300
-
Железные Ворота,
Румыния-Югославия
2100
-
Тарбалла, Пакистан
2000
-
Мика, Канада
2000
-
* Мощность ГЭС приведена по состоянию на 1 января 1969; в скобках указана проектная мощность.
Несмотря на снижение доли ГЭС в общей выработке, абсолютные значения производства электроэнергии и мощности ГЭС непрерывно растут вследствие строительства новых крупных электростанций. В 1969 в мире насчитывалось свыше 50 действующих и строящихся ГЭС единичной мощностью 1000 Мвт и выше, причём 16 из них - в Советском Союзе.
Дальнейшее развитие гидроэнергетического строительства в СССР предусматривает сооружение каскадов ГЭС с комплексным использованием водных ресурсов в целях удовлетворения нужд совместно энергетики, водного транспорта, водоснабжения, ирригации, рыбного хозяйства и пр. Примером могут служить Днепровский, Волжско-Камский, Ангаро-Енисейский, Севанский и др. каскады ГЭС.
Крупнейшим районом гидроэнергостроительства СССР до 50-х гг. 20 в. традиционно была Европейская часть территории Союза, на долю которой приходилось около 65% электроэнергии, вырабатываемой всеми ГЭС СССР. Для современного гидроэнергостроительства характерно: продолжение строительства и совершенствование низко- и средненапорных ГЭС на рр. Волге, Каме, Днепре, Даугаве и др., строительство крупных высоконапорных ГЭС в труднодоступных районах Кавказа, Средней Азии, Восточной Сибири и т.п., строительство средних и крупных деривационных ГЭС на горных реках с большими уклонами и использованием переброски стока в соседние бассейны, но главное - строительство мощных ГЭС на крупных реках Сибири и Дальнего Востока - Енисее, Ангаре, Лене и др. ГЭС, сооружаемые в богатых гидроэнергоресурсами районах Сибири и Дальнего Востока, вместе с тепловыми электростанциями, работающими на местном органическом топливе (природный газ, уголь, нефть), станут основной энергетической базой для снабжения дешёвой электроэнергией развивающейся промышленности Сибири, Средней Азии и Европейской части СССР (см. Единая электроэнергетическая система ).
Лит.: Аргунов П. П., Гидроэлектростанции, К., 1960; Денисов И. П., Основы использования водной энергии, М. - Л., 1964; Энергетические ресурсы СССР, [т. 2] - Гидроэнергетические ресурсы, М., 1967; Никитин Б. И., Энергетика гидростанций, М., 1968; Электрификация СССР. 1917-1967, под ред. П. С. Непорожнего, М., 1967; Труды Гидропроекта. Сборник 16, М., 1969; Гидроэнергетика СССР. Статистический обзор, М., 1969.
В. А. Прокудин.