Производство электроэнергии на гидроэлектростанциях
Набиев Х.А., Кривошеева Е.И.
Введение
Из всех отраслей хозяйственной деятельности человека энергетика оказывает самое большое влияние на нашу жизнь. Просчеты в этой области имеют серьезные последствия. Тепло и свет в домах, транспортные потоки и работа промышленности - все это требует затрат энергии.
Основой энергетики сегодняшнего дня являются топливные запасы угля, нефти и газа, которые удовлетворяют примерно девяносто процентов энергетических потребностей человечества.
Наиболее универсальная форма энергии - электричество. Оно вырабатывается на электростанциях и распределяется между потребителями посредством электрических сетей коммунальными службами. Потребности в энергии продолжают постоянно расти. Наша цивилизация динамична. Любое развитие требует, прежде всего энергетических затрат и при существующих формах национальных экономик многих государств можно ожидать возникновения серьезных энергетических проблем.
В кипении политических страстей частный вопрос об энергоснабжении страны отодвинулся на второй план. Многие считают, что этот вопрос их не касается. Но если представить реакцию населения замерзающего в темных квартирах - энергетика опередит даже продовольственный вопрос.
1.Гидроэнергетические ресурсы
Более 150 стран мира располагают гидроэлектростанциями, из них 42 страны в Африке, 38 -- в Европе, 31 -- в Азии, 18 -- в Северной и Центральной Америке, 14 -- в Южной Америке, 9 -- в Океании и 6 -- на Ближнем Востоке.
На ГЭС в 63 странах мира вырабатывается 50% всей электроэнергии и более, в том числе в 23 странах -- свыше 90%. Норвегия, семь стран Африки, Бутан и Парагвай практически всю свою электроэнергию вырабатывают на гидроэлектростанциях. Суммарная мощность гидроэлектростанций в мире составляет около 700 ГВт, а их годовая выработка -- 2600 ТВт*ч.
Мировой валовой теоретический гидроэнергетический потенциал по состоянию на начало 1998 г. оценивался в 40 тыс. ТВт*ч, из которых 14 тыс. ТВт*ч рассматривался как технически возможный к освоению, из них 9 тыс. ТВт*ч считался экономически оправданным потенциалом для использования в современных условиях.
К настоящему времени в мире освоено лишь 18% технического и 28% экономически оправданного для использования гидроэнергетического потенциала. Таким образом, остается еще не используемым экономический потенциал, на базе которого можно построить гидроэлектростанции суммарной мощностью 1800 ГВт и годовой выработкой электроэнергии 6400 ТВт * ч. Наивысший уровень освоения гидроэнергетического потенциала имеет место в Северной и Центральной Америке (61%) и в Европе (65% без учета России); 40% экономического гидроэнергетического потенциала освоено в Океании, 20% -- в Азии, по 19% -- в России и Южной Америке и только 7% -- в Африке.
Россия по объему производства электроэнергии на ГЭС (в 1997 г. немногим более 150 ТВт*ч) занимает 5-с место в мире, уступая по этому показателю Канаде, США, Бразилии и Китаю.
2.Производство и потребление электроэнергии
Общее мировое производство электроэнергии в 1996 г. достигло 13700 ТВт*ч, из них 62% были выработаны на тепловых энергостанциях на органическом топливе, по 18% на АЭС и ГЭС, а остальные 2% на нетрадиционных возобновляемых источниках энергии (табл. 1). По сравнению с 1991 г. мировое производство электроэнергии увеличилось на 1566 ТВт*ч, или на 12,9%
К числу крупнейших в мире производителей электроэнергии в 1997 г. . относились США, Китай, Япония, Россия, Канада, Германия и Франция (табл. 2). В 1996 г. объем мировой торговли электроэнергией составил 348 ТВт*ч и был на 25% больше по сравнению с 1991 г. Таким образом, имеет место существенное опережение темпов расширения международной торговли электроэнергией по сравнению с темпами роста ее производства. Крупнейшими экспортерами электроэнергии являются Франция (69 ТВт*ч в 1996 г.), Парагвай (40 ТВт*ч) и Канада (36 ТВт*ч), крупнейшими импортерами -- США и Италия (по 37 ТВт*ч).
За последние годы в структуре мирового и регионального производства электроэнергии произошли определенные изменения (см. табл. 2). Анализируя статистические данные, приведенные в таблице, можно сделать ряд выводов, характеризующих развитие мировой энергетики , главные среди которых следующие:
* в абсолютном значении прирост мирового производства электроэнергии на ТЭС в 3 раза больше, чем на АЭС и ГЭС;
* увеличилось производство в мире электроэнергии, выработанной на базе НВИЭ
* четверть всего прироста мирового производства электроэнергии на ТЭС и свыше пятой части на ГЭС приходится на долю Китая;
* доля стран-членов ОЭСР в мировом производстве электроэнергии в 1996 г. составила 64% и практически осталась неизменной по сравнению с 1991 г.
Особого внимания заслуживает анализ современного состояния атомной энергетики. Здесь наблюдается снижение темпов ввода новых генерирующих мощностей из-за сокращения темпов роста спроса на электроэнергию и негативного отношения к АЭС общественности ряда стран. Несмотря на это, атомная энергетика продолжает свое развитие, увеличивая вклад в общий электроэнергетический баланс мира. Кроме того, на основе научно-технического прогресса повышается уровень ее безопасности.
По состоянию на начало 1998 г. в мире действовало 440 атомных энергоблока суммарной установленной мощностью 355 ГВт. Во многих странах мира атомная энергетика позволяет обеспечить необходимый уровень энергетической безопасности, располагать эффективной структурой топливно-энергетического баланса, не допускать чрезмерной зависимости от импорта органического топлива и электроэнергии, выполнять свои обязательства перед мировым сообществом по ограничению и снижению выбросов в атмосферу «парниковых газов». Во многих странах мира электроэнергия, выработанная на АЭС, составляет значительную часть всей производимой ими электроэнергии
3.Научно-технический прогресс в электроэнергетике
Главными направлениями научно-технического прогресса в электроэнергетике в последние годы являлись:
- совершенствование эффективности парогазового цикла и увеличение на этой основе производства энергии;
- расширение использования высокоэффективного комбинированного производства электрической и тепловой энергии, в том числе на ТЭЦ малой и средней мощности с применением газотурбинного, парогазового и дизельного привода для централизованного и децентрализованного энергоснабжения;
- внедрение экологически чистых технологий на тепловых электростанциях, работающих на органическом топливе;
- повышение КПД и снижение себестоимости производства энергии на энергетических установках малой и средней мощности, работающих на нетрадиционных возобновляемых источниках энергии, а также использованием топливных элементов.
Особое значение научно-технический прогресс имеет для развития атомной энергетики. Он содействует улучшению отношения к ней мировой общественности, повышает уровень доверия к безопасности АЭС. Определенное влияние на изменение общественного мнения оказывает ужесточение требований по защите окружающей среды от вредных выбросов. Важным фактором развития атомной энергетики является также стремление стран-импортеров органического топлива ослабить зависимость от ввоза энергоносителей из других стран и тем самым повысить уровень своей энергетической безопасности. В настоящее время в мире сооружается более 60 атомных энергоблоков суммарной мощностью свыше 50 ГВт.
4.Производство электроэнергии в России
Электроэнергетика нашей страны характеризуется высоким уровнем концентрации производства электрической и тепловой энергии. Более 45% мощности электростанции России сконцентрировано на электростанциях единичной мощностью 2000 Мвт и выше. Крупнейшие агрегаты, работающие на ТЭС, имеют единичную мощность 1200 МВт, на АЭС 1000 МВт, на ГЭС 640 МВт.
Конденсационные тепловые электростанции (КЭС) в персепективе сохраняют свое значение в качестве основного источника электроснабжения. Наиболее мощные из действующих в России: Сургутская - 1,-2, Рефтинская, Костромская, Рязанская, Троицкая, Ставропольская, Заинская, Конаковская, Новочеркасская, Ириклинская, Пермская, Киришская.
Для обеспечения дальнейшего повышения эффективности производства электроэнергии в перспективе предстоит решить крупные и сложные задачи значительного повышения технического уровня КЭС, что потребует создать новые типы прогрессивного оборудования и усовершенствования действующего, а также повышение уровня эксплуатации, качества ремонта и более широко внедрять надежные автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУТП), разработать мероприятия по снижению негативного воздействия на окружающую среду.
5. Атомные электростанции
электростанция технический прогресс
В России к началу 1997 г. находились в эксплуатации 29 энергоблоков на 9 АЭС, в том числе 13 энергоблоков с реакторами типа ВВЭР (водо-водяной реактор) и 11 энергоблоков с реакторами РБМК (канальный реактор большой мощности), 4 энергоблока типа ЭГП (энергетический водографитовый кипящий реактор) Билибинской АТЭЦ с канальным водографитовыми реакторами и один энергоблок на быстрых нейтронах БН-600.
Суммарная мощность АЭС составляла 21,3 ГВт, и в 1997 г. было выработано 108,5 ТВт*ч электроэнергии.
В принятой программе развития атомной энергетики Российской Федерации на 1998-2005г. и в перспективе до 2010 г. поставлена задача создания предпосылок крупномасштабного развития атомной энергетики, содействия решению социально-экономических проблем развития регионов России, расширения ядерных технологий путем:
- обеспечение безопасности действующих АЭС за счет их технического перевооружения, реконструкции продления ресурса эксплуатации;
- ввода в действие новых генерирующих мощностей на АЭС, в основном с энергоблоками нового, третьего поколения;
- развитие научно-технического и промышленного потенциала атомного комплекс
6. Гидроэлектростанции
Экономический потенциал гидроэнергетических ресурсов Российской Федерации оценивается в 852 млрд. кВт*ч годового производства электроэнергии. По величине речного стока Россия занимает одно из первых мест в мире. Общие ресурсы речного стока составляют 4338 км3/год. Гидроэнергетика России характеризуется высокой степенью концентрации мощностей. В стране действует 13 ГЭС единичной мощностью 1 ГВт и больше, из них 6 ГЭС имеют мощность по 2 ГВт и больше.
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 которая, в свою очередь, преобразуется в электрическую энергию.
Напор ГЭС создается концентрацией падения реки на используемом участке плотиной, либо деривацией, 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 (Мвт) различают ГЭС мощные (св. 250), средние (до 25) и малые (до 5). Мощность ГЭС зависит от напора На (разности уровней верхнего и нижнего бьефа), расхода воды , используемого в гидротурбинах, и кпд гидроагрегата . 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 приплотинныс ГЭС строят и на равнинных многоводных реках и на горных реках, в узких сжатых долинах.