Учебное пособие-2022. Учебное пособие Саяногорск сфу 2007
 Скачать 2.5 Mb.
|
|
1.1. Гидротехника Гидротехника в самом начале развития использовалась для целей ирри- гации. С XIX века и по настоящее время гидротехника – обширная область техники, включающая в себя строительство и эксплуатацию сооружений для ряда отраслей-водопотребителей и отраслей-водопользователей, среди кото- рых наиважнейшей является производство электрической энергии на гид- равлических электростанциях. Кроме того, гидротехника ведёт также борьбу с водой как разрушительной стихией, предотвращает наводнения, размыв берегов рек и морей волнами и течениями. Водопотребление (безвозвратное использование воды) включает в се- бя: а) ирригацию (искусственное орошение); б) водоснабжение хозяйственно- питьевое и техническое (включая техническое водоснабжение тепловых и атомных электростанций). Основными водопользователями (предприятиями, использующими, но не потребляющими воду безвозвратно) являются такие отрасли современ- ного хозяйства как: а) гидроэлектроэнергетика; б) водный транспорт (вклю- чая лесосплав); в) рыбное хозяйство; г) рекреация (отдых) и др. Гидроузел – группа гидротехнических сооружений, объединенных по расположению и условиям их совместной работы. В зависимости от основ- ного назначения гидроузлы делятся на энергетические, водно-транспортные, водозаборные и пр. Различают гидроузлы: низконапорные, когда напор (разность уровней воды до и после плотины) не превышает 10 м; средненапорные, с напором 10-40 м; высоконапорные, с напором более 40 м. Расширение числа водопользователей и водопотребителей привело к тому, что большинство современных гидроузлов сооружаются как комплексные. В состав комплексных гидроузлов входят как сооружения общего на- значения (например, плотины, водосбросные сооружения), так и сооружения отраслевого назначения, которые решают такие задачи как: энергетики (зда- ния ГЭС), водоснабжения (водозаборы), водного транспорта (шлюзы, судо- подъемники), рыбного хозяйства и т.д. Гидротехника является одной из наиболее сложных отраслей строи- тельного искусства, так как: – в силу уникальности каждого водотока гидротехнические соору- жения практически не поддаются типизации и унификации, и каждый гидро- узел проектируется индивидуально; – комплексное назначение гидроузла требует от гидротехников комплексного изучения водотока и региона строительства, взаимо-действия с административными органами и со многими профессиями (с гидрологами, 10 сейсмологами, геологами, экологами, энергетиками, специалистами по гид- росиловому оборудованию, по медицине, по сельскому хозяйству, рекреации и т.д.); – строительство гидротехнических сооружений ведется в руслах водотоков и требует решения таких сложных задач, как пропуск половодий (ежегодно повторяющееся в один и тот же сезон достаточно длительное уве- личение водности реки, например, за счет таяния снега) и паводков (кратко- временное увеличение уровня воды в реке в результате, например, дождей), осушения части русла и возведения сооружений за перемычками (водоне- проницаемое ограждение ГТС или места работ от затопления во время строи- тельства, восстановления или реконструкции); – масштаб гидротехнических сооружений таков, что их строитель- ство изменяет климат и инфраструктуру целых регионов; авария на крупном гидроузле может стать катастрофой регионального, национального и даже межгосударственного масштаба – это требует от гидротехников особой от- ветственности за техническую и экологическую безопасность гидротехниче- ских сооружений. 1.2. Гидроэлектроэнергетика Использование воды как источника энергии началось двумя тысячеле- тиями позже, чем для ирригации. Первая водноэнергетическая установка – водоподъемное колесо (первичный двигатель с вращательным движением рабочего органа – ротора (колеса), преобразующий в механическую работу энергию подводимой воды), была впервые описана в конце первого века до н.э. римским инженером Ветрувием. Поначалу водяное колесо использова- лось только в мукомольном деле. В средние века водяное колесо (впоследст- вии гидротурбина) стало универсальной энергетической установкой. Вели- кий математик и механик Леонард Эйлер в 1750-1754 гг. существенно усо- вершенствовал водяное колесо, расположив его горизонтально и поместив в камеру со специальным подводом воды, таким образом, создав прообраз со- временной гидротурбины. Первые промышленные гидротурбины были изо- бретены лишь в XIX веке. В 1847 г. Френсис изобрел радиально-осевую (в рабочем колесе поток воды имеет сначала радиальное, а затем осевое на- правление), а в 1889 г. Пельтон – ковшовую гидротурбину (вода на лопасти (ковши) рабочего колеса поступает через сопла по касательной к окружно- сти, проходящей через середину ковша). Поворотно-лопастная гидротурби- на (имеет двойное регулирование мощности одновременным поворотом ло- паток направляющего аппарата и лопастей рабочего колеса) была изобретена австрийским инженером Капланом в 1920 г. 11 В девятнадцатом веке гидротурбины нашли применение лишь как ис- точник получения механической энергии и только вблизи водотоков. Девят- надцатый век был веком пара. Созданная в восемнадцатом веке паровая машина, изобретение которой приписывают Томасу Ньюкомену (1712 г.), И.И.Ползунову (1766 г.), Джеймс Уатту (1769 г.), стала энергетической осно- вой промышленной революции. Изобретение Робертом Фултоном парохода (1807 г.) и Джорджем Стефенсоном паровоза (1814 г.) закрепили повсемест- но господство пара как источника получения механической энергии. Веком электричества стал век двадцатый, после того, как во второй по- ловине XIX века появились зачатки третьего главного элемента электростан- ции – электрогенератора. Теоретические основы электротехники были раз- работаны Майклом Фарадеем. В 1821 году Фарадей сформулировал идею электродвигателя, а в 1831 году – электрогенератора. Основные техниче- ские усовершенствования генератора связаны с именем американского изо- бретателя Томаса Альвы Эдисона (1882 г.). Сочленение паровой турбины с электрогенератором позволило создать агрегат под названием турбоагрегат, а с гидравлической турбиной – гидроагрегат и соответственно их электроге- нераторы – турбогенератор и гидрогенератор. Электрическую энергию необходимо было не только произвести, но и передать на большое расстояние. Высоковольтная передача электрической энергии постоянного тока на большое расстояние (57 км) впервые была осу- ществлена во Франции в 1882 г. Марселем Депре и в Англии Ферранти в 1889 г. (на напряжении 10 тыс. Вольт). Еще раньше (1874-75 гг.) русский электротехник Ф.Пироцкий впервые передал электрическую энергию на рас- стояние 1 км. Но распространение передача электроэнергии получила лишь после того, как был изобретён трёхфазный переменный ток. Однако недоста- точно было только передать электроэнергию, её необходимо было ещё рас- пределить между потребителями. Потребность в распределении появилась сразу же, как только трёхфазный ток был востребован массовым потребите- лем. К концу девятнадцатого века возникли четыре основных элемента, без которых невозможна гидроэлектростанция: плотина, гидротурбина, гидроге- нератор, распределение и передача электроэнергии по высоковольтным ли- ниям электропередачи. В 1882 г. Т.А. Эдисон создал компанию, которая раз- вернула строительство гидростанций в США, Англии, Италии. По-видимому, этот год можно считать началом эры гидроэлектроэнергетики. Чуть позже начинается строительство тепловых электростанций (ТЭС). Первая паровая турбина для выработки электроэнергии была предложена Чарльзом Парсон- сом в 1884 г. С начала практического применения электроэнергии в мире начали формироваться теоретические взгляды на электрификацию как на новый не только технический, но и социально-экономический процесс, способный ока- 12 зать глубокое позитивное воздействие на общественное производство и на качество жизни. Победу электричества над использованием пара, как источника для преобразования в механическую энергию, обеспечили следующие важные свойства электрической энергии: – универсальность электроэнергии как энергоносителя: легкость преобразования в другие виды энергии и обратно, возможность практически безграничной концентрации, относительная простота управления электриче- скими потоками, и следовательно, процессами, которые основываются на ис- пользовании этих потоков, и, наконец, экологическая чистота при её исполь- зовании – обеспечивает преимущество электротехнологий в области повы- шения гигиенического комфорта, условий труда, сокращения вредных вы- бросов; – экономичность, энергия тратится по мере надобности; в эпоху пара, если рабочий отключал станок, паровая машина не меняла режима ра- боты, лишь стравливала «лишний» пар в атмосферу; при остановке станка с помощью выключателя электрическая энергия не расходуется; – распределение и делимость на любые порции, возможность под- вести ее практически в любую точку; – транспортабельность и возможность передачи на большие рас- стояния; транспортировка электроэнергии по линиям электропередачи не требует таких высоких транспортных затрат, как перевозка топлива. Недостатком электрической энергии является практическая невозмож- ность ее накопления и складирования. Современные электрические аккуму- ляторы еще не обладают необходимой емкостью. Электрическая энергия по- требляется сразу после того, как производится. Этим она отличается от лю- бого товара (ее нельзя накопить и «придержать под прилавком»). 1.3. Первые гидроэлектростанции (1881-1920 гг.) Первая гидроэлектростанция была построена в США в городе Эплтон (штат Висконсин). Ее мощность была всего 1 л.с. Первая же, по-настоящему промышленная ГЭС на Ниагаре (Ниагара Фолс), предназначенная для элек- троснабжения г. Буффало, заработала в 1890 г. На ней была реализована трехфазная система тока, передача электроэнергии осуществлялась на рас- стояние 40 км. Первые гидростанции, как правило, возводились на базе построенных ирригационных плотин. В конце ХIХ века ГЭС интенсивно строятся в США, Англии, Германии, Франции. В ХХ веке почти все крупнейшие плотины воз- 13 водились для получения электроэнергии на гидроэлектростанциях. Строи- тельство ГЭС дало толчок плотиностроению. В России в эти годы разрабатывается несколько проектов строительст- ва ГЭС: на Неве у Ивановских порогов (Н.Бернардос, 1892 г.), на порогах рек Нарова, Иматра, Волхов (В.Добротворский, 1895-99 гг.). Строительство ГЭС сдерживали общая техническая отсталость и противодействие владель- цев угольных шахт. Однако ряд российских инженеров участвовали в строи- тельстве ГЭС в Европе. Так, русский политэмигрант М.О.Доливо- Добровольский в 1891 г. переоборудовал гидросиловую установку на р.Неккар (Германия) в гидростанцию мощностью 220 кВт с генератором трёхфазного тока и осуществил передачу ее переменным током с напряжени- ем 8500 Вольт на расстояние 170 км во Франкфурт на Майне. В России в 1913 г. действовали 78 гидростанций общей установленной мощностью 8,4 МВт, что составляло менее 1% суммарной мощности всех электростанций страны. В то же время в 10 наиболее развитых странах мира мощность ГЭС достигала 12000 МВт. Самой крупной ГЭС России, построенной в 1910 г. на р. Мургаб, была Гиндукушская ГЭС мощностью 1,35 МВт. Она использовалась для электро- снабжения маслобойного, хлопко-очистительного и мыловаренного импера- торского имения. 1.4. Развитие гидроэлектроэнергетики Начало современного развития гидроэнергетического строительства естественно отсчитывать от 20-х годов XX века. К этому времени гидроэнер- гетика становится существенным фактором экономики многих стран. В эти годы одной из передовых стран в области гидроэнергетики ста- новится Советская Россия. Английский историк техники Самюэль Лилли, поясняя, почему технически отсталая Россия достигла успехов в электрифи- кации, писал: «Планирование – ключ к эффективности снабжения электро- энергией. Советский Союз с его плановым хозяйством оказался в особо вы- годном положении, хотя ему пришлось начинать с крайне отсталой энергети- ки. И хотя Советскому Союзу предстояло пройти большой путь, чтобы дог- нать главные промышленные державы по потреблению электроэнергии на душу населения, тем не менее, достигнутые им в этом отношении успехи, нельзя не признать, поистине, поразительными: начав с 500 млн. кВт.ч в 1920 году, он выработал 4,2 млрд. кВт.ч в 1932 г. и 36.4 млрд. кВт.ч в 1937 году». В этой фразе сконцентрирована оценка «Государственному плану элек- трификации России» (ГОЭЛРО), который был принят 22 декабря 1920 г. на Всероссийском съезде Советов. План ГОЭЛРО является образцом решения 14 сложнейших политических, экономических, социальных и технологических проблем. Объединив идеи электрификации с наиболее передовыми направ- лениями развития промышленности, сельского хозяйства, транспорта, план ГОЭЛРО дал комплексную программу преобразования всей экономики, со- циально-бытовой сферы и культурной жизни страны. План ГОЭЛРО исходил из глубочайшего научного анализа состояния и перспектив развития народного хозяйства России, региональных особенно- стей её энергетического потенциала, необходимости применения для реше- ния конкретных производственных и бытовых задач только наиболее эконо- мически эффективных решений с учётом прогнозных балансов спроса и предложения. В этом смысле он на многие десятилетия опередил появившие- ся за рубежом только после II Мировой войны методы программно-целевого планирования и программирования. Нельзя не отдать должное величайшему профессионализму и таланту энергетиков, которые его разрабатывали и реализовали. В.И.Ленину и Г.М.Кржижановскому удалось привлечь лучшие интеллектуальные силы страны, организовать их работу. Люди, которые разрабатывали и претворяли в жизнь план ГОЭЛРО, были не только опытными политиками, блестящими учёными и инженерами. Они обладали, в современном понимании, менед- жерским талантом, управленческим чутьём и сумели в крайне непростых ус- ловиях определить стратегию развития экономики, масштабы и методы её осуществления. Они были великолепной, блестящей командой. Всего около 200 человек. Эту команду называли мечтателями и фантазёрами. Их дело называли утопией и «электрификцией». Но именно они в итоге оказались правы. Их главный тезис звучал так: «Сцепление отдельных электропередач в единую электрическую сеть страны, районных станций – в единый электри- ческий механизм». Последовательная реализация принципов, заложенных в план ГОЭЛ- РО, привела к своего рода «техническому чуду». Отсталая, тёмная – в пря- мом смысле слова – страна добилась фантастических успехов. В плане ГОЭЛРО был предусмотрен специальный раздел «В» по разви- тию гидроэлектроэнергетики «электрификация и водная энергия». Он состо- ял из двух основополагающих принципов: «1. В первую очередь обратить внимание на установки исключительно выгодные как по естественным условиям, так и по возможному полному эко- номическому использованию. 2. При проектировании сооружений скомбинировать использование гидротехнических сооружений для нескольких целей, чтобы стоимость могла быть разложена на ряд взаимно связанных предприятий (использование вод- ной энергии со шлюзованием реки, орошение и т.п.)». 15 Эти принципы легли в основу комплексного использования водных ресурсов. План ГОЭЛРО был выполнен в начале 1931 года. Уже к 1935 году за- дания плана по всем основным параметрам были превышены более чем вдвое и на этой основе, промышленное производство в стране увеличилось в 4 раза, добыча топливных ресурсов – более чем втрое, установленная мощность электростанций – в 6 раз, а производство электроэнергии на них – более чем в 10 раз. К 1935 году вместо 30 предусмотренных электростанций было соору- жено 40, из них 14 – мощностью более 100 МВт. Из общего числа электро- станций было построено 10 крупных (для того времени) гидроэлектростан- ций общей мощностью 1,5 млн. кВт. Наиболее крупными достижениями того времени являются крупнейшая из предусмотренных планом Днепровская – Днепрогэс, проектная мощность 560 тыс. кВт, 1932 г., а также Нижнесвир- ская ГЭС, 1933 г., мощность 96 тыс. кВт. Кроме ГЭС план ГОЭЛРО предусматривал строительство тепловых электростанций на угле и торфе (Каширская, Шатурская и др.). Выполнение плана ГОЭЛРО и позволило России выйти в 1935 г. на выработку электро- энергии 26,8 млрд. кВт.ч, установленная мощность электростанций страны составляла 6,9 млн. кВт. План ГОЭЛРО был первой в мире государственной энергетической программой. Передовые страны Запада стали разрабатывать подобные планы лишь после энергетического кризиса 1973 г. Во время второй мировой войны гидроэнергетика Советского Союза сильно пострадала. Были разрушены пять (не считая мелких) ГЭС общей мощностью 780 МВт, в т.ч. ДнепроГЭС, на семи ГЭС было демонтировано оборудование общей мощностью 280 МВт. Восстановление было произведе- но в максимально короткие сроки – за 4-5 лет (1945-49 гг.). Послевоенные, пятидесятые годы в СССР были периодом интенсивно- го строительства комплексных гидроузлов на равнинных реках европейской части страны (Волга, Днепр, Дон). Работы по созданию «Схемы Большой Волги» начались в 1930 г.; в них заметную роль сыграл С.Я.Жук, бывший руководителем проектирования и строительства канала имени Москвы (1937 г.), Угличской и Рыбинской ГЭС. (1940-41гг.). После войны (1948-1952 гг.) С.Я.Жук возглавлял проектирование и строительство канала Волга-Дон и Цимлянского гидроузла на Дону. При его активном участии были запроекти- рованы крупнейшие ГЭС на Волге – Волжская (Куйбышевская) и Волжская (Сталинградская) ГЭС. Этот этап гидротехнического строительства известен как «великие стройки коммунизма». Постановление о строительстве Куйбышевского и Волгоградского гид- роузлов было опубликовано в августе 1950 г., и в течение десятилетия эти две крупнейшие тогда в мире гидростанции на равнинных реках были полно- 16 стью построены. Куйбышевская (1950-1957 гг.) мощностью 2300 МВт и Ста- линградская (1951-1961 гг.) мощностью 2541 МВт. Опыт, накопленный советскими гидростроителями на равнинных реках европейской части страны, позволил в 60-80е годы перейти к освоению вод- но-энергетических ресурсов Сибири, в первую очередь рек Ангары и Енисея. Гидроэнергетические ресурсы только Ангары превосходят гидроэнергоре- сурсы Волги, Днепра и Камы вместе взятых. На Ангаре и Енисее построены четыре крупнейших ГЭС Евразии: – Братская ГЭС (1961 г.) мощностью 4500 МВт; – Красноярская ГЭС (1971 г.) мощностью 6000 МВт; – Усть-Илимская ГЭС (1983 г.) мощностью 4320 МВт; – Саяно-Шушенская ГЭС (1985 г.) мощностью 6400 МВт. В настоящее время примерно половину всей электроэнергии Сибири дают гидростанции. Истощение промышленных запасов полезных ископаемых в обжитой европейской части страны привело к бурному развитию добычи нефти, газа, золота в необжитых северных районах Сибири и Дальнего Востока. Расту- щие потребности в энергии горнодобывающей промышленности дали толчок к строительству гидроэлектростанций в суровых условиях Севера. Строи- тельство в 60-80е годы Вилюйских, Мамаканской, Усть-Хантайской, Колым- ской и других ГЭС создало энергетическую базу для освоения природных ре- сурсов отдаленных районов Северо-Востока страны. Первой мощной из построенных на Дальнем Востоке является Зейская ГЭС мощностью 1290 МВт. К 2000 году в России действовало 98 гидроэлектростанций суммарной установленной мощностью 44 млн. кВт. Ежегодная выработка на них состав- ляла в зависимости от водности года 156-170 млрд. кВт∙ч, или около 20% общего её производства. Экономический кризис 90-х годов приостановил гидроэнергетическое строительство в России. Развернутое в начале 80-х годов строительство ше- стнадцати ГЭС суммарной установленной мощностью 9,6 млн. кВт со сред- немноголетней выработкой 37 млрд. кВт∙ч/год было заморожено. В целом ряде регионов возникли перебои с электроснабжением. Наиболее напряженная ситуация сложилась на Дальнем Востоке, где основными производителями электроэнергии являются тепловые электро- станции, работающие на угле, а гидроэнергетический потенциал рек исполь- зуется всего на 3,3%. Сокращение добычи угля в этом регионе привело к то- му, что на Дальний Восток к 1995 г. потребовалось ввозить ежегодно до 10 млн. т. угля. Энергетические проблемы Дальнего Востока могут решить: до- стройка Бурейской ГЭС установленной мощностью 2000 МВт и годовой вы- работкой 7,1 млрд. кВт.ч, а также планомерное строительство ряда других гидростанций. 17 В 2000 г. был разработан «Проект программы развития и концепция технического перевооружения гидроэнергетики России на период до 2015 года». К 2000 году было 16 начатых строительством ГЭС в Сибири, на Восто- ке, Северо-западе и Юге Европейской части. Их характеризует большая ус- тановленная мощность – более 9 млн. кВт и значительная годовая выработка – 35 млрд. кВт.ч; сделанные ранее капиталовложения в эти стройки состав- ляют от 30% до 60% их сметной стоимости, что создает их инвестиционную привлекательность (из 16 приоритетными следует назвать: Богучанскую, Усть-Среднеканскую, Бурейскую, Зарамагские, Ирганайскую, Зеленчукские). Таким образом, основные задачи, которые стоят перед гидроэнергети- кой России в условиях затянувшегося экономического кризиса: – сохранение и надежная эксплуатация построенных и эксплуати- руемых ГЭС; – достройка нескольких ГЭС в энергодефицитных районах; – сохранение и обучение кадров гидростроителей и электронерге- тиков для дальнейшего развития отрасли после выхода из кризиса. |