3.7. Су электр станциялары

Белгілі бір қима арқылы ағатын судың куаты (Р кВт) ағын судың көлемі (Q, м³/с) мен оның ағын деңгейіне, яғни бөгеттің екі жағындағы су қоймалары деңгейлерінің айырмашылығына (Н) тәуелді болады

Жоғарғы және төменгі су деңгейлері жоғарғы және төменгі бьеф деп аталады.

СуЭС бөгеті арқылы өткен ағын су қуаты толығымен электр энергиясына түрленбейді, оның біраз бөлігі әр түрлі кұрылыс кондырғыларында, турбина мен генераторда шығындалады. Осы себепті СуЭС куаты оның пайдалы әсер коэффициентімен (η) анықталады

3.15 суретте СуЭС құрылысының қарапайым схемасы көрсетілген.

Ж оғарғы және төменгі су деңгейлері арасындағы айырмашылық— СуЭС-ның ең қымбат бөлігі бөгет салу пәтижесіндс алынады. Жоғарғы су қорын төменгі су қорымен байланыстырып тұратын арнайы орнатылған құбырлар мен плотина денесінде жасалынған су жолдары бар. Осы өткізгіш жолдар арқылы өтетін ағын судың жылдамдығы аса жоғары болады. Miнe, осы жылдамдығы жоғары су ағыны ротормен жалғасқан су турбинасының қалақшаларына жіберіледі.

Су турбиналарында ағын су энергиясы турбина білігінің айналмалы механикалық энергиясына түрленеді. Судың динамикалық қысымы пайдаланылатын турбина — активті турбина деп, ал реактивті әсерде судың статикалық қысымы пайдаланылатын турбина — реактивті турбина деп аталады.

О жаулы активті турбинада (3.16 сурет) су қысымының потенциалдық энергиясы ағын су жүретін су жолының қимасын тарылту үшін орнатылған бағыттағышта толығынан су қозғалысының кинетикалық энергиясына ауысады. Турбинаның жұмыс доңғалағы шеңбер бойына ожау пішінді қалақшалар бекітілген диск түрінде жасалған. Ағын су турбина доңғалағының қалақшаларына әсер етуінен, судың қозғалыс энергиясы турбина доңғалағының айналу айналу энергиясына түрленеді. Бағыттағыштың ішінде оның кима ауданын, яғни ағын су көлемін реттеп отыратын реттегіш білік орнатылған.

Реактивті су турбинасының жұмыс доңғалағының қалақшаларында судың кинетикалық энергиясы да, потенциалдық энергиясы да турбинаның механикалык энергиясына түрленеді.

Реактивті турбинаның жұмыс доңғалағы активті (3.16 сурет) турбинамен салыстырғанда толығымен судың ішінде тұрады, бұл су ағыны жұмыс денесінің барлық қалақшаларына бір мезгілде әсер етеді деген сөз. Реактивті турбинаның жұмыс доңғалағының бірнеше түрлері жасалған: радиалды-білікті, пропеллер пішінді, айналмалы қалақты және екі қалақты. Турбина қуаты бірнеше киловаттан 500 МВт-қа дейін, ал оның айналу жылдамдығы 16^2і3-тен 1500 мин- ¹-ге дейін өзгереді.

Әрбір энергия жүйесі сенімді әрі тиімді жұмыс жасау үшін оның құрамында жылу және атом электр станцияларымен бірге су электр станциясы да болуы керек. Себебі, су электр станциясы аса жылдам (1 мин шамасында) жұмысқа қосылатын, тез энергия өндіре алатын және өз жұмысын тез доғара алатын станция болып табылады, ал жылу электр станцияларын жұмысқа қосу үшін 3—6 сағ уақыт кажет. Осы себепті ЖЭС-ларды бір тәулік ішінде тоқтатып, одан кейін іске қосу өте тиімсіз.

Су электр станциясының техника-экономикалық көрсеткіші ЖЭС-мен салыстырғанда жоғары: СуЭС-да өндірілген энергияның өзіндік құны ЖЭС-мен салыстырғанда 5—6 есе арзан; СуЭС өз мұқтаждығына ЖЭС-на қарағанда әлдеқайда аз энергия жұмсалады; СуЭС пайдалы әсер коэффициенті ЖЭС-на қарағанда әлдеқайда жоғары.

Қуатты СуЭС салу үшін су қоймасы, бөгет, су жолдары сияқты көлемді құрылыс жұмыстарын жасау қажет. Мұндай құрылыстар салу қуатты техника көмекке келген соңғы он жылдықтарда ғана мүмкін болып отыр.Тіпті осындай техниканы пайдаланғанның өзінде, қуатты СуЭС-ның құрылысы көптеген жылдарға созылады.Үлкен су қоймаларының салынуы жергілікті ауа райына, жер жағдайына және өсімдік әлеміне әсер етеді. Көптеген жер алқабы су астында қалады. Міне, осындай жағдайларға байланысты, су энергиясы «таза» энергия көзі болып есептелінгенімен, әрбір СуЭС-ын саларда оның қоршаған ортаға тигізер кері әсері мұкият зерттеледі. Тәуелсіз Мемлекеттер СуЭС-ның тұңғышы — Волхов СуЗС-ы. Оның салыну жоспарының дүниеге келуі және құрылысының басталуы көрнекті орыс ннженері, профессор Г.О. Графито есімімен тікелей байланысты. Г.О.Графито 1902—1903 жылдары Волхов су электр станциясын салудың алғашқы жоспарын, ал 1910—1912 жылдары егжей-тегжейлі ойластырылған екінші жоспарын жасағанымен, оны салу туралы шешім тек 1918 жылы ғана қабылданды.

Волхов құрылысының басталуы Тәуелсіз Мемлекеттерде өз қоштаушысын тапты. Ташкенттің жанында 1923 жылы Боз-Суйск, Арменияда Ереван СуЭС-ларының құрылыстары басталды.

1926 жылы Волхов СуЭС-ы жұмысқа қосылғаннан кейін, Боз-Суйск және Ереван СуЭС-лары де жұмысқа қосылды. Шығыс Қазақстанның Громатуха өзені бойына салынған Жоғарғы-Хариуз СуЭС-ы электр энергиясын өндіре бастады. Оның алғашқы қуаты 3 МВт болып, кейінірек 5,6 МВт-қа жеткізілді. Қазақстан су энергетикасының тұңғышы Хариуз СуЭС-ы қазір де жұмыс жасап тұр.

Су энергетикасын одан әрі дамытуда ТМД ғалымдары мен инженерлері Г.О.Графито, А.В.Винтер, Б.Е.Веденеев, профессор Н.А.Филимонов, инженерлер В.А.Захарьевский, М.М.Карпов, А.А.Беляков, И.И. Кандалов, Г.А. Гуссо, П.П. Лауиман, Г.С.Веселова есімдері дүние жүзіне мәлім болды.

1939 жылға дейін 33 су электр станциясы салынды. Су энергетика құрылысы кең қанат жайды. Аса күрделі геологиялық жағдайда су электр станцияларын салу мен күрделі техника проблемаларын шешу жағынан елеулі қадамдар жасалды. Волгада Куйбышев СуЭС-ын, Ертісте Өскемен және басқа да қуатты су электр станцияларын салу үшін дайындық жұмыстары жүргізілді.

1941 жылы бұрынғы КСРО-ға қарсы фашистік Германияның басқыншылық соғысы басталуымен Ұлы Отан соғысы жылдарында жалпы қуаты 1 млн. кВт болатын 11 су электр станциясы істен шықты. Блокада жағдайында қалған Санкт-Петербургты тек Волхов СуЭС-ы электр энергиясымен жабдықтап тұрды. Москва қаласын электрмен жабдықтауда Углич және Рыбинск СуЭ.С-лары елеулі роль атқарды. Сонымен отын тапшылығы ерекше сезілген аса ауыр соғыс жылдары, су электр станцияларының артықшылығы айқын байқалды. Соғыстан кейінгі жылдары да бұрынғы КСРО-да су энергетика құрылысы аса кең көлемде жүргізілді. 1946—1958 жылдары қалпына келтірілген және жаңадан салынған 63 су электр станциясының жалпы қуаты 9,6 млн. кВт болды. 1958 жылдың соңында су электр станцияларының жалпы қуаты 10,9 млн. кВт-қа жетіп, оларда 46,5 млрд. кВт*сағ электр энергиясы өндірілді. Бұл барлық өндірілген энергияның 19,7%-і еді.

1959—1965 жылдары энергетика құрылысының негізгі бөлігі бұрынғы КСРО-ның шығыс аудандарында жүрді. Сібірде, Орта Азияда, Кавказ бен Қиыр Шығыста қуатты су электр станциялары салынды. Осы жылдары Волжск, Канск және Днепровск су электр станцияларының каскадын салу жұмыстары одан әрі жүргізілді. Осы мерзімде жаңа 11,4 млн. кВт су энергия қуаты іске қосылып, жалпы СуЭС қуаты 2 еседен аса өсіп, 22,2 млн. кВт-қа жетті. 1965 жылы су электр станцияларында 81,4 млрд. кВт*сағ электр энергиясы өндірілді. Су энергетикасының табиғи жағдайы қуатты станциялар салуға тиімді шығысқа қарай ығысуы су энергия құрылысына жұмсалатын өзіндік қаржы мөлшерін азайту мүмкіндігін туғызды.

Ресейдің шығысында орналасқан Енисей өзені бойындағы Красноярск СуЭС-на қуаты 500 МВт ғажайып су агрегаттары орнатылды. Осындай 10 агрегат орнатылған Красноярск СуЭС- ның қуаты 5 млн. кВт-қа жетті. Красноярск СуЭС- сында жылына 20 млрд. кВт*сағ электр энергиясы өндіріледі. Су кұрылысы құрамына ұзындығы 1060 м, биіктігі 124м бетон плотина, СуЭС үйі, кернеуі 220 және 500 кВ 3.17 сурет - Красноярск СуЭС-ы

электрэнергиясын ашық тарату құрылғысы және кеме жолы кондырғысы кіреді.

Красноярск СуЭС-ы плотинасы (3.17 сурет) аса үлкен су қоймасын жасады (ұзындығы 380 км-дей, ал көлемі 73,3млрд. м³ болады). Оның іске қосылуы ондаған өнеркәсіп орындарын

өмірге келтіріп, транспорт пен ауыл шаруашылығын электрмең жабдықтап, Сібірдің қалалары мен аудандарын электр шуағына бөледі.

Іле өзені бойына салынған Қапшағай су электр станциясы электрмен жабдықтау және жер суландыру мәселесін бірге шешу мүмкіндігін туғызды. Оның су қоймасының суын пайдалану арқылы 700 мың га жерді суландыруға болады.

1972—1973 жылдары Орта Азиядағы ең қуатты су электр станциясы — Нүрек СуЭС-ның алғашқы агрегаттары іске қосылды.

1979 жылы Нүрек СуЭС-ның соңғы тоғызыншы агрегаты өте жоғары бағамен кабылданып, ол Орта Азия энергия жүйесінің белді бір тірегі болды. Мұнда өндірілген энергия жоғары кернеулі электр желілері арқылы Тәжікстан, Түркменстан, Өзбекстан, Қазакстанның оңтүстік аудандары мен Қырғызстанның кәсіпорындары, қалалары мен ауылдарына беріледі. 1 млн. га-дан аса жер көлемі 10,5 млрд. м³ болатын Нүрек су қоймасының суымен суландырылады.

Су энергетика құрылысының қай мерзімінде болмасын жеке агрегаттардың және бүкіл станцияның қуатын арттыру үнемі күн тәртібінде тұрды. Төмендегі 3.7 кестеде 1917—1980 жылдардағы жеке су агрегаттары мен СуЭС-лары қуатының өсуі көрсетілген.

3 .7 к е с т е

Ресейдегі ең қуатты Саяно-Шушенск СуЭС-ы 6400 МВт қуатпен 1980 жылдан бері жұмыс жасауда. Оның су қоймасының көлемі 31,3 млрд. м³.

Су энергетика құрылысының маңызды бір міндеті — минералды отынды үнемдеу — алдағы уакыттың өзекті бір мәселесі болып отыр. Электр энергиясын өндіру үшін қуатты су электр станциялары салынып, жаңармайтын отын қорын, әсіресе мұнай мен газды үнемдеу қажет. ТМД бірыңғай энергия жүйесін жасауда су электр станциялары ерекше роль атқарады.

Сібір өзендерінің аса қуатты су электр станциялары Канск-Ачинск және Екібастұздың қуатты жылу электр станцияларымен тоғыса отырып, ТМД-ның шығыс аудандарының энергетикалық потенциалын арттырып қала қоймай, мұнда өндірілген энергияның көлемді мөлшерін оның европалык бөлігіне де жіберу мүмкіндігін туғызады.

Су қорын кешенді пайдалану қарастырылуда. Бұрын су қоймалары СуЭС-ларда электр энергиясын өндіру үшін ғана пайдаланылған болса, казіргі уақытта олар халық шаруашылығының басқа да салаларын (жер суландыру, кеме транспорты, балық шаруашылығы, сумен жабдықтау т. б.) дамытуда кеңінен пайдаланылады.

3.8. СУ ҚОРЫН ЖИНАЙТЫН ЭЛЕКТР СТАНЦИЯЛАРЫ

Электр энергетикасының басты мақсаты — барлық тұтынушыларды, қай уақытта болмасын сапалы электр энергиясымен кажетті мөлшерде қамтамасыз ету. Бұл аса жауапты да күрделі жұмыс. Себебі, тәуліктің қандай болмасын мерзімінде электр станцияларында өндірілген электр энергиясының қуаты оны тұтынушылардың пайдаланатын энергия қуаты мен оларға жеткізгенге дейінгі электр желілерінде шығындалатын энергия қуатына тең болуы қажет

Р_t,өнд = Р_t,тұт + Р_t,шығ,

мұнда Р_t,өнд,Р_t,тұт,Р_t,шығ-тәуліктің қандай болмасын мезгілінде электрстанцияларында өндірілген,тұтынушылар пайдаланған және электр желілерінде шығындалған электр энергиясының қуаты.Егер де бұл тепе-теңдік бұзылатын болса, онда белгілі физикалық заңдылықтар негізінде, электр станциялары, электр желілері мен тұтынушылар біріктірілген энергия жүйесінің сенімді жұмыс жасауын қамтамасыз ету күрделі мәселеге айналады. Бүгінгі таңда электрэнергиясын пайдаланып жұмыс жасамайтын халық шаруашылығының бірде-бір саласы жоқ.

Электр энергиясын тұтынушылардың жұмыс жасау ерекшелігі, яғни бір тәулік ішінде электр энергиясын тұтынуы өндіріс саласына, әр қондырғының жұмыс жасау ерекшелігіне т.б. көптеген жағдайларға тәуелді болуына байланысты, электр энергиясын тұтыну графигі бір тәулік ішінде біркелкі болмайды. Электр энергиясын пайдаланудың ең көп және ең аз шамаларының арасындағы айырым көп болған жағдайда, мұндай электр жүйесінің сенімді жұмыс жасауын қамтамасыз ету үшін көнтеген шаралар іске асырылуы қажет. Электр энергиясына деген мұқтаждық артқан уақытта, яғни электр энергиясын тұтынушылар жаппай жұмыс жасайтын уакытта, электр жүйесіне қосылған барлық электр станциялар бар қуатымен электр энергиясын өндіруге мәжбүр болады, ал электр энергиясына деген мұқтаждық азайған уақытта, яғни электр энергиясын тұтынушылардың үлкен тобы жұмыстарын тоқтатқан уақытта, электр станциялары да өздерінің қуатын азайтулары қажет, бұл біраз генераторлар жұмыстарын тоқтатуға мәжбүр болады деген сөз.

Біз жоғарыда жылу және атом электр станцияларының генераторлары жұмыстарын тоқтатып және қайтадан іске қосылуы үшін 3—6 сағ уақыт қажет дедік. Демек, бұл станциялармен бір тәулік ішінде өндірілетін электр энергиясының мөлшерін реттеп отыру мүмкін емес. Сондықтан энергия жүйесінің сенімді жұмыс жасауы үшін оның кұрамында міндетті түрде маневрлі жұмыс жасайтын су электр станциялары да болулары қажет. Себебі, су электр станцияларының генераторлары бірер минуттың ішінде ғана өз жұмыстарын тоқтатып, қайтадан электр энергиясын өндіре алады.

Энергия жүйесі куатының өсуі жәнс тұтынушылардың саны мен түрінің өзгеруі, электр энергиясын тұтыну графигіне елеулі әсер етуде. Мұндай өзгерістер бір тәулік ішінде электр энергиясын өндіруді тек су электр стаңцияларымен ғана реттеудің аса қиындыққа соғатынын байқатады. Себебі, бір жағынан өзеннің су арнасының деңгейі табиғат жағдайына тәуелді болса, екінші жағынан кейінгі уакытта су электр станцияларында аса куатты су генераторлары орнатылуда. Ал оларда өндірілген электр энергиясы ең арзан және коршаған ортаға тигізер зиянды әсері аз болуына байланысты, мүмкіндігінше олардың үздіксіз жұмыс жасауы қарастырылады. Ал артық өндірілген электр энергиясын басқа бір энергия түрі ретінде шоғырландырып, оған мұқтаждық туған уақытта жиналған энергиядан кайтадан электр энергиясын өндіру мүмкіншілігін туғызатын бір кондырғының өмірге келуін талап етті.

Ұзақ ізденістерден кейін су электр станциясының жаңа түрі—су қорын жинайтын су электр станциясы— СуҚЖЭС дүниеге келді.

СуКЖЭС-ын қайтымды су электр станциясы деп те айтуға болады. Оның СуЭС-нан айырмашылығы — жоғарғы және төменгі су бассейндерінің болуы. Тәуліктің қай уақытында болмасын, электр энергиясы оны тұтынушыларға кажетті мөлшерден артық өндірілген уақытта, ол электр энергиясын пайдаланып, төменгі бассейннен жоғары бассейнге су қотарады. Ал энергия жүйесінде электр энергиясына тапшылық сезілгенде, ол СуЭС сияқты жұмыс жасап, кажетті электр энергиясын өндіреді, яғни су жоғарғы бассейннен төменгі бассейнге өтеді.

Алғашқы СуҚЖЭС-ларда электр энергиясын өндіру үшін турбиналар мен генераторлар, ал төменгі бассейннен жоғарғы бассейнге су қотару үшін электр козғалтқышы мен сорғы пайдаланылды. Мұндай станциялар орнатылған кондырғылардың санына қарай — төрт машиналы станция деп аталады. Генератор мен сорғының бір-бірінен тәуелсіз жұмыс жасауы кей уақытта осындай төрт машиналы станцияның тиімді жұмыс жасауына себепкер болады. Генератор мен қозғалткыштың жұмысын қоса атқару мүмкіндігінің тууы, үш машиналы СуКЖЭС салу жағдайын туғызды.

Әрі турбина, әрі сорғы жұмысын атқаратын қайтымды су турбинасы жасалуына байланысты, СуҚЖЭС айтарлықтай тиімділікпен жұмыс атқара бастады. Станцияға тек екі ғана машина қойылатын болды.

3.18 суретте СуҚЖЭС-ның қарапайым схемасы көрсетілген. Турбина-сорғы агрегаты козғалткыш-сорғы ретінде де, су турбинасы генератор ретінде де жұмыс атқара алады. СуҚЖЭС кұрылысына СуЭС-на қарағанда молырақ қаржы жұмсалады. Егер де жер кұрылысы әр түрлі деңгейдегі екі су қоймасын салуға қолайлы болса, онда оны салу біршама арзанға түседі.

СуҚЖЭС-ның пайдалы әсер коэффициенті 70% мөлшерінде болғанымен, оның ерекше бір тиімділігі — ол қуатты энергия жүйелерінің тұрақты да сенімді жұмыс жасауын қамтамасыз етеді.

Қазіргі уақытта дүние жүзінде жалпы куаты 70 ГВт (70 млн. кВт) 240-тан аса СуҚЖЭС жұмыс жасап тұр. Сонымен біpгe, жалпы қуаты шамамен 13 ГВт 16

СуҚЖЭС салынып жатыр және куаты 12 ГВт-тан асатын 18 СуҚЖЭС салынбақшы.

АҚШ-та жалпы қуаты 15,5 ГВт 36, Жапонияда куаты 12,8 ГВт 23, Италияда қуаты 11,8 ГВт 32, Испанияда қуаты 8,3 ГВт 30 СуКЖЭС-лары энергия жүйелерінің тұрақты жұмыс жасауын қамтамасыз етіп тұр.

ТМД-да қуаты 1,2 ГВт Загорск СуҚЖЭС-ы толық қуатымен жұмыс жасап тұр, ал қуаты 1,6 ГВт Каневск, 1,8 ГВт Ташлыкс, 16,6 ГВт Қайшадарск СуҚЖЭС-ларының жобалары жасалуда.