Общая энергетика

произвольно. Они зависят от числа пар полюсов ротора генератора и частоты переменного тока, которая должна соответствовать стандартной (50–60 Гц). Кроме того, необходимо учитывать, что при небольших частотах вращения турбины получаются громоздкими и дорогими. Чтобы получить скорости агрегатов, близкие к оптимальным, при больших напорах используют турбины с малыми значениями коэффициента быстроходности, а при небольших напорах – с большими значениями.

Разнообразие природных условий, в которых сооружаются ГЭС, определяет разнообразие конструктивного исполнения турбин. Мощности турбин могут быть от нескольких киловатт до 640 МВт, а частота вращения – от 16,6 до

1500 об/мин.

В некоторых случаях можно применять турбины различных видов на выбор. Так, при напорах 50–70 м могут быть приняты и осевые, и диагональные, и радиально-осевые турбины. Выбор оптимального решения производится на основании технико-экономических сопоставлений различных вариантов.

4.5.2. Гидрогенераторы

Гидравлическим генератором называется машина, преобразующая механическую энергию вращения гидротурбины в электрическую энергию.

Эти машины приводятся во вращение, как правило, сравнительно тихоходными гидравлическими турбинами, частота вращения которых составляет 50–500 об/мин. Поэтому гидрогенераторы имеют большое число полюсов статической обмотки и явнополюсной обмотки. Диаметр ротора достигает у мощных машин 16 м при длине 1,75 м (в генераторах мощностью 590–640 МВА), т.е. для таких генераторов,

191

у которых отношение длины ротора к диаметру составляет

0,11–0,20.

Гидрогенераторы мощностью свыше нескольких десятков мегавольт-ампер имеют вертикальное расположение вала, гидрогенераторы с меньшей мощностью – обычно горизонтальное расположение вала.

Вверхней части гидрогенератора на одном с ним валу обычно устанавливают вспомогательные машины – возбудитель генератора с подвозбудителем и дополнительный синхронный генератор, предназначенный для питания электродвигателей автоматического регулятора турбины.

Вконструкции гидрогенераторов с вертикальным расположением вала весьма ответственной частью является упорный подшипник (подпятник), который воспринимает массу роторов генератора и турбины, давление воды на лопасти турбины, а также динамические усилия. Подпятник состоит из вращающегося диска (пяты), укрепленного на роторе, который посредством ряда сегментов (сухарей) опирается на стальной диск, установленный в корпусе подпятника. Сегменты покрывают слоем антифрикционного сплава (баббита), а корпус заполняют маслом, которое создает жидкостное трение в подпятнике и служит охлаждающей средой, обеспечивающей отвод образующейся теплоты к водяному маслоохладителю.

Взависимости от расположения подпятника гидрогенераторы подразделяют на подвесные и зонтичные (рис. 4.8).

192

Рис. 4.8. Конструктивные схемы подвесного (а) и зонтичного (б) гидрогенераторов: 1 – верхняя крестовина; 2 – подпятник; 3 – направляющие подшипники; 4 – ротор; 5 – статор; 6 – нижняя крестовина; 7 – фланец вала; 8 – турбина; 9 – фундамент; 10 – направляющий подшипник турбины

Вподвесных гидрогенераторах подпятник располагает-

ся над ротором генератора на верхней крестовине, а один или два направляющих подшипника – под ним; при этом весь турбоагрегат подвешен на подпятнике к этой крестовине

(см. рис. 4.8, а).

Взонтичных гидрогенераторах подпятник располагают под ротором на нижней крестовине или на крышке турбины,

агенератор – над подпятником в виде зонта. Крестовины представляют собой мощную опорную конструкцию, состоя-

щую из центральной втулки и ряда радиальных балок (см. рис. 4.8, б). Быстроходные гидрогенераторы обычно выполняют подвесного типа, а тихоходные – зонтичного.

В последнее время стали применяться горизонтальные агрегаты (капсульные), у которых генератор заключен в герметичную капсулу, обтекаемую водой. Благодаря лучшим гидравлическим условиям обтекания КПД таких агрегатов больше 95 %.

Промышленность РФ выпускает различные типы гидрогенераторов мощностью до 640 МВА.

Для того чтобы уменьшить габариты, массу и стоимость гидрогенераторов в машинах большой мощности, применяют непосредственное охлаждение обмоток статора, ротора и сердечника статора дистиллированной водой. При тех же основных размерах мощность гидрогенератора с водяным охлаждением можно увеличить более чем в 2 раза по сравнению с гидрогенератором, имеющим поверхностное воздушное

охлаждение.

193

Непосредственное водяное охлаждение обмоток статора и ротора осуществляется так же, как в турбогенераторах – путем пропускания воды через полые проводники обмоток. Сердечник статора охлаждается водой, циркулирующей по трубам, которые проходят сквозь отверстия в листах непосредственного охлаждения.

В последнее десятилетие появились принципиально новые вращающиеся машины системы Powerformer, представляющие собой генераторы, которые работают на значительно более высоких, чем обычные генераторы, напряжениях. Они подключаются непосредственно к сети до 110 кВ и выше. Эти разработки проводятся шведскими отделениями компании АВВ и опробуются на электростанциях в Швеции.

Непосредственное соединение генератора с электрической сетью дает возможность:

•снизить активные потери в шинопроводах, распределительном устройстве и повышающем трансформаторе;

•повысить КПД системы Powerformer на 0,5–0,2 %;

•уменьшить реактивную составляющую мощности за счет исключения трансформатора, наличие которого уменьшает коэффициент мощности и снижает полезную мощность генератора;

•сократить число компонентов схемы: исключаются выключатель, шины и трансформатор среднего напряжения,

атакже соответствующие измерительные трансформаторы;

•повысить коэффициент готовности вследствие сокращения числа компонентов схемы и высокой надежности самого генератора;

•снизить расходы на обслуживание благодаря меньшему числу компонентов схемы и тому, что Powerformer сам по себе не требует большого ухода;

•проектировать электростанцию более компактно, сократив тем самым объемы строительных работ.

194

4.6.Природоохранные проблемы гидроэнергетики

иих учет при проектировании ГЭС

Проектирование гидроэлектростанций должно вестись на основе предварительно разработанных схем комплексного использования водных ресурсов речного бассейна, включающих в себя природоохранные мероприятия и схемы энергетического использования водотока. Все вопросы размещения хозяйственных отраслевых объектов и объемов их водопотребления должны быть взаимоувязаны и согласованы. При отсутствии таких схем по какому-либо водотоку недопустимы проектирование и строительство частных объектов, использование водных ресурсов и освоение водосбора его бассейна.

Еще на стадии проектирования производственных, сельскохозяйственных, коммунально-бытовых предприятий и объектов на водосборах водохранилищ, прилегающих к ним участках и притоках необходимо провести модельные имитационно-оптимизационные расчеты для установления роли этих объектов в загрязнении водотока и обоснования их основных экологически приемлемых параметров.

При проектировании гидроузлов и водохранилищ (выборе отметки НПУ, зеркала водохранилища и установления площади затопления) чрезвычайно важно сохранить поймы и пойменные земли, являющиеся, с одной стороны, исходной базой естественного и культурного кормопроизводства, а с другой – естественным биохимическим барьером реки, так называемым фильтром-очистителем. Решение этих вопросов достигается технико-экономическим обоснованием (ТЭО) выбора створа ГЭС, защиты пойменных земель путем обвалования и посредством специальных выпусков ГЭС и гидроузлов.

Перечень совершенных ошибок при строительстве ГЭС немал. Вот лишь несколько примеров, представляющих бедствия и экологические угрозы:

195

1.Новосибирская ГЭС отсекла большую часть нерестилищ, резко снизив промысловые уловы сибирского осетра (в 1999 году он занесен в Красную книгу России).

2.При строительстве Братской ГЭС в ложе водохранилища оставили строевую сосну, которая стала разлагаться, превратив водохранилище в мертвый водоем.

3.Сооружение на Енисее Красноярской и Саяно-Шу- шенской ГЭС привело к необратимым процессам: изменению микроклимата региона, нарушению водного и теплового баланса реки, созданию заторов льда во время ледохода по всей ширине реки.

4.Иркутская ГЭС построена в сейсмически активной зоне, в случае катастрофы разрушение ее плотины может привести к уничтожению ряда городов вдоль Ангары.

5.Многие города Сибири – Новосибирск, Красноярск, Иркутск и др. находятся ниже водохранилищ с высокими плотинами; природная катастрофа или диверсионный взрыв могут привести к мощному наводнению и разрушениям.

6.Сооружение на Волге каскада гидроэлектростанций превратило ее во многих местах в загнивающие озера.

Комплексная система охраны природы, предусматривающая ряд взаимосвязанных законов, порядок действия властных органов и субъектов хозяйства, а также систему ответственности и контроля, стала создаваться в России только в 1980-х годах и ее формирование еще не закончено. Тем не менее в стране уже разработана солидная законодательная база по регулированию земельных и водных отношений, по охране окружающей среды, по защите от вредных воздействий атмосферного воздуха, поверхностных и подземных вод, объектов растительного

иживотного мира. Разработан механизм принятия решений по

созданию различных объектов хозяйственной деятельности с учетом их воздействия на окружающую среду. Государственная экологическая экспертиза, действующая на основе закона РФ «Об экологической экспертизе» от 18.12.2006 № 232-ФЗ,

196

рассматривает проектные материалы, и только после ее положительного заключения может быть начато строительство любого объекта, включая гидроэнергетический объект.

Рассмотрим, как воздействуют гидроэнергетические объекты на окружающую среду и какие меры следует принимать для ее сохранения.

Геологическая среда. Воздействие водохранилища на геологическую среду проявляется, главным образом, в виде волновой берегопереработки и развития подтопления на прилегающей территории. Эти процессы зависят от морфометрических особенностей долины водотока и свойств геологических пород, слагающих берега водохранилищ. После образования водохранилища возможна активизация отдельных геологических процессов, которые фиксировались на территории и до создания водохранилища. К таким процессам относятся оползни, обвалы, просадки.

При создании водохранилищ в районах вечной мерзлоты за счет отепляющего воздействия их воды происходит размораживание бортов и сползание в водоем крупных массивов береговой линии, если она сложена мягкими грунтами.

При создании гидроузлов с напором более 100 м в горной местности в сейсмически опасных районах возникают явления так называемой наведенной сейсмичности. Заключаются они в том, что по контуру водохранилища увеличивается частота землетрясений, при этом расчетная величина сейсмичности, как правило, не меняется.

В проектах ГЭС с водохранилищами современного поколения составляется прогноз их воздействия на геологическую среду. В рамках этого прогноза в зависимости от конкретных условий изучаются те или иные явления и их последствия, исследуется также возможное воздействие водохранилища на месторождения полезных ископаемых, расположенных в зоне его влияния. На основании таких прогнозов в проекте на базе технико-экономических расчетов при-

197

нимаются решения о защите того или иного элемента геологической среды. Так, в проекте Нижнекамской ГЭС предусмотрены затраты на инженерную защиту месторождений нефти в Татарстане, в проекте Среднеенисейской ГЭС – инженерная защита Горевского полиметаллического месторождения.

Земельные ресурсы и наземные экосистемы. При соз-

дании водохранилищ и ГЭС происходит изъятие земель

всвязи с затоплением, волновой переработкой берегов, размещением объектов, выносимых из зон воздействия водохранилищ, а также земель для размещения основных сооружений, поселков строителей, производственных баз, карьеров, инженерных коммуникаций для строительства и эксплуатации гидроузлов.

Водохранилищами энергетического и комплексного назначения в Российской Федерации к настоящему времени затоплено порядка 4,5 млн га земли, или около 0,3 % общего земельного фонда государства. Этот показатель в Канаде составляет 0,6 %, а в США – 0,8 %.

Устойчивой тенденцией отечественной гидроэнергетики является снижение площади затоплений, приходящейся на 1 млн кВт∙ч вырабатываемой на ГЭС электроэнергии. Если

впрошедшие годы этот показатель в среднем составлял примерно 11–15 га на 1 млн кВт·ч, то по объектам, строящимся

внастоящее время или намечаемым на ближайшую перспективу, он не превышает по общим затоплениям 6 га, в том числе: по затоплениям сельхозугодий 1 га, лесопокрытых площадей 5 га. Сравнивая эти удельные показатели с аналогичными по

зарубежным объектам (общие затопления в США – 6,5, в Канаде – 6,9 га на 1 млн кВт∙ч), можно сделать вывод, что по изъятию земельных ресурсов современные отечественные

комплексные гидроэнергетические объекты сопоставимы с зарубежными.

198

Уменьшение воздействия на земельные ресурсы достигается за счет разбивки участка водотока на ступени энергетического использования. Создание ряда среднеили низконапорных гидроузлов вместо одного с высокой подпорной отметкой позволяет сократить площади затопления в несколько раз.

Другим направлением уменьшения воздействия водохранилищ ГЭС на земельные ресурсы является инженерная защита земель. Так, на Нижнекамском водохранилище уже осуществлена инженерная защита земель общей площадью 19,9 тыс. га, из которых под сельхозугодья предназначается использовать 16,6 тыс. га. На Чебоксарском водохранилище осуществлена инженерная защита 10 массивов земель (низин) площадью более 30 тыс. га земель, в том числе более 15 тыс. га сельхозугодий. На этих низинах созданы системы водоотвода и водопонижения, обеспечивающие оптимальный водно-воздушный режим почв для получения высоких урожаев. Защищено 7 городов и 16 сел и деревень.

Защитными дамбами и берегоукреплениями на Чебоксарском водохранилище предотвращена переработка берегов на расстоянии более 200 км. Защищены памятники архитектуры и истории: в Нижегородской области – Макарьево-Жел- товодский монастырь, основанный в 1435 году; в Чувашской Республике (г. Чебоксары) – Троицкий монастырь, храм Вознесения и Успенская церковь XVIII века; в Республике Марий Эл – Юринский (Шереметьевский) замок, церковь в Коротнях и др.

Для компенсации потерь и убытков, связанных с изъятием земель или утратой их свойств (зона подтопления), в сметах водохранилищ предусматриваются средства, которые определяются в соответствии с законодательными или директивными документами.

199

Животный мир. Воздействие гидроэнергетического объекта выражается в потере мест обитания за счет затопления и переработки берегов, изменении растительности в зоне подтопления, влиянии фактора беспокойства (коллектив строителей, карьеры, автодороги и т.п.). При проектировании водохранилища в специальном фаунистическом прогнозе определяются количественные показатели потерь животного мира, а также производится экономическая оценка этих потерь по специальным таксам.

Компенсационные средства, заложенные в смете водохранилища, в установленном порядке перечисляются соответствующим организациям, которые их реализуют на мероприятия по окультуриванию земель, улучшению их плодородия, на улучшение условий произрастания растений и на другие биотехнические мероприятия.

Водные экосистемы. Под воздействием водохранилища и работы ГЭС происходят определенные изменения в водной экосистеме. Речная экосистема уступает место озерной на участке водохранилища, а в нижнем бьефе, хотя и остаются речные условия, но и они существенно изменяются за счет перерегулирования стока. Все это в сочетании с природными условиями, а также со сложившимися на водотоке видами водопользования и принятыми в проекте мероприятиями по подготовке зоны водохранилища влияет в первую очередь на качество воды водохранилища и в нижнем бьефе.

В современных проектах водохранилищ составляется прогноз качества воды, где учитываются природные особенности водотока, влияние антропогенных источников загрязнения, внутриводоемных процессов (затопление почвы, древесины, торфяников и др.). Результаты прогноза качества воды представляются в виде гидрохимических и гидробиологических показателей. Оценка качества воды производится путем сравнения результатов прогнозов с предельно допустимыми концентрациями (ПДК) различных ингредиентов,

200