Состояние и перспективы использования энергии малых ГЭС

 

 

 

Кафедра технологии важнейших отраслей промышленности

 

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

 

по дисциплине: Основы энергосбережения

на тему: Состояние и перспективы использования энергии малых ГЭС.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………………….3

 

1. Описание  и принцип работы МГЭС…………………………………………….4

 

2. Использование МГЭС в РБ………………………………………………………7

 

3. Проблемы МГЭС и пути их решения…………………………………………..11

 

4. Новый  взгляд на гидроэнергетику……………………………………………...13

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………………………………..15

 

СПИСОК  ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ………………………………..16

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Как источник энергии реки в Беларуси использовали издавна – на них  сооружались водяные мельницы и  различные гидросиловые установки, задействовавшиеся, в частности, на лесопилках. Чтобы нарастить рекам  «мускулы», возводились простейшие плотины, позволявшие «подпереть»  воду на высоте 23 метров.

До начала Великой Отечественной  войны на территории республики действовало  более тысячи водяных мельниц. Часть  из них позже трансформировали в  небольшие гидроэлектростанции. В  послевоенные годы средняя мощность строившихся в Беларуси ГЭС постепенно увеличивалась – от 30 кВт до 120 кВт.

В 1950-1960 годы в республике было построено более 170 небольших ГЭС общей мощностью около 20 тысяч кВт с годовой выработкой электроэнергии в средний по водности год 88 миллионов кВт·ч.

Малые гидроэлектростанции неплохо  потрудились на колхозы и совхозы. В 1959 году сельское хозяйство Беларуси получало от ГЭС 20 процентов всей потребляемой им электроэнергии. Но как только у  сельских потребителей появилась возможность  подключиться к государственным  энергосистемам, дальнейшее развитие малой гидроэнергетики оказалось  нецелесообразным. Большинство микроГЭС (до 100 кВт), принадлежавших в основном колхозам, было выведено из эксплуатации.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Описание  и принцип работы МГЭС

 

Малая гидроэлектростанция или  малая ГЭС (МГЭС) — гидроэлектростанция, вырабатывающая сравнительно малое  количество электроэнергии. Это электростанция, которая в качестве источника энергии использует энергию водного потока. Гидроэлектростанции обычно строят на реках, сооружая плотины и водохранилища.

Для эффективного производства электроэнергии на ГЭС необходимы два основных фактора: гарантированная обеспеченность водой  круглый год и возможно большие  уклоны реки, благоприятствуют гидростроительству каньонообразные виды рельефа.

 

Особенности МГЭС:

 

• Себестоимость электроэнергии МГЭС более чем в два раза ниже, чем на тепловых электростанциях.
• Генераторы МГЭС можно достаточно быстро включать и выключать в зависимости от потребления энергии
• Возобновляемый источник энергии
• Значительно меньшее воздействие на воздушную среду, чем другими видами электростанций
• Строительство МГЭС обычно более капиталоёмкое
• Часто эффективные МГЭС более удалены от потребителей
• Водохранилища часто занимают значительные территории, но, примерно, с 1963 г. начали использоваться защитные сооружения, которые ограничивали площадь водохранилища, и, как следствие, ограничивали площадь затопляемой поверхности (поля, луга, поселки).
• Плотины зачастую изменяют характер рыбного хозяйства, поскольку перекрывают путь к нерестилищам проходным рыбам, однако часто благоприятствуют увеличению запасов рыбы в самом водохранилище и осуществлению рыбоводства.

 

Гидроэлектростанции делятся в  зависимости от максимального использования  напора воды на:

• высоконапорные — более 60 м;
• средненапорные — от 25 м;
• низконапорные — от 3 до 25 м.

 

В зависимости от напора воды, в  гидроэлектростанциях применяются  различные виды турбин. Для высоконапорных — ковшовые и радиально-осевые турбины  с металлическими спиральными камерами. На средненапорных МГЭС устанавливаются  поворотнолопастные и радиально-осевые турбины, на низконапорных — поворотнолопастные турбины в железобетонных камерах. Принцип работы всех видов турбин схож — вода, находящаяся под  давлением (напор воды) поступает  на лопасти турбины, которые начинают вращаться. Механическая энергия, таким  образом, передается на гидрогенератор, который и вырабатывает электроэнергию. Турбины различаются некоторыми техническими характеристиками, а также  камерами — железными или железобетонными, и рассчитаны на различный напор  воды.

В гидроэлектрические станции, в зависимости  от их назначения, также могут входить  дополнительные сооружения, такие как  шлюзы или судоподъемники, способствующие навигации по водоему, рыбопропускные, водозаборные сооружения, используемые для ирригации и многое другое.

 

Принцип работы:

 

Принцип работы МГЭС достаточно прост. Цепь гидротехнических сооружений обеспечивает необходимый напор воды, поступающей  на лопасти гидротурбины, которая  приводит в действие генераторы, вырабатывающие электроэнергию.

Необходимый напор воды образуется посредством строительства плотины, и как следствие концентрации реки в определенном месте, или деривацией — естественным током воды. В  некоторых случаях для получения  необходимого напора воды используют совместно и плотину, и деривацию.

Непосредственно в самом здании гидроэлектростанции располагается  все энергетическое оборудование. В  зависимости от назначения, оно имеет  свое определенное деление. В машинном зале расположены гидроагрегаты, непосредственно  преобразующие энергию тока воды в электрическую энергию. Есть еще  всевозможное дополнительное оборудование, устройства управления и контроля над  работой ГЭС, трансформаторная станция, распределительные устройства и  многое другое.

Мощность ГЭС напрямую зависит  от напора воды, а также от КПД  используемого генератора. Из-за того, что по природным законам уровень  воды постоянно меняется, в зависимости  от сезона, а также еще по ряду причин, в качестве выражения мощности гидроэлектрической станции принято  брать цикличную мощность. К примеру, различают годичный, месячный, недельный  или суточный циклы работы гидроэлектростанции.

Ценность гидроэлектрической станции  состоит в том, что для производства электрической энергии, они используют возобновляемые природные ресурсы. Ввиду того, что потребности в  дополнительном топливе для ГЭС  нет, конечная стоимость получаемой электроэнергии значительно ниже, чем  при использовании других видов  электростанций [1].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Использование МГЭС в РБ

 

До сих пор нет общепринятого  понятия малой гидроэлектростанции (МГЭС). В большинстве государств в качестве основной характеристики принята установленная мощность ГЭС. Чаще всего – как, например, в Австрии, Германии, Испании, Польше и ряде других стран – к МГЭС причисляют гидроэнергетические установки, мощность которых не превышает 5 МВт. В Латвии и Швеции эта планка снижена  до 2 МВт, а в Греции, Ирландии и  Португалии, наоборот, повышена до 10 МВт.

В США после того, как там начали стимулировать развитие малой гидроэнергетики, верхний предел мощности, характеризующий  МГЭС, поэтапно увеличивался и в 1980 году достиг 30 МВт. Советский Союз, стремившийся ни в чем не уступать заокеанской  супердержаве, и здесь не отстал: в 1986 году был утвержден СниП, в  соответствии с которым к малым  были отнесены ГЭС с установленной  мощностью до 30 МВт при диаметре рабочего колеса турбины до 3 метров.

Нижним же пределом мощности МГЭС принято считать 0,1 МВт. Если меньше, то это уже микроГЭС.

В Беларуси, согласно Постановлению  СМ РБ от 24 апреля 1997 №400  «О развитии малой и нетрадиционной энергетики», был установлен двойной тариф  на вырабатываемую МГЭС электроэнергию, которую закупает концерн «Белэнерго». А малыми считаются ГЭС с установленной  мощностью до 6 МВт.

В Белоруси до создания единой Белорусской  энергетической системы существовало 179 малых ГЭС, которые обеспечивали электроэнергией сельское хозяйство, после — большинство из них  было заброшено, а сейчас делаются попытки  воссоздать их [2].

В настоящее время в Беларуси начато восстановление и строительство  МГЭС. Некоторые из белорусских МГЭС:

 

• Вилейская ГЭС — малая гидроэлектростанция Белоруссии. 1-я очередь станции введена в эксплуатацию в 1997, 2-я очередь — в 2002 году. Расположена на реке Вилия, на плотине Вилейского водохранилища. Мощность 2000 кВт. Находится на балансе «Минскводоканала». При строительстве 1-ой очереди установлены две турбины типа ГА-8 мощностью по 500 кВт каждая, при строительстве 2-ой очереди — ещё две турбины типа ГА-8 мощностью по 500 кВт каждая. Работы исполняли «Минскводоканал», «Малая энергетика», «Минскводстрой».

 

• ГЭС «Дружба народов» (Дрисвятская ГЭС) — бывшая малая гидроэлектростанция в Браславском районе Витебской области. Расположена на реке Прорве между озёрами Ставок и Оболев.

21 ноября 1951 года в деревне Дрисвяты  прошло собрание представителей  трёх соседних колхозов: имени  Молотова Видзовского района  БССР, имени Мицкевича Дукштаского  района ЛитССР и имени Свердлова  Гривского района ЛатССР, на котором  было принято решение о строительстве  общими силами межколхозной ГЭС.

19 июля 1953 году состоялось торжественное  открытие ГЭС «Дружба народов»  в присутствии 20 тыс. человек  и правительственных делегаций  трёх союзных республик. 

В настоящее время ГЭС не эксплуатируется  и сохраняется в законсервированном состоянии.

 

• Зельвенская ГЭС — малая гидроэлектростанция в Белоруссии на водохранилище Зельва. Введена в эксплуатацию в декабре 2006 года. Установленная мощность 150 кВт, ежегодная выработка электроэнергии в средний по водности год около 0,5 млн кВт·ч.

 

• Лепельская ГЭС — малая гидроэлектростанция Белоруссии. Расположена на реке Улла. Введена в эксплуатацию в 1958 году. Прервала выработку электроэнергии в начале 1970-х гг. и была заброшена. Реконструирована и опять введена в эксплуатацию 18 октября 2003 г. Мощность 320 кВт. Годовая выработка электроэнергии около 2 млн кВт·ч, что обеспечивает половину потребности в электроэнергии города Лепеля.

Строительство началось в 1958. Реконструкция  началась в 2001 году, были заменены два  генератора мощностью по 160 кВт каждый, кабельная система и система  автоматики. Две шахтные турбины  с вертикальным валом системы  «Френсис», производства фирмы «Фойт», установленные на ГЭС в 1950-х годах  были признаны исправными к эксплуатации. Планируемый срок службы восстановленной  электростанции не менее чем 25 лет.

 

• Новосёлковская ГЭС — малая гидроэлектростанция в Гродненской области, расположенная на реке Молчадь. Мощность 200 кВт. Восстановлена в 2002 году. Работы выполняли РУП «Гродноэнерго» и ООО «Малая энергетика». Оснащение смешанное: старые турбины (1950-х годов) и новые генераторы.

 

• Осиповичская ГЭС — малая гидроэлектростанция в Белоруссии. Наиболее крупная ГЭС в стране. Расположена на реке Свислочь. Введена в эксплуатацию 23 ноября 1953, выработку электроэнергии не прекращала. Проектная мощность 2,175 МВт. Обычная мощность 1,200 МВт. Годовая выработка электроэнергии — около 10 млн кВт·ч, что достаточно для обеспечения социально-бытовой потребности в электроэнергии города Осиповичи. Строительство началось в ноябре 1946 г. ГЭС имеет три турбины мощностью 725 кВт каждая. Обычно работают две турбины, третья включается во время наводнения или большого количества осадков. Обслуживает ГЭС 14 человек.

 

• ГЭС «Путь к коммунизму» — ныне не функционирующая малая гидроэлектростанция в Белоруссии, в Браславском районе Витебской области. Расположена на реке Дрисвята между озёрами Долгое и Верхнее.

 

• Рачунская МГЭС: рачунское водохранилище иногда называют Снигянским водохранилищем — водохранилище в Белоруси, в Сморгонском районе Гродненской области, на реке Ошмянка. Построено для энергетических целей в 1958 году путём перекрытия долины реки у деревни Малые Рачуны плотиной.

Рачунская гидроэлектростанция введена  в эксплуатацию в 1959 году, функционировала  до 1977 года, после чего была заброшена. В 1999—2001 годах была произведена  реконструкция ГЭС — демонтированы  турбины и направляющие аппараты, полностью разобрано оборудование, заменены изношенные детали, установлены  новые генераторы. Работы выполняла  НПО «Малая энергетика» и «Гродноэнерго». После монтажа и наладки отремонтированного оборудования, 5 февраля 2001 года, Рачунская  ГЭС мощностью 200 кВт была введена  в эксплуатацию. В 2004 году дополнительно  установлена турбина типа ГЭУ-100, мощностью 100 кВт, производства ООО  «Промышленный союз — Энергия». Годовая выработка электроэнергии — 1,5 млн. кВт·часов.

 

• Солигорская ГЭС — малая гидроэлектростанция Белоруси. Построена согласно решению Минского облисполкома от 7 февраля 2002 года. Введена в эксплуатацию 12 января 2007 года. Здание ГЭС и турбинная камера расположены на левом берегу реки Случь в нижнем бьефе плотины Солигорского водохранилища. Мощность 150 кВт. Годовая выработка электроэнергии ~1 млн кВт·ч, что достаточно для обеспечения ~2,5 тыс. человек. ГЭС имеет две турбины мощностью по 75 кВт каждая, производства ООО «Промышленный союз-Энергия» (Гродно). Проектная документация разработана «Белгипроводхозом». Строительные работы, начатые в декабре 2005, были выполненны ПМК-79 ОАО «Солигорскводстрой», общая цена работ составила 0,9 млрд белорусских рублей (в ценах 2007). Общая цена оснащения — 0,22 млрд рублей (2007). Общая цена ГЭС — 1,24 млрд рублей (2007). Планируемый срок окупаемости — 6—8 лет [1].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Проблемы МГЭС и пути их решения

 

Экономические расчёты показывают, что затраты на эксплуатацию и  содержание участка нетрадиционной энергетики достаточно велики, что  снижает эффективность работы МГЭС.

 

Основные причины:

 

•  большое количество оборудования, отработавшего более 40-50 лет, требующего постоянного контроля;

 

• небольшое количество МГЭС;

 

• малые мощности и, как следствие, сравнительно небольшая выработка электроэнергии;

 

•  относительно большая численность  эксплуатационного и ремонтного персонала МГЭС и гидросооружений, обусловленная необходимостью выполнения работ по подготовке к паводку  и его пропуску, постоянной чисткой  сороудерживающих решёток от мусора и шуги в зимнее время.

 

Для сокращения численности персонала  необходимо все малые ГЭС перевести  в автоматизированный режим. Для  этого необходимо выполнить целый  ряд мероприятий, требующих значительных средств. Например, для перевода Новосёлковской ГЭС в автоматизированный режим  необходимо:

 

•  заменить конденсаторные батареи  с номинальным напряжением 400 В  на 630 В;

 

• установить АВР и заменить устаревшие масляные выключатели вакуумными на РП-10 кВ "Новосёлки", к которому подключена ГЭС;

 

• для защиты генераторов и турбин от повреждений при исчезновении напряжения на ГЭС и несрабатывания обечайки направляющего аппарата необходимо предусмотреть немедленное автоматическое закрытие шахт турбин затворами;

 

• изготовить и установить автоматические тормоза для остановки генераторов  в аварийных режимах;

 

• установить датчики давления на сороудерживающих решётках для контроля их загрязнения;

 

•  установить датчики: уровня воды, контроля нагрева контактных соединений на автоматах и контакторах вводов, контроля нагрева подшипников генераторов, контроля биения валов генераторов  и турбин.

 

Аналогичная ситуация складывается и  на других ГЭС.

С целью улучшения показателей  эффективности работы МГЭС в Гродноэнерго" разработана специальная программа  мероприятий по переводу МГЭС в автоматический режим, предусматривающая вывод  автоматического управления и контроля работы ГЭС на пульт диспетчера РЭС.

Персонал МГЭС после их автоматизации  будет работать в линейных бригадах РЭС [2].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Новый взгляд на гидроэнергетику

 

Гидроэнергетика, которая по праву  считается одним из самых экологически чистых способов выработки электроэнергии, тем не менее, имеет ряд недостатков.

Как правило, местное население, проживающее  в непосредственной близости от места  предполагаемого строительства  ГЭС, не разделяет энтузиазма энергетиков  и этому есть свое объяснение. Строительство  плотины неизбежно вызовет затопление части территории вверх по течению  реки. Под водой могут оказаться  целые населенные пункты, объекты  культа и плодородные земли.

Помимо этого, создание искусственного водохранилища неизбежно приведет к поднятию уровня грунтовых вод, что в конечном итоге может  до неузнаваемости изменить местный  ландшафт: там, где рос лес, теперь болото с мертвыми деревьями. Не позавидуешь  и тем, кто живет ниже плотины. В зависимости от количества осадков  и наличия снега, ставни то поднимают, то опускают, изменяя скорость течения. Такие действия ведут к вымыванию  грунта, и река в нижнем течении  мелеет, естественные изгибы русла  спрямляются. Последнее обстоятельство подрывает способность реки к  самоочищению.

Более того, во время засухи ставни могут полностью опустить, течение  исчезнет, и река ниже плотины превратится  в болото. Это далеко не все подводные  камни производства дешевой электроэнергии.

Кроме того, плотина часто становится непреодолимой преградой для  нерестовых миграций рыбы.

Оригинальный проект, разработанный  австрийским изобретателем Францем  Цотлётерером (Franz Zotloterer), направлен на минимизацию этих негативных последствий строительства ГЭС. Специалист решил применить принципиально новый подход к использованию энергии движущейся воды, предложив проект "Техника водоворота" (Wasserwirbeltechnik).

Руководствуясь принципами экономической  и экологической целесообразности, он решил, что перегораживать плотиной всю реку будет нецелесообразно  и даже вредно. Взамен он предложил  часть потока вблизи одного из берегов  направлять в специальный канал, отводящий воду непосредственно  к плотине.

Кстати, в проекте австрийца  плотина перестала быть валом  и превратилась в бетонный цилиндр. К такой плотине вода поступает  по касательной, всей своей мощью  обрушиваясь в глубину в центре. Таким образом, в центре цилиндрической плотины образуется водоворот, который  приводит в движение лопасти турбины.

У мини-ГЭС, построенной по австрийской  технологии, уже нашли множество  преимуществ. Так, КПД преобразования энергии падающей воды в электричество  составил 73%, и это при том, что  специалист использовал не самый  совершенный электрический генератор. Первый ток в общественную энергосеть экспериментальная станция начала давать уже в сентябре 2005-го, а  на непрерывный режим работы вышла  в марте 2006-го.

За первый год непрерывной работы с помощью австрийской разработки, воплощенной в мини-ГЭС на малой  речке, выработано более 50 мегаватт-часов  энергии. При этом рабочий перепад  уровней воды составлял в среднем  в 1,3 метра при расходе 1 кубометр в секунду. Мощности этой мини-станции (9,5 киловатт) хватит на 10-15 коттеджей, при  условии неравномерности уровня потребления.

Эксперты отмечают низкую скорость вращения турбины, лопасти которой  не представляют опасности для рыбы, попавшей в водоворот – они  не рассекают воду, а поворачиваются синхронно с водоворотом.

ГЭС водоворотного типа хорошо аэрируют воду, чем способствуют жизнедеятельности  микроорганизмов, которые играют первостепенную роль в естественной самоочистке  воды. Таким образом, водоворотные станции  являются катализатором естественных процессов, происходящих в обычной  реке, которая как правило имеет  извилистое течение. Стоит отметить, что в спрямлённых руслах каналов  и водохранилищ почти статичное  течение приводит к исчезновению аэрации воды и потере способности  к самоочищению. Кроме этого, использование  принципа водоворота способствует терморегуляции в водоёме и не дает возникнуть термоклину.

ГЭС австрийского типа могут успешно  работать в условиях низких температур, являясь при этом более ремонтопригодными, более простыми в обслуживании, чем  традиционные ГЭС. Немалую роль играет и ценовой фактор. Стоимость оборудования и монтажа приведенной на иллюстрациях станции составила $75 тысяч, что дешевле, чем аналогичная по мощности мини-ГЭС  классического образца.

Изобретатель уверен, что предложенная им схема наиболее оптимальна для  возведения ГЭС мощностью до 150 киловатт. Данная конструкция не требует большого перепада высот и начинает показывает высокий КПД уже при перепаде уровня воды в 70 сантиметров.

В Беларуси австрийский опыт пришелся бы весьма кстати и, наверное, в перспективе  мог бы похоронить планы строительства  собственной АЭС [2].

 

 

 

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

Максимальное количество малых  гидроэлектростанций (МГЭС) в Беларуси было зафиксировано в 1960 году - в  эксплуатации находились 64 МГЭС установленной  мощностью 12,8 МВт, в том числе 46 станций  мощностью 2,79 МВт на балансе колхозов и совхозов. Эксплуатация малых ГЭС  в 60-х годах затруднялась отсутствием  производства необходимого отечественного оборудования и материалов, поэтому  практически все МГЭС колхозов и  совхозов, отработав свой ресурс, были списаны, а новые не строились.

В настоящее время на балансе  энергосистемы Беларуси находятся 18 гидроэлектростанций установленной  мощностью около 9,3 МВт. С учетом проведенных в 1989-1991 годах обследований всех малых ГЭС определены 23 станции, восстановление которых возможно. Согласно Программе проектирования, восстановления, реконструкции и нового строительства  малых ГЭС, утвержденной Минтопэнерго Беларуси в 1996 году, в 1997-2010 годах предусмотрено  восстановить и построить 29 ГЭС.

Оценка экономического гидроэнергопотенциала  наших рек показала, что в Беларуси выгодно строить ГЭС, если удельные капитальные вложения на 1 кВт ее установленной мощности не превышают 2750 долларов США. У страны есть и  гидропотенциал, и большой опыт. Поэтому не приемлемо гидроэнергетику  называть нетрадиционным источником энергии. Более традиционного источника  энергии, чем ГЭС, в том числе  и МГЭС, нет.

В современных условиях Беларуси использование  энергии течения рек представляется перспективным путём решения  проблемы уменьшения зависимости энергетики республики от импорта топлива, что  также будет способствовать улучшению  экологической обстановки в стране.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

 

1. http://ru.wikipedia.org [1]

 

2. http://reenergy.by [2]

 

3. «Основы энергосбережения» учебное пособие, М.В. Самойлов, В.В. Паневчик, А.Н. Ковалев