Гідроелектростанції для малих рік

З початку 20 ст. в Україні були побудовані МГЕС на багатьох малих річках. На кінець 1940-х -першу половину 50-х років чисельність малих гідроелектростанцій в Україні становила понад 950 із загальною встановленою потужністью 300МВт. Однак у зв'язку з розвитком централізованого електропостачання і тенденцією виробництва електроенергії на потужних ТЕС (ТЕЦ), ГЕС та АЕС, будівництво МГЕС в середині 60-х років минулого століття було майже повністю призупинено, а пізніше було припинено зовсім. Більшість існуючих малих ГЕС були згодом демонтовані, сотні з них зруйновані.

Виробництво електроенергії на малих гідроелектростанціях, незважаючи на вищу, порівняно з великими ГЕС, собівартість електроенергії дозволяє економити значні обсяги паливно-енергетичних ресурсів. Так, наприклад, Явірська ГЕС з досить невеликою встановленою потужністью — близько 450кВт, за рік дозволяє економити 800 тонн вугілля, яке спалила б теплова електростанція такої ж потужності. Крім того малі ГЕС не тільки виробляють електроенергію, вони захищають прилеглі населені пункти від повеней, сприяють їх нормальному водопостачанню, розвитку рибного господарства. До переваг малої гідроенергетики також слід віднести:

- виробництво майже без викидів СО₂;

- виробництво за необхідністю (пікова енергія);

- насосно-турбінний режим: зберігання та відновлення надлишкової енергії на мережі;

- енергія з необхідним регулюванням для забезпечення безпеки об᾽ єднанної енергосистеми з метою здійснення контролю над ріками.

Тому зрозуміло, що мала гідроелектрогенерація набула широкого розвитку у багатьох розвинутих країнах як Європи та і світу — у Швейцарії відсоток виробництва електроенергії на малих ГЕС становить 8, 3%, в Іспанії — 2, 8%, у Швеції — майже 3%, а в Австрії — 10%. Ще більш вражаючих показників вдалося досягти Китаю, близько 18-20% всієї електроенергії тут виробляють більше 80 тисяч малих ГЕС.

Досвід деяких держав свідчить, що освоєння потенціалу малих річок з використанням малих ГЕС і міні-ГЕС допомагає вирішити проблему поліпшення енергопостачання. Найбільш ефективними є малі ГЕС, які будуються на наявних гідротехнічних спорудах. За даними фірми " Елімс-Чалмерс" (США), питомі капіталовкладення для новоспоруджених ГЕС потужністю 10МВт становлять 1100 - 1400 $/кВт, потужністю до 1МВт - 6800 - 8700 $/кВт. Будівництво малої ГЕС потужністю 1МВт коштує від 0, 5 до 2 $ млн. Прибуток від неї становить $300 тис. на рік, а термін окупності капітальних вкладень - 2...6 років. Устаткування для малих ГЕС до сьогодні виробляють численні фірми США, Японії, Швеції, Швейцарії, Франції, Австрії, Великої Британії. Виробництво такого устаткування розпочато і в державах Східної Європи. Стандартизоване устаткування для малих ГЕС виробляється в широкому діапазоні параметрів: потужність - від 2 до 15000 кВт; діаметр робочого колеса турбіни - від 190 до 3000 мм; частота обертання - від 50 до 2000 об./хв.; напір - від 1 до 1000м, витрати води - від 0, 01 до 0, 75м³/с. Серйозну увагу приділяють підвищенню економічної ефективності малих ГЕС за рахунок спрощення їх проектування, будівництва та експлуатації, типізації проектних рішень, стандартизації устаткування та повної автоматизації роботи ГЕС.

В Україні нараховується понад 63 тис. малих річок і водотоків загальною довжиною 135, 8 тис. км, з них близько 60 тис. (95%) - дуже малі (довжина менше ніж 10 км), їхня сумарна довжина - 112 тис. км, тобто середня довжина такого водотоку - 1, 9 км. Більшість малих річок довжиною менше ніж 10 км мають площу водозбору від 20, 1 до 500 км² (87% всієї кількості і 72% всієї довжини малих річок України). Малих річок з площею водозбору від 50, 1 до 100 км² нараховується 890 (28% всієї кількості), а 797 річок (25%) мають площу водозбору 20, 1 - 50 км².

В Україні відновлення малої гідроелектрогенерації розпочалось лише на початку нового тисячоліття. Особливо сприяє даній тенденції впровадження в Україні «зеленого тарифу» (станом на поч.. 2015р. 6, 2грн/кВт).

Розвиток малої гідроенергетики України передбачає:

· оновлення та реконструкцію наявних і діючих міні-ГЕС;

· будівництво нових міні-ГЕС в районах децентралізованого енергопостачання;

· будівництво міні-ГЕС в регіонах централізованого енергопостачання на наявних перепадах водосховищ та водотоків;

· нове будівництво з концентрацією напору.

Рентабельність генерації і досить швидка окупність проектів (близько 5-7 років) зацікавила приватного інвестора. В Україні сьогодні працюють 150 малих ГЕС. Загальний обсяг електроенергії, що виробляється ними, не перевищує 800 млн кВт.год. на рік. Гідропотенціал же країни становить 8, 3 млрд кВт.год. Тобто використовується лише 10% існуючих можливостей.

Основною гідрологічною характеристикою є середній багаторічний стік, або норма річного стоку. Найбільшою водоносністю відрізняються річки Карпат, стік яких значною мірою залежить від висоти басейна. При використанні енергетичних ресурсів малих річок велике значення має стан льодоставу на річках взимку. Енергетичний потенціал малих річок України по областях - у табл. 4.2.

Мала енергетика України через її незначну питому вагу (0, 6%) в загальному енергобалансі не може суттєво впливати на умови енергозабезпечення країни. Однак експлуатація малих ГЕС дає можливість виробляти близько 800 млн. кВт*год електроенергії на рік, що еквівалентно щорічній економії до 200 тис. тонн дефіцитного органічного палива. За оцінками Світової енергетичної ради, економія органічного палива за рахунок малої гідроенергетики у загальному виробництві енергії на 2020 рік може складати 69 та 99 млн. т у.п. для відповідно мінімального та максимального варіантів розвитку.

За прийнятою класифікацією до малих форм гідроенергетики належать піко (до 5кВт), мікро- (від 5 до 100кВт), міні- (від 100 до 1000кВт) гідроелектростанції. На даний час в Україні створені проекти на спорудження сучасних автоматизованих малих ГЕС потужністю 0, 5...2, 0МВт з уніфікованим обладнанням і уніфікованими будівельними конструкціями. Розроблені стаціонарні і транспортабельні (рис. 4.8) мікро-ГЕС, які розраховані на роботу без постійного обслуговуючого персоналу.

Таблиця 4.2. Розподіл загального гідроенергетичного потенціалу малих рік по областях України

Стаціонарні ГЕС можуть працювати як за відсутності, так і наявності мереж централізованого електропостачання. У першому випадку ГЕС є автономною електростанцією, а в другому розрахована на віддачу надлишку електроенергії в енергосистему і фактично є підживленням ГЕС.

У гірських районах слід застосовувати конструкції ГЕС з дериваційною схемою використання водної енергії.

Одним з головних конструктивних елементів дериваційної МГЕС є водовід. З метою ефективного використання енергії водотоку дериваційні водоводи повинні забезпечувати пропуск необхідної кількості для роботу ГЕС води з якнайменшими втратами. Дериваційні водоводи можуть бути виконані по безнапірній або напірній схемі, які розглянуті раніше.

Для невеликих стаціонарних ГЕС, що встановлені в гірській місцевості, доцільні водоводи комбіновані із стаціонарних безнапірних залізобетонних лотків і напірних сталевих трубопроводів. Безнапірні лотки розміщують залежно від рельєфу місцевості: або на ґрунті, або на опорних конструкціях. Такі конструкції вимагають незначних ґрунтових робіт, які важко здійснювати в скелястій гірській місцевості. Водоводи виготовляють завчасно заводським способом.

Напірна ділянка водоводу (звичайно сталевий трубопровід) встановлюють безпосередньо на спусках перед електростанцією, він служить для створення необхідного тиску безпосередньо на гідроенергоагрегати. Ці ділянки мають порівняно невелику відстань.

Для транспортабельних ГЕС, що використовуються в кочових умовах роботи, водовід застосовують повністю напірний. Його виготовляють з меліоративної тканини, яка забезпечує гнучкість трубопроводу з урахуванням рельєфу місцевості. Такий водовід має високу міцність, а при транспортуванні легко змотується в бухти. Ці властивості забезпечують транспортабельну ГЕС і розміщення їх на новому місці без додаткових капітальних вкладень на споруду трубопроводу.

Рис. 4.8 - Схема МГЕС: 1 - річка; 2 – водозабірний прилад;

3 – рукав для напору; 4 – енергоблок.

Регулювання параметрів електричного струму

Як вже наголошувалося, експлуатація малих ГЕС здійснюється без спеціального обслуговуючого персоналу. Тому всі процеси по р егулюванню потужності, напруги і частоти електричного струму автоматизують, а ручне управління зводиться, наприклад до закриття засувки або натиснення кнопки.

Основні параметри малих ГЕС, що підлягають регулюванню при змінах навантаження споживачів - напруга і частота електричного струму. Спосіб регулювання параметрів залежить від типу генератора ГЕС і умов його роботи. На малих ГЕС в основному застосовують асинхронні генератори. Вони працюють спільно з енергосистемою і автономно.

При паралельній роботі малої ГЕС з енергосистемою відпадає необхідність в регулюючій апаратурі за частотою і напругою для асинхронного генератора. Ці параметри автоматично регулюються електричним струмом енергосистеми.

У автономних ГЕС процес регулювання частоти струму і напруги дещо складніший, оскільки вони залежать як від швидкості обертання ротора, так і від активного навантаження, при зміні якого змінюється реактивна потужність і р езонанс коливального контуру. Щоб не було потрібне їх регулювання, стабілізують загальне навантаження генератора. Для цього до електричної мережі підключають корисне баластне навантаження, загальна величина яких постійна. При збільшенні корисного навантаження відповідно зменшується частка баластної потужності. Баластне навантаження може бути використане для різних виробничих цілей, наприклад акумуляція теплоти, що використовується надалі для опалювання і гарячого водопостачання.

Однак слід зазначити, що вартість електроенергії, виробленої на міні-ГЕС, майже в 10 разів вища, ніж вироблена на гідротурбінах великої потужності, і становить від 0, 046 $/кВт*год і більше. Чиста технологія вироблення електроенергії є основою зниження викидів СО₂ та інших техногенних сполук. Слід зазначити, що негативний вплив на довкілля, характерний для великих ГЕС (порушення теплового, гідравлічного та кліматичного стану місцевості), не характерний для міні-ГЕС, які використовують природні водяні напори без необхідності будівництва масштабних гідротехнічних споруд.

Отже, підсумовуючи вище сказане, можна відмітити такі переваги ГЕС:

1) технологічний процес і виробництва електроенергії значно простіший;

2) більший ККД;

3) нижча собівартість електроенергії. На великих гідроелектростанціях вона у п'ять раз менша, ніж на теплових. Це пояснюється відсутністю затрат на паливо і зменшенням кількості обслуговуючого персоналу в зв'язку з відсутністю котельні;

4) для МГЕС не потрібно РУ ВН.

Основним недоліком гідроелектростанцій є велика вартість і значні строки спорудження.