ВВЕДЕНИЕ
В дореволюционной России были построены оригинальные и крупные гидросиловые установки. Например, в 1787 г. на Змеиногорском руднике была построена подземная гидросиловая установка с водяным колесом диаметром 17 м. Гидросиловая установка Кренгольмской мануфактуры на р. Нарове по суммарной мощности 6000 кВт занимала в 1890 г. первое место в мире.
Однако вследствие социально-экономических причин царская Россия в промышленном развитии отставала от передовых капиталистических стран. Перед первой мировой войной по выработке -электроэнергии Россия была на восьмом месте в мире и на шестом в Европе. Самой большой гидроэлектростанцией в царской России была Гиндукуш- ская ГЭС на р. Мургаб, мощностью 1350 кВт.
Крупное гидроэнергетическое строительство началось в России только после Великой Октябрьской социалистической революции. По инициативе В. И. Ленина был составлен государственный план электрификации России (план ГОЭЛРО), который был не только выполнен, но и перевыполнен. В соответствии с планом ГОЭЛРО осуществлено комплексное использование для энергетики и речного транспорта рек—Волхова, Свири и Днепра. Первой крупной гидроэлектростанцией в России была Волховская ГЭС имени В. И. Ленина, которая введена в эксплуатацию в 1926 г. Введенная в эксплуатацию в 1932 г. Днепровская ГЭС имени В. И. Ленина при полном развитии стала крупнейшей в Европе. Крупнейшими в мире были последовательно: Волжская ГЭС имени В. И. Ленина мощностью 2300 МВт, Волжская ГЭС имени XXII съезда КПСС — 2541 МВт, Братская ГЭС на р. Ангаре— 4100 МВт, Красноярская ГЭС на р. Енисее — 6000 МВт, Саяно- Шушенская ГЭС на р. Енисее — 6400—7200 МВт. Рассматривается вопрос о повышении мощности каждого из двух последних агрегатов Саяно-Шушенской ГЭС до 800—1000 МВт, что повлечет за собой увеличение ее установленной мощности при напоре 216 м до 7400— 7700 МВт.
В табл. В-1 представлены крупнейшие построенные и строящиеся ГЭС, а также ГАЭС. Комплексные задачи, в основном энергетики и речного транспорта, решались при проектировании и строительстве гидроузлов на реках Енисей и Кама. Водохозяйственный комплекс Волги и Днепра представлен энергетикой, речным транспортом, орошением и водоснабжением. На реках Вахш, Нарын, Сулак и Ингури основными участниками комплексного использования водных ресурсов являются орошение и энергетика. Задачи борьбы с наводнениями и энергетического использования водотоков решаются гидроузлами на реках Зее и Бурее.
ГЭС используют возобновляемую энергию воды, что весьма важно для народного хозяйства. В 1978 г. установленная мощность ГЭС мира составила 414 млн. кВт, атомных электростанций— 116 млн. кВт. Соответствующий удельный вес был равен 22,1 и 6,22%. В 1979 г. выработка электроэнергии ГЭС во всем мире была порядка 1600 млрд. кВт-ч, что составило примерно 23% от выработки электроэнергии всеми электростанциями мира,. Удельный вес выработки электроэнергии ГЭС составлял в США 15 %, в Канаде 75 °/о и в СССР 15 %. По суммарной мощности гидроэлектростанции СССР занимают второе место в мире, а по выработке гидроэнергии — третье (после США и Канады). Выработка электроэнергии гидроэлектростанциями СССР составляла в 1979 г. 172 млрд. кВт-ч, а их установленная мощность на начало 1980 г. — 50 млн. кВт. При этом удельный вес по мощности равен 20,8%- Экономически выгодные для использования гидроэнергетические ресурсы СССР (экономический потенциал) исчисляются кругло в 1100 млрд. кВт-ч. Следовательно, экономический потенциал гидро-энергии СССР использован только на 16 %, т. е. примерно так же, как и во всем мире.
Исключительно быстрыми темпами развивается строительство НС, предназначенных для орошения земель и для водоснабжения городов, тепловых электростанций и промышленных предприятий. Построены и строятся каскады НС на каналах Иртыш — Караганда, Днепр—Донбасс, Саратовском, Северо-Крымском и др. Крупнейшей НС в СССР является Каховская с суммарной подачей 530 м3/с и с мощностью 168 МВт. Мощные НС намечаются в схеме переброски части стока си-бирских рек в Среднюю Азию и Казахстан с водоподачей 2000 м3/с и переброски части стока северных рек в южные районы Советского Союза. В схемах переброски стока северных рек часть НС проектируется как комбинированные НС и ГАЭС.
ГАЭС представляют собой синтез НС и ГЭС и работают попеременно как насосная станция и как гидроэлектростанция. В СССР из построенных ГАЭС самой крупной является Киевская мощностью 225 МВт. Строятся Загорская ГАЭС мощностью 1200 МВт и Кайшя- дорская ГАЭС мощностью 1600 МВт, намечается постройка Ленинградской ГАЭС мощностью 1320 МВт, Днестровской ГАЭС 2200 МВт и других. Построена Кислогубская ПЭС мощностью 400 кВт. В пред-варительных проектных проработках намечаются ПЭС мощностью в сотни тысяч и даже в несколько миллионов киловатт.
ГЭС работают в Единой электроэнергетической системе (ЕЭЭС) совместно с ТЭС. Гидроэнергетика является подотраслью электроэнергетики и развитие гидроэнергетики происходит в соответствии с развитием всей отрасли электроэнергетики. В народном хозяйстве электроэнергетика является ведущей отраслью.
Во многих промышленно развитых странах кризисными являются проблемы энергоресурсов и пресной воды. Неравномерное территориальное распределение энергетических и водных ресурсов в нашей стране требует особого внимания к обеспечению всех районов пресной водой и электроэнергией. Руководствуясь принципами рационального использования, охраны и воспроизводства природных ресурсов и охраны окружающей среды, необходимо находить пути, исследовать и решать задачи наиболее экономичного обеспечения всех районов и отраслей народного хозяйства энергией и пресной водой при жестком проведении во всех отраслях народного хозяйства энерго- и водосберегательной политики, внедрения безводной технологии в промышленности и оборотного водоснабжения.
Развитие энергетики СССР определяется решениями съездов КПСС. XXVI съезд КПСС предписал усилить строительство атомных и гидроэлектрических станций. В XI пятилетке с 1981 по 1985 г. намечено ввести в строй 24—25 млн. кВт мощности АЭС и 12 млн. кВт ГЭС и ГАЭС. Довести годовую выработку электроэнергии в 1985 г. на АЭС до 220—225 и ГЭС до 230—235 млрд. кВт-ч. В Европейской части СССР обеспечить прирост мощности и выработки электроэнергии в основном на атомных и гидроэлектростанциях.
Осуществить строительство крупных гидроэлектростанций на реках Сибири, Дальнего Востока и Средней Азии с учетом комплексного использования гидроресурсов, а также гидроаккумулирующих электростанций в Европейской части СССР.
Ускоренными темпами осуществлять строительство тепловых электростанций, использующих угли Экибастузского и Канско-Ачинского бассейнов, а также природный и попутный газ месторождений в Западной Сибири.
Ввести в действие первую очередь линии электропередачи постоянного тока напряжением 1500 киловольт Экибастуз — Центр и линии электропередачи переменного тока напряжением 1150 киловольт Экибастуз — Урал.
Главной задачей гидроэнергетиков является реализация постановлений Партии и Правительства по проблемам развития гидроэнергетики и комплексного использования водных ресурсов.
Ниже перечисляются основные задачи в области гидроэнергетики и водного хозяйства.
ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ ВОДНОГО ХОЗЯЙСТВА
1. Наиболее эффективное комплексное использование водных ресурсов и их воспроизводство для удовлетворения потребностей нескольких водопотребителей при соблюдении требований охраны окружающей среды; предотвращение и защита от наводнений, водной эрозии почв и т. п.2. Определение народнохозяйственного значения водохранилищ и их роли в обеспечении пресной водой отраслей народного хозяйства и населения, гарантирование в маловодные периоды повышенного уровня мощностей и выработки энергии ГЭС; создание условий для переброски части стока рек в засушливые районы; минимизация отрицательных последствий создания водохранилищ.
3. Определение социально-экономических последствий обеспечения водой засушливых районов путем переброски части стока из северных районов.
4. Задачи объединения водохозяйственных систем и создания Единой водохозяйственной системы страны, межгосударственного использования и перераспределения стока пограничных рек.
1. Разработка научных основ оптимальных схем энергетического и комплексного использования водных ресурсов, определение роли ГЭС в водохозяйственных комплексах, энергокомплексах и в создании территориально-производственных комплексов.
2. Выявление значения Единой электроэнергетической системы СССР (ЕЭЭС) для повышения эффективности ГЭС и ГАЭС, особенно в отношении использования их высоких маневренных свойств: а) при покрытии пиков электрической нагрузки и поддержания высокого качества электроэнергии по частоте электрического тока и напряжению;
б) в качестве быстродействующего аварийного резерва для обеспечения надежности электроснабжения; в) обеспечение тепловым и атомным электростанциям наиболее экономичного равномерного режима работы; г) использование ГАЭС как необходимого элемента совместного строительства и работы с АЭС.
3. Совершенствование методов определения эффективности гидро-энергетических и комплексных водохозяйственных объектов; исследование вопроса экономической оценки возобновляемых и невозобновляемых энергоресурсов; использование энергии приливов.
ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ ПО СООРУЖЕНИЯМ И ЗДАНИЯМ СТАНЦИЙ
1. Строительство экономичных, надежных и эстетически оформленных гидротехнических сооружений и гидроузлов.2. Применение прогрессивных, экономичных конструкций гидро-технических сооружений, обеспечивающих хорошие технологические условия для производства строительно-монтажных работ и эксплуатации сооружений и оборудования ГЭУ; обеспечение ускоренного ввода первых агрегатов ГЭУ и завершения всего строительства в оптимальный срок.
3. Выбор варианта размещения на местности здания ГЭУ, обеспе-чивающего оптимальные условия для гидроузла в целом в отношении экономичности, надежности и удобств эксплуатации.
4. Наиболее экономичное и удобное для монтажа и эксплуатации размещение в здании ГЭУ основного и вспомогательного оборудования; создание наиболее совершенного водопроводящего тракта гидравлических машин с минимальными габаритами . и наименьшими потерями напора.
5. Совершенствование конструкций зданий ГЭУ: а) обеспечение устойчивости, прочности и долговечности зданий и надежности работы основного и вспомогательного оборудования; б) разработка более совершенных компоновок зданий НС, водозаборных и водовыпускных сооружений; укрупнение агрегатов для мощных НС систем водоснабжения АЭС и систем переброски стока; применение спирального отвода воды вертикальных насосов и установка капсульных агрегатов как главные факторы укрупнения агрегатов НС; в) совершенствование компоновки ГАЭС с применением новейших типов оборудования; разработка вопросов строительства высоконапорных ГАЭС с подземными бассейнами; г) улучшение архитектурного оформления зданий и прилегающей территории.
ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ ПО ОБОРУДОВАНИЮ ГЭУ
1. Повышение энергетических и противокавитационных качеств гидротурбин, насосов и обратимых гидромашин, увеличение их износостойкости, ресурса и ремонтоспособности, а также повышение надежности их эксплуатации.2. Укрупнение агрегатов ГЭС до 1,0—1,2 млн. кВт и ГАЭС — до 300—400 МВт.
3. Повышение технических показателей надежности, долговечности и межремонтного периода электрических машин, выключателей, разъединителей и т. д. Укрупнение и повышение напряжения гидрогенераторов и обратимых электрических машин и совершенствование систем возбуждения и охлаждения их обмоток. Повышение качества изоляции. Значительное увеличение ресурса машин и аппаратов по числу включений, выключений, переключений агрегатов , ГЭС, ГАЭС и НС.
4. Автоматизация и обеспечение надежности работы ГЭС, ГАЭС, НС при переходных режимах и аварийных ситуациях; повышение качества и автоматизации эксплуатации вспомогательного оборудования гидроэнергетических установок.
5. Разработка экономических типовых конструкций агрегатов для малых и средних ГЭС.
ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ГЭУ
1. Претворение в проектах ГЭС, ГАЭС и НС решений Партии и Правительства по гидроэнергетике, комплексному использованию и воспроизводству водных ресурсов и охраны флоры и фауны.2. Выбор оптимального (для народного хозяйства в целом, а не для отдельной отрасли) использования водных ресурсов с обязательным учетом перспектив развития народного хозяйства, а в соответствующих случаях — с учетом международных связей в области энергетики и совместного использования водных ресурсов.
3. Решение в проектах и при строительстве ГЭУ и особенно НС задач наиболее эффективного использования водных ресурсов и максимальной экономии воды и электроэнергии.
4. Разработка и внедрение систем автоматизированного проектирования ГЭС, НС и ГАЭС; проектирование и строительство каскадов ГЭС и НС с применением типовых сооружений и оборудовиния.
5. Проектирование энергокомплексов н промышленно-производственных комплексов на базе крупных ГЭС.
6. Разработка схем экономичного энергетического и комплексного использования малых и средних рек Европейской части СССР.
При эксплуатации ГЭУ большое значение имеет улучшение организации управлением ГЭУ, особенно при комплексном использовании водных ресурсов; усовершенствование автоматизированных систем управления энергетическим оборудованием, аппаратами и приборами, механическим оборудованием, гидротехническими сооружениями; повышение эффективного воздействия ГЭС и ГАЭС на надежность и качество электроэнергии в энергосистемах; оптимальная организация эксплуатации энергокомплексов; уменьшение потерь напора и энергии в водопроводящих трактах ГЭУ, потерь воды на фильтрацию и всемерное повышение экономичности ГЭС, ГАЭС и особенно НС.
В приведенный выше перечень включены проблемы и задачи собственно гидроэнергетики, а также более общие проблемы энергетики и водного хозяйства, решение которых будет влиять на гидроэнергетику. Примерами могут служить: создание Единой водохозяйственной системы страны, региональные переброски стока в засушливые районы, развитие Единой электроэнергетической системы страны, создание энергокомплексов, создание территориально-производственных комплексов на базе мощных ГЭС.
Перечень сформулированных проблем и задач не может считаться исчерпывающим, так как при бурном развитии науки и техники будут появляться новые перспективные проблемы и задачи по гидроэнергетике и водному хозяйству. В условиях напряженного топливо-энерге- тического баланса все большее значение будет приобретать использование возобновляемых источников энергии, т. е. гидроэнергии, солнечной, ветровой и геотермальной энергии.
Согласно решениям Партии и Правительства установленная мощность гидроэлектростанций и гидроаккумулирующих электростанций должна быть доведена к 1990 г. до 80 млн. кВт.