Как работает мощная гидроэлектростанция


Древняя водяная мельница.
Древняя водяная мельница.
Мельничное водяное колесо. Вода на него льется сверху.
Мельничное водяное колесо. Вода на него льется сверху.

На Руси водяные силовые установки строились на реках с незапамятных времен. Из сохранившихся древних летописей известно, что русские люди уже в XIII в. искусно сооружали вододействующие установки для вращения мельничных жерновов.

В XIV-XV вв. водяные мельницы были уже широко распространены. О них упоминается в рукописных документах того времени. Еще шире стали использовать природную энергию рек в XVI и XVII вв. Под Москвой на р. Неглинной в 1519 г. работали уже три водяные мельницы и одна толчея, очищавшая зерно в ступах. Но все эти установки с водяными колесами были небольшой мощности.

В 1524 г., как говорит Псковская летопись, новгородцы под руководством «некоего хитреца» мастера Нережи Псковитина дерзнули создать плотину и мощную гидросиловую установку на полноводном и глубоком Волхове. Эта гидроустановка, построенная впервые в мире на большой реке, некоторое время успешно работала.

А через 400 лет на том же многоводном Волхове советские люди воздвигли из бетона и стали мощную гидроэлектростанцию. С декабря 1926 г. она безотказно посылает энергию заводам, городам, селам. Так было положено начало сооружению мощных гидроэлектрических установок на реках нашей страны.

Реки по своей природе очень разнообразны. Например, бурливый, гремящий Терек берет начало в подоблачных ледниках Казбека. Он совсем не похож на широкую Волгу, плавно, неторопливо несущую свои воды в невысоких берегах.

Понятно, что получать энергию от горного Терека и от равнинной Волги надо не одинаковым способом. Гидростанции на этих двух реках должны быть совершенно различными по устройству. Так, на круто падающих и стремительных горных потоках отводят воду деривационным каналом (см. ст. «Покорение воды»). От конца канала вниз по склону проложены трубы. По ним вода под напором течет к зданию электростанции. Оно стоит в глубине долины на берегу реки. Если скалы на склонах ущелья крутые и недоступные, воду отводят подземным деривационным туннелем. На полноводных реках, спокойно протекающих по пологим равнинам, напор создают плотиной. Гидроэлектрические установки такого типа на горных реках называют деривационными, а обычные, на равнинных реках, — плотинными.

 Гидроэлектростанция при высокой бетонной плотине (в разрезе).
 Гидроэлектростанция при высокой бетонной плотине (в разрезе)

Как же устроена мощная плотинная гидроэлектрическая станция, похожая, например, на крупнейшую Волжскую гидростанцию?

Основные сооружения гидроэлектростанции на равнинной реке — плотина и здание ГЭС. Уровень воды перед плотиной выше, чем вниз по течению реки. Эту разницу в высотах уровней называют напором гидростанции. Вода, непрерывно переливающаяся с более высокого уровня на низкий, может выполнять большую полезную работу.

Разрез гидроэлектрической станции (ГЭС)
Разрез гидроэлектрической станции (ГЭС): 1—сороудерживающая решетка; 2—кран для подъема и спуска затвора; 3—водослив; 4—здание ГЭС; 5—судоподъемник; 6—электрогенератор; 7—гидротурбина; 8—всасывающая труба; 9—трансформатор; 10—подвод воды; 11—тело плотины; 12—смотровые галереи.

Перед плотиной гидростанции обычно образуется водохранилище. Весной оно пополняется талыми водами и сохраняет их до наступления зимы. А зимой или в летнюю засуху водохранилище изо дня в день добавляет воду к скудному в эти времена года природному стоку реки. Так поддерживается мощность электростанции, которая весь год должна быть достаточно равномерной.

В состав гидроустановки 4 на равнинной реке обычно входят бетонная и земляная плотины. Бетонная плотина необходима для сброса через нее лишних весенних паводковых вод. Остальную часть плотины обычно строят из земли и песка.

В здании гидростанции размещается основное машинное оборудование — турбины и генераторы, вырабатывающие электрическую энергию. Водяную турбину и соединенный с ней электрический генератор называют машинным агрегатом гидроэлектрической станции.

Водяная турбина, или гидротурбина, — главный двигатель гидростанции. На гидростанциях с низким напором воды, не выше 50—70 м, применяют поворотнолопастные гидротурбины. Их колесо по внешнему виду напоминает пароходный гребной винт. Такие турбины выгоднее других потому, что они быстроходнее. А это уменьшает вес и стоимость и самой водяной турбины, и вращаемого ею электрического генератора (подробнее см. ст. «Генераторы энергии и двигатели»). Перед подводом воды к турбине устроена частая металлическая решетка. Она задерживает ветки деревьев, куски торфа, щепки и другие предметы, попавшие в реку. Далее вода поступает в трубу, которая имеет спиральную форму и похожа на раковину огромной улитки. В центре ее вращается колесо турбины. Эта труба называется спиральной камерой и служит для подвода воды непосредственно к турбине.

Рабочие колеса различного вида:  1 — радиально-осевой гидротурбины; 2 и 3 — поворотно-лопастной гидротурбины; 4 — пропеллерной гидротурбины.
Рабочие колеса различного вида:  1 — радиально-осевой гидротурбины; 2 и 3 — поворотно-лопастной гидротурбины; 4 — пропеллерной гидротурбины.

Первая часть поворотно-лопастной турбины (считая по пути движения потока воды) — это направляющий аппарат. Он представляет собой поворачивающиеся вокруг своих осей и легко обтекаемые водой лопатки. Располагаются они по окружности с внешней стороны турбины. Поворачивая лопатки направляющего аппарата, можно уменьшить или увеличить впуск воды в турбину, изменить ее мощность. Так поддерживается постоянное число оборотов турбины при любой ее нагрузке.

Из направляющего аппарата вода поступает на рабочее колесо. Оно, собственно, и использует энергию водяного потока. Рабочее колесо состоит из насаженной на вал втулки, к которой прикреплены плавно изогнутые металлические лопасти. Они могут поворачиваться вокруг своих осей в полном согласии с изменениями положения лопаток направляющего аппарата. У турбин такой конструкции бывает от 4 до 8 лопастей в зависимости от высоты напора воды, при котором они работают. Диаметр рабочего колеса гидротурбины зависит от ее мощности и напора воды и может достигать 9 ж и более.

Из рабочего колеса вода идет во всасывающую трубу. Это третья важная часть гидроустановки. Через нее отработанная вода из турбины выходит в реку ниже плотины. Всасывающая труба создает под рабочим колесом пониженное давление воды, что значительно увеличивает мощность турбины. С такой трубой турбину можно помещать выше нижнего уровня воды.

Гидротурбина преобразует в полезную работу большую часть — около 0,9 — всей энергии водяного потока. Принято поэтому говорить, что к. п. д. водяной турбины очень высок — приблизительно 90%. Полезная отдача гидротурбины с поворотными лопастями рабочего колеса велика не только при полной, но и при частичной ее нагрузке.

Гидротурбины оборудованы автоматическими регуляторами. Они работают с помощью жидкого минерального масла, находящегося под большим давлением. Регулятор сам, без участия человека, открывает и закрывает направляющий аппарат, а также поворачивает лопасти рабочего колеса, т. е. увеличивает или уменьшает мощность турбины.

Турбина электростанции приводит во вращение электрическую машину — гидрогенератор. Электрический генератор, вращаемый водяной турбиной, по устройству и большим размерам значительно отличается от генераторов, устанавливаемых на паровых электростанциях. Вал его обычно располагается вертикально. Одна из частей гидрогенератора — неподвижная станина — статор. Это полый внутри цилиндр, изготовленный из спрессованных пачек тонких стальных листов. С внутренней стороны статора в особых канавках, или пазах, укреплена электрическая обмотка из хорошо изолированных медных проводников.

Машинный зал гидроэлектростанции.
Машинный зал гидроэлектростанции.

Внутри статора вращается насаженный на вал барабан — ротор. На нем укреплены полюса сильных электромагнитов. Вы знаете, что если обмотать железный стержень изолированной проволокой и пропустить через нее постоянный электрический ток, то стержень становится электромагнитом. Так намагничиваются полюса ротора.

От вала гидрогенератора приводится в движение небольшой вспомогательный генератор — возбудитель. Он вырабатывает постоянный электрический ток для возбуждения магнетизма в полюсах ротора. Полюса электромагнита быстро движутся около витков обмотки статора. В обмотке возникает переменный электрический ток. При прохождении через обмотки электрического тока выделяется тепло, и они нагреваются. Поэтому через генератор беспрестанно пропускают охлаждающий его воздух.

Работой агрегатов гидроэлектрической установки управляют со специального пульта управления. На щитах — панелях пульта установлены аппараты управления и многочисленные приборы. Они измеряют силу электрического тока, его напряжение и другие важные величины. На пульте, как в зеркале, отражается вся жизнь гидроэлектрической станции. Отсюда ведется надзор за всеми ее машинами и аппаратами, а также управление ими. Пульт управления — это как бы мозг гидростанции, центр ее «нервной системы», получающий сигналы и посылающий точные приказания всем агрегатам.

Гидроэлектрические установки все шире автоматизируются. Некоторые станции работают без людей, при запертых на замок дверях машинного зала.

Напряжение электрического тока, выработанного гидрогенератором, по сравнению с напряжением линии электропередачи, низкое — от 6 до 16 тыс. в. Передавать ток с таким напряжением на далекие расстояния нельзя. Для этого нужно повысить напряжение, например, до 200 тыс. в, а при особенно дальних расстояниях электропередачи — до 500 и даже до 800 тыс. в. Напряжение тока повышают с помощью трансформатора.

Обычно его помещают на открытой площадке недалеко от генератора. В трансформаторе все части неподвижны. Он состоит из тяжелого сердечника, изготовленного из плотно спрессованных и прочно скрепленных болтами тонких стальных листов. На сердечнике — две обмотки из медных проводников, покрытых изоляцией. Через одну обмотку, с небольшим числом витков толстых проводов, проходит вырабатываемый генератором переменный ток генераторного, низкого напряжения. Под действием этого тока железный сердечник намагничивается и возбуждает во второй обмотке, с большим числом витков тонкого провода, переменный электрический ток высокого напряжения.

Величина полученного высокого напряжения во столько раз больше первичного, низкого, во сколько число витков тонкой обмотки больше числа витков обмотки более толстой.

Чтобы ток высокого напряжения во второй обмотке не мог пробить ее изоляцию и не создал бы этим короткого замыкания (а также для хорошего охлаждения), весь сердечник трансформатора, вместе с обмотками, помещается в железный бак. Бак наполнен жидким минеральным маслом, которое не проводит электрического тока. Концы обмоток выпущены нз бака наружу через фарфоровые втулки. Часто трансформаторы делают трехфазными: у них три первичные и три вторичные обмотки. Три конца от тонкой обмотки с большим числом витков присоединены к трем проводам электрической линии, ведущей к потребителям в отдаленные районы.

На местах потребления электроэнергии переменный ток высокого напряжения необходимо вновь преобразовать в ток низкого напряжения, которым питаются осветительные электрические лампы, электродвигатели и т. п. Это обратное превращение электрической энергии так же выполняют трансформаторы. Устройство их подобно описанному выше.

Эти трансформаторы называются понизительными.

Таким способом дешевая энергия Волжской гидростанции передается в район Москвы на очень большое расстояние — 900 км при напряжении 400 тыс. в.