Как работает ГЭС

Как работает ГЭС

Люди давно научились использовать энер­гию движущейся воды. Если до половины по­грузить в реку колесо с лопастями на ободе, то оно начнет вращаться, потому что вода будет увлекать за собой нижние лопасти колеса. Примерно так работали (и кое-где работают до сих пор) водяные мельницы. Водяное коле­со в них насажено на вал жернова. Вращает вода колесо — вращается и жернов, мелет зерно.

Но вот сто с лишним лет назад появился более совершенный водяной двигатель — гид­равлическая турбина (сокращен­но — гидротурбина). Появились генераторы, превращающие механическую работу в электрическую энергию (см. ст. «Двигатели и генераторы»). И к концу XIX в. началось сооружение гидроэлектрических станций — ГЭС.

Прямо в русле реки, даже с быстрым тече­нием, ставить турбины нельзя: у реки не хва­тает силы проворачивать тяжелую турбину. Другое дело на водопадах: там вода стремитель­но летит вниз, у нее большой напор.

Но водопадов не так много, да и не очень удобно ставить возле них турбины. Поэтому придуманы искусственные водяные «ступеньки» — плотины.

Если перегородить реку прочной плотиной, а в теле плотины оставить только небольшое отверстие, то вся вода, что есть в реке, должна будет протекать через это отверстие. Значит, перед плотиной река под­нимется и разольется, а за" плотиной останется на прежнем уровне. Появится разница уровней, возникнет напор воды.

Поставим у отверстия плотины гидротур­бину — и она начнет вращаться, используя напор воды. Соединим турбину с генератором— его ротор тоже придет в движение, в обмот­ке статора появится ток.

Заметьте: напор перед плотиной сохраняется круглый год, потому что вода запасается в водо­хранилище, искусственном море, и стекает равномерно, хотя зимой и летом река несет меньше воды, а осенью и весной — больше.

Впрочем, есть и гидроэлектростанции без плотин. Например, на горных реках плотины получаются очень высокими и дорогими. В этих случаях воду из реки подводят к электро­станциям каналом или тоннелем, называемыми деривационными. В конце дерива­ционного отвода строят здание ГЭС и соединяют трубами канал и гидроэлектростанцию. Теперь часть воды идет по своему руслу, а часть совершает такой маршрут: канал — трубы — турбины ГЭС — русло. Конечно, все это само­теком, потому что канал начинается гораздо выше ГЭС, а впадает обратно в реку ниже.

Принцип работы любой ГЭС прост. Но устройство ее, конечно, не простое. Современ­ная ГЭС — сложное предприятие, насыщенное разнообразными автоматами. Недаром здание машинного зала, плотину, шлю­зы, трансформаторные стан­ции, рыбоподъемники называют об­щим словом гидроузел.

Плотину строят из земли или железобетона. Очень часто земля и железобетон работают рука об руку: там, где надо просто удержать воду, можно применить землю, а для водосли­вов, турбинных камер и вообще «активных» участков плотины нужен железобетон. В теле плотины на заранее рассчитанной высоте де­лают окна для пропуска воды во время па­водка, иначе вода прорвала бы плотину. В остальное время окна закрыты стальными щитами.

Иногда, если нет надобности строить плоти­ну очень высокой, ее делают ниже уровня максимального подъема воды во время паводка. И тогда каждую весну излишняя вода просто-напросто переливается через водосливный уча­сток гребня плотины.

В подводной части плотины проложены трубы для подвода воды к турбинам. Они прикрыты решетками, улавливающими камни, поленья, ветки. В трубах устроены затворы.

Нажим кнопки — и путь воде закрыт. Это нуж­но при остановках турбины.

Поток воды под напором входит в трубу и отсюда в спиральную камеру, напоминающую улитку. Двигаясь внутри ка­меры все ближе и ближе к центру, водяная масса закручивается. А в центре камеры — колесо турбины. Но вода не сразу попа­дает на колесо, потому что оно обнесено «за­бором» — крепкими стальными лопатками, на­правляющими воду (направляющим аппара­том). Каждая лопатка может поворачиваться на своей оси. Повернутся лопатки так, что плотно сомкнутся одна с другой,— и вода в турбину не пройдет. Приоткроются чуть-чуть — воды пойдет немного. А станут по дви­жению воды — она почти беспрепятственно бу­дет проникать в турбину. Это, как говорят энергетики, режим полной нагрузки.

Но вот вода прошла сквозь направляющий аппарат. На ее пути — лопасти рабочего колеса турбины. Понятно, что вода заставит лопасти двигаться, отдаст им свою энергию. А этого нам только и надо. Вода вращает турбину!

Теперь воде нужно уйти. Куда? Опять в тру­бу, но только в другую — отсасываю­щую. Очень важно, чтобы вода шла по этой трубе спокойно, без вихрей и препятствий, тогда турбина будет хорошо использовать напор. Поэтому отсасывающие трубы делают гладкими и немного расширяющимися к нижне­му концу. Из этого открытого конца вода вытекает в русло реки и уходит по течению.

Не всегда турбины находятся в теле плоти­ны или поблизости от нее. Иногда воду под напором подают из водохранилища к турби­нам по длинным трубам или тоннелям. Так будет, например, на ГЭС при высотной Асуан­ской плотине на р. Ниле.

Итак, рабочее колесо турбины вращается. С ним вращается и вал, связывающий рабочее колесо с ротором электрической машины — генератора переменного тока.

Генератор вырабатывает переменный ток на­пряжением от 10 до 18 тыс. в.

Но, оказывается, электроэнергию в таком виде невыгодно передавать на большие расстоя­ния. Вот если повысить напряжение в 10— 15 раз, тогда другое дело: сила тока упадет, и он, проходя по проводам, будет меньше нагревать их. Станет меньше потерь, не пона­добятся толстые и тяжелые провода.

Напряжение повышают на электростанции простые приборы — трансформаторы. Это стержни-сердечники, собранные из тонких листов мягкой стали. На каждом — две обмот­ки: одна с небольшим числом витков толстой медной проволоки, вторая с немногочислен­ными витками более тонкого провода. Мы по­даем напряжение, скажем, в 10 тыс. в на пер­вичную обмотку, а со вторичной получаем сразу 100 или 200 тыс. в — во столько раз больше, во сколько больше витков на вторичной обмотке. Чтобы трансформаторы не сильно нагревались при работе, их погружают в ба­ки с жидким маслом, хорошо отводящим тепло. Итак, чем выше напряжение (и, значит, меньше сила тока), тем выгоднее передавать энергию.

Наши крупные ГЭС не имеют равных в мире по мощности. Совсем недавно чемпионом была Волжская ГЭС им. XXII партсъезда—2 млн. 350 тыс. кет. Сейчас пальму мирового первен­ства держит Братская ГЭС — четыре с полови­ной миллиона. А скоро войдет в строй Красно­ярский энергетический гигант — станция мощ­ностью в 5 млн. квт.

Вспомним, что турбины прославленного Днепрогэса имеют общую мощность в 650 тыс. квт, и тогда особенно яркой станет такая цифра: на р. Лене предполагается соорудить гидро­узел с электростанцией в 20 млн. квт.

Советские ученые и конструкторы непрерыв­но ищут новые способы быстрого строительства ГЭС, создают для них необыкновенные машины. Есть предложение, например, перегораживать реку сомкнутыми кольцами, составленными из железобетонных труб, а внутри колец поме­щать турбины, генераторы и т. д. Расчеты по­казали, что это экономнее, прощен легче. Совет­ские инженеры изобрели турбину двойного действия: под напором воды одно из ее рабочих колес вращается вправо, другое влево. Это дает скачок быстроходности и большую эко­номию металла.

...Шагают по стране стальные и бетонные мачты-опоры. Несут на своих плечах провода с дешевой электроэнергией, «выловленной» из рек умом и волей человека.