Энергетика: настоящее и будущее - Искусство сооружения ГЭС

Опыт Волховской, Днепропетровской, Нижне-Свирской и ряда других гидроэлектростанций, построенных в первых пятилетках, послужил основой перехода к сооружению более мощных и сложных ГЭС на таких крупных реках, как Волга, Кама, Ангара, Енисей, бурных горных реках Кавказа и Средней Азии. Гидроэлектростанции строились в разных климатических зонах, на различных грунтах, в разных сейсмических районах. Разнообразные условия сооружения требовали от проектировщиков и строителей высокого искусства и выучки. Критически рассматривая итоги развития отечественной гидроэнергетики, следует отдать должное советским ученым, инженерам и рабочим — они с честью справились с возложенной на них задачей.

Впервые в истории нашего гидростроительства на Крайнем Севере, в Якутии и Норильске в условиях вечной мерзлоты построены гидроэлектростанции. Введены в эксплуатацию новые агрегаты Зейской ГЭС — первенца освоения богатого потенциала бассейна р. Амура на его притоке Зее.
Природные условия равнинных рек густонаселенных экономических районов страны предопределили сравнительно небольшие напоры гидроузлов, большой напорный фронт и комбинированные системы плотин — земляных в глухой части и бетонных в водопропускной зоне. Сооружение ГЭС на равнинных реках, имеющих, как правило, мощные аллювинальные отложения, подстилаемые коренными породами, требовало глубоких научных исследований и проектных проработок.
Первой гидроэлектростанцией, построенной на мягких (нескальных) грунтах, была Нижне-Свирская ГЭС мощностью 110 МВт с напором 13,8 м. Проектирование и строительство этого уникального по тому времени гидроузла осуществлялось под руководством крупнейшего гидротехника Г. О. Графтио.
На основе указанного опыта в предвоенные годы (до 1941 г.) в верхней части р. Волги на мягком основании были сооружены три гидроэлектростанции: Иваньковская, Угличская и Рыбинская с напором до 18 м.
Отличительной особенностью напорного фронта гидроэлектростанций, сооружаемых на равнинных реках, как на мягких основаниях, так и скальных породах, являются большие удельные объемы земляных и бетонных работ, что увеличивало затраты на их сооружения.
Проектные и строительные организации на всем протяжении развития гидроэнергетики осуществляли интенсивные поиски повышения экономических показателей ГЭС. В первую очередь усилия были направлены на совершенствование земляных и бетонных плотин, исследования гидравлических режимов их работы. С расширением гидроэнергетического строительства, в частности на горных реках Кавказа и Средней Азии, Кольского полуострова и на реках Дальнего Востока, менялись облик и конструкция бетонных плотин. В каньонах и горных ущельях, на твердых скальных основаниях тяжелые, так называемые гравитационные плотины, экономически невыгодны. На их сооружение требуется много бетона. Для гидроузлов горных рек более эффективны арочные или арочно-гравитационные плотины. Такие плотины получили широкое распространение на горных реках во многих странах мира (Италии, Австрии, Франции).
Первая арочная плотина в СССР была сооружена в 1937 г. при строительстве небольшой Гергебильской ГЭС на р. Каракойсу в Дагестане; высота плотины превышает 69,0 м. В 1960 г. на реке Ладжанури (Грузинская ССР) была построена сложная арочная плотина. В последующие годы крупные арочные и арочно-гравитационные плотины создаются на многих реках. На р. Ингури (Грузинская ССР) сооружается арочная плотина Ингурской ГЭС высотой 271,5 м, для ее возведения нужно уложить почти 4 млн. м³ бетона. На р. Су- лак, в Дагестане, построена арочная плотина Чиркейской ГЭС высотой 231 м. Самая крупная арочно-гравитационная плотина сооружается на р. Енисее на Саяно-Шушенской ГЭС. Высота этой плотины превышает 240 м, ее длина по гребню равняется 1000 м.
Какие же экономические выгоды были получены при сооружении гидроузлов?
В результате целого комплекса мер, о которых уже шла речь, технико-экономические показатели гидроэлектростанций значительно улучшились, что видно из следующих данных:

 Таким образом, за 17 лет удельный объем земляных работ снизился почти в 5 раз, бетонных работ — более чем в 2 раза и удельный расход металла сократился почти в 4 раза.
За последние годы в гидроэнергетике СССР разрабатывается новый тип —гидроаккумулирующие ГЭС (ГАЭС).
Гидроаккумулирующие электростанции в других странах, особенно в горных условиях, сооружаются давно.
Экономическая целесообразность сооружения ГАЭС определяется следующими факторами:
необходимостью покрытия остропиковой части графика нагрузок в утренние и вечерние часы суток;
улучшением экономики тепловых электростанций, загружаемых в ночные провалы нагрузок для наполнения бассейнов суточного регулирования ГАЭС;
оптимальным напором ГЭС, определяющим себестоимость вырабатываемой энергии по ГАЭС;
удельными капитальными вложениями в сооружение ГАЭС.
По первому и второму экономическим показателям сооружение ГАЭС в Советском Союзе вполне оправдывается.
В европейской части страны пиковый характер электрических нагрузок продолжает увеличиваться, и эта тенденция прослеживается на длительную перспективу. Такое положение объясняется сокращением удельного веса промышленной нагрузки и возрастанием расхода электроэнергии в сельском хозяйстве и на коммунально-бытовые цели.
Кроме этого, в европейской части страны гидравлические ресурсы практически исчерпаны, и дальнейшее наращивание энергетических мощностей будет происходить за счет атомных и тепловых электростанций, оборудование которых мало приспособлено к быстрому изменению нагрузок. Однако по оптимальному напору и удельным капитальным вложениям равнинный характер европейской части неблагоприятен для сооружения ГАЭС.
Первой в нашей стране сооружена Киевская ГАЭС на р. Днепре, водозаборные сооружения которой расположены в нижнем бьефе Киевской ГЭС. Эта ГАЭС имеет малый напор, всего лишь 73 м, и суммарную мощность 225 тыс. кВт. Удельные капитальные вложения Киевской ГАЭС крайне высоки — 269 руб/кВт. Для определения экономических показателей ГАЭС был сделан сравнительный анализ и экономические расчеты, которые показали, что оптимальная эффективность  ГАЭС может быть обеспечена при напорах не менее 100 м и удельных капитальных вложениях в пределах 160—170 руб/кВт. В соответствии с этим были составлены проекты четырех ГАЭС — Загорской в Московской энергосистеме, Кайшядарской (Каунасской) Литовской энергосистемы, Константиновской на р. Южный Буг и Днестровской на р. Днестре. Их технико-экономические показатели видны из следующих данных:

Если напор ГАЭС зависит от природных условий, то удельные капитальные вложения могут быть снижены за счет более рационального проектирования гидротехнических устройств, оптимального расхода основных материалов (бетона, металла) и лучшей организации работ. Немаловажное значение имеет и стоимость гидроэнергетического оборудования, а также КПД обратимых турбин.
На удельные капитальные вложения в ГАЭС влияет единичная мощность турбин. Сейчас заводы энергетического машиностроения могут изготовлять обратимые турбины по 200 тыс. кВт, тогда как за рубежом выпускаются обратимые агрегаты более 300 тыс. кВт. Сокращение количества гидротурбин соответственно уменьшает объемы дорогостоящих бетонных работ и снижает удельный расход металла на напорных водоводах.