Энергетика: настоящее и будущее - Использование гидроэнергетических ресурсов

Перспективы развития гидроэнергетики СССР

Потенциальные возможности гидроресурсов СССР в данное время использованы примерно на 14,5%, тогда как в Соединенных Штатах Америки гидроресурсы на начало 1974 г. использованы на 39,5%; в Канаде — на 74,0% и во Франции — на 70,0%. Во всех странах Европы использование гидроресурсов рек составляет около 40 %. В Советском Союзе на 1 т топливных ресурсов производится 50 кВт-ч, а в США — 100 кВт-ч гидроэнергии.
Какой из приведенных данных может быть сделан вывод?
Во-первых, тот, что в СССР имеется большой неиспользованный резерв гидроэнергии. Во-вторых, нам целесообразно вовлечь в энергетический баланс гидроэнергию в большем объеме, чем это имеет место сейчас. А все вместе взятое следует учитывать при составлении перспективных планов развития народного хозяйства.
При составлении планов строительства гидротехнических сооружений следует иметь в виду, что удельный вес гидроресурсов нашей страны в суммарных энергетических запасах (твердое, жидкое и газообразное топливо, гидроресурсы и т. д.) составляет 20,5%, а в Соединенных Штатах их удельный вес всего лишь 7%.
Чтобы ответить на вопрос о направлении гидротехнического строительства, следует сказать о степени готовности исследовательских и проектных работ в области сооружения гидроузлов. Проектными организациями выявлена возможность (на стадии исследования) сооружения на реках Советского Союза 1870 больших, средних и малых гидроэлектростанций с суммарной мощностью, равной 125 млн. кВт и годовой выработкой 650 млрд. кВт-ч электроэнергии. Технические данные схемы использования рек охватывают 1600 гидроэлектростанций с суммарной установленной мощностью, равной 95 млн. кВт. Проектные разработки подготовлены по 275 гидроэлектростанциям с общей установленной мощностью 30 млн. кВт.
Поскольку гидроэлектростанциям присущи два недостатка — большие первоначальные затраты и более длительные сроки сооружения по сравнению с тепловыми электростанциями, то при рассмотрении перспектив развития гидроэнергетики в Советском Союзе необходимо тщательно определять экономическую эффективность гидроэлектростанций.

Экономическая эффективность — критерий оценки

Этот вопрос следует рассмотреть более подробно. Себестоимость гидроэнергии почти в 10 раз ниже, чем на тепловых электростанциях. При производстве электроэнергии часть ее должна расходоваться на собственные нужды (работа вспомогательных механизмов). На тепловых электростанциях расход электроэнергии на собственные нужды в 1975 г. составил 6,02% от суммарной ее выработки, а на гидроэлектростанциях всего лишь 0,32%, т. е. в 18,8 раза меньше. Другими словами, на каждый млрд. кВт ч выработки электроэнергии в год гидроэлектростанции расходуют на собственные нужды 0,4 млн. кВт-ч, а тепловые электростанции — 55,0 млн. кВт-ч.
Отсюда следует вывод, что при расчете экономической эффективности следует учитывать все факторы, влияющие на экономику энергетики.
Гидроэлектростанции обладают высокой маневренностью; пуск в действие и набор нагрузки на гидрогенератор производятся в течение нескольких минут, в то время как на ввод в действие паровой турбины требуется не менее 3—4 ч.
Производительность труда на гидроэлектростанциях в силу присущих им специфических особенностей значительно выше, чем на тепловых электростанциях. Наряду с этими преимуществами имеются и серьезные недостатки. Одним из наиболее существенных недостатков ГЭС является высокая стоимость их сооружения. Удельные капиталовложения в объекты гидроэнергетического строительства восьмой пятилетки составили 297 руб/кВт, в девятой пятилетке удельные капиталовложения увеличились до 327 руб/кВт. Удельные капитальные вложения в строительство современной блочной тепловой ГРЭС за этот период составили 140 руб/кВт без учета топливной базы и транспорта топлива.
Высокая удельная стоимость гидроэлектростанций объясняется и тем, что при сооружении гидроузлов необходимо производить специфические расходы, ненужные на тепловых электростанциях. К ним относятся сооружение шлюзов, затраты на переселение населения с затопляемых земель, подготовка ложа водохранилищ, ирригационные сооружения.
Затраты на сооружения, хотя и вызванные строительством гидроузла, но не являющиеся неотъемлемой частью самой гидроэлектростанции, достигают от 16 до 50% от общей стоимости затрат по гидроузлу.
Крупным недостатком гидроэлектростанций является и длительность сроков их сооружения по сравнению с аналогичными гидростанциями Канады и США.
Наиболее короткий срок до пуска первого агрегата в Советском Союзе был достигнут при сооружении Цимлянской ГЭС (50 месяцев), тогда как в США сооружение крупных гидроэлектростанций продолжается 48 месяцев, а гидроэлектростанции средней мощности сооружаются за 36 месяцев.
Дальнейшее развитие гидроэнергетики идет по пути повышения экономики строительства, комплексного использования водных ресурсов и рационального соотношения ввода мощностей между гидравлическими и тепловыми электростанциями.
Технико-экономические показатели гидроэнергетики будут улучшаться за счет снижения удельных капитальных вложений, сокращения бетонных плотин путем замены их земляными или каменнонабросными, применения более прогрессивных типов плотин.
В последние годы в гидротехнических сооружениях Советского Союза наметилась правильная тенденция сокращения фронта водопропускных сооружений плотин за счет расположения водосбросов для пропуска излишних паводковых вод над отсасывающими трубами, спиральными камерами. Такие конструктивные решения дают значительную экономию в объемах бетонных работ и капитальных затратах.
По расчетам проектных организаций, при применении совмещенной компоновки водопропускных сооружений гидроузлов будет достигнута экономия (в среднем по всем ГЭС) в размере 5—7% суммарной стоимости зданий и плотин.
Размещение вcex бетонных сооружений гидроузла на одном берегу реки также дает преимущество, так как все устройства для приготовления бетонной смеси, транспортные сооружения и т. п. размещаются на одном месте. При однобережной компоновке удается вести бетонные работы за одной общей перемычкой, что сокращает объем работ и затраты средств на них.
Какие преимущества это дает, хорошо видно при сравнении капитальных затрат на сооружение Куйбышевской ГЭС, которая строилась с двух берегов, и Волжской ГЭС, сооруженной по однобережному варианту. В этом случае экономия капитальных затрат в пользу однобережного составила 10—12%.
Существенную часть объема работ стоимости и сроков сооружения составляют бетонные плотины гидроузлов. За последние 10— 15 лет, как уже говорилось, проектные организации стали переходить к проектированию арочных плотин для гидроузлов высотой до 300 м. Практика показала, что арочные плотины имеют бесспорное преимущество по расходу бетона 30— 40% против ранее сооружаемых гравитационных.
Для гидроузлов Советского Союза экономически выгодно сооружение каменнонабросных плотин по типу сооруженной Храмгэс № 2 в Грузии. В нашей стране издавна сооружались плотины из местных материалов, которые проверены длительной эксплуатацией. Подобные плотины построены на севере страны в суровом климате: на Верхне-Туломской ГЭС (р. Тулома), Ви- люйской (р. Вилюй) и Усть-Хантайской ГЭС (р. Хантайка). Высота указанных плотин колеблется от 48 до 70 м, а две последние плотины работают в условиях вечной мерзлоты.
В южных районах такие плотины сооружены на р. Куре (Мингечаурская ГЭС), на р. Чирчик (Чирвакская ГЭС) и на р. Вахш (Нурекская ГЭС).
Да и при строительстве плотин гравитационного типа принимался ряд мер для облегчения и удешевления. Примером может служить плотина Братской ГЭС высотой 125 м с расширенными швами или Красноярская ГЭС высотой. 124 м, где для экономии бетона применены полости, заполняемые инертными материалами. Удельный расход бетона в подобного рода плотинах в СССР несколько ниже аналогичных плотин в Соединенных Штатах Америки.
В строительстве земляных плотин стали применять совмещение временных перемычек с основным телом плотины, что сокращает объемы земляных работ.
Что касается зданий гидроэлектростанций, то и здесь затраты также возможно значительно снизить и сократить сроки всего строительства. В мировой практике, например, широко применяется открытое расположение энергетического оборудования на гидравлических и тепловых электростанциях, показавшее полную надежность работы оборудования.
Первый шаг в этом направлении сделан на Кременчугской и Днепродзержинской ГЭС на Днепре, где вместо машинных залов над оборудованием построены шатры. В результате была получена экономия капитальных затрат в сумме 17,5 млн. руб.
Укрупнение гидроэнергетического оборудования — первый шаг снижения капитальных затрат.
На Братской ГЭС установлены агрегаты единичной мощностью по 225 тыс. кВт; при увеличении их мощности до 300 тыс. кВт, что технически вполне достижимо, количество агрегатов сокращается с 20 до 15 штук, т. е. на 25%. При этом длина машинного зала уменьшается примерно на 20%, что снижает денежные и материальные затраты.
Точно так же на Волжской ГЭС установлены гидроагрегаты мощностью по 105 тыс. кВт, однако в эксплуатации они показали способность нести нагрузку 115 тыс. кВт, т. е. на 15% больше. При неизменной общей мощности ГЭС можно было бы установить не 20 агрегатов, как это сделано, а 17—18 агрегатов с соответствующим снижением затрат.
В связи с этим перед отечественным энергомашиностроением стоит задача перехода на производство более мощных гидравлических турбин. Выпуск гидротехнического оборудования с износоустойчивыми частями является важным делом, так как позволит отказаться от сооружения отстойников и значительно сократит капитальные затраты по некоторым гидроузлам.
Программа развития гидроэнергетики страны на ближайшие пять лет определена в плане развития народного хозяйства на 1976—1980 гг.

В 1980 г. гидроэлектростанции должны выработать примерно 180 млрд. кВт-ч электроэнергии, в том числе в европейской части, включая Кавказ, 80 млрд. кВт-ч.
Таким образом, к 1980 г. экономически выгодные потенциальные запасы гидроэнергии, равные 1095 млрд. кВт-ч, будут использованы на 16,5%. Использование потенциальных гидроэнергетических ресурсов европейской части и Кавказа к концу десятой пятилетки достигнет 40%.
За десять лет (1970—1980 гг.) годовой прирост выработки гидроэнергии составит 67 млрд. кВт-ч. Если предположить, что за десятилетие (1980—1990 гг.) производство гидроэнергии удвоится, т. е. возрастет со 180 (1980 г.) до 360 млрд. кВт-ч в 1990 г., то использование гидроресурсов страны достигнет примерно 36%.
В народнохозяйственном плане на 1976—1980 гг. подчеркнута роль гидроузлов в борьбе с наводнениями. На реках Восточной Сибири и Средней Азии периодически происходят катастрофические паводки, наносящие значительный ущерб, особенно сельскому хозяйству.
Гидроресурсы Дальнего Востока ставятся на службу социализма. Катастрофические паводки на притоках Амура — Зее и Бурее охватывают не только поймы этих рек, но распространяются и на низовья Амура и наносят большой ущерб.
Сооружение первой ступени гидроузлов в этом районе — Зейской ГЭС — вносит большие изменения в водный баланс амурского бассейна. Водохранилище Зейской ГЭС аккумулирует 68,4 млрд. м³ воды, в том числе 38,6 млрд. м³, активного, т. е. регулируемого, объема. Среднегодовой сток р. Зеи (в створе гидроузла) составляет 24,4 млрд. м³, следовательно, водохранилище Зейской ГЭС практически будет регулировать весь сток реки. Таким образом, с сооружением Зейского гидроузла ликвидируются катастрофические паводки этой реки ниже плотины. Аналогичную роль сыграет гидроузел Бурейской ГЭС, начатый сооружением на р. Бурее. Створ плотины будет расположен на 174 км выше впадения в р. Амур, что позволит защитить от паводков значительную территорию.
По расчетам проектной организации, Бурейский гидроузел освободит от катастрофических затоплений 15 тыс. га сельскохозяйственных земель, убытки от которых превышают 3,0 млн. руб. в год.
Две гидроэлектростанции этого района — Зейская и Бурейская способны произвести около 12 млрд. кВт-ч дешевой энергии в год, что в перспективе будет покрывать более 30% всей потребности в электроэнергии Дальневосточной энергосистемы.
Следует отметить, что богатейшие гидроэнергетические ресурсы Сибири и Дальнего Востока пока еще используются недостаточно, хотя уникальные гидрокомплексы уже сооружаются в Сибири.
Хорошо используется уникальный энергетический потенциал двух крупнейших рек Сибири — Ангары и Енисея. В топливно-энергетическом балансе страны эти две реки обладают потенциальными запасами гидроэнергии почти в 300 млрд. кВт-ч. Это составляет почти 30% от выработки всех электростанций СССР в 1975 г. В настоящее время действующие ГЭС на этих реках (включая Усть-Илимскую и Хантайскую гидроэлектростанции) вырабатывают немногим более 70 млрд. кВт-ч дешевой электроэнергии, что составляет 23,3% от потенциальных запасов указанных рек и их протоков. С вводом в эксплуатацию Саяно-Шушенской ГЭС с годовой выработкой 23,5 млрд. кВт-ч использование гидравлической энергии Енисея, Ангары с притоками достигнет 33,3 %.
Экономическое значение гидроэлектростанций Ангаро-Енисейского региона заключается в том, что на базе дешевой гидроэнергии развивается инфраструктура обширного края, обладающего огромными природными ресурсами.
На базе Братской ГЭС создан лесопромышленный комплекс по производству высококачественной целлюлозы, картона и древесных плит. Дешевая электроэнергия Братской и Красноярской ГЭС послужила основой создания крупнейших алюминиевых комбинатов и Коршуновского горно-обогатительного комплекса. Примечательно, что эти комплексы создаются на основе социалистической интеграции всеми странами — членами СЭВ. Первоклассные целлюлоза и картон пойдут, пропорционально вкладу, во все страны СЭВ. Вслед за Усть-Илимом начато строительство последней ступени Ангарского каскада — Богучанской гидроэлектростанции. Этот гидроузел будет иметь мощность 4,0 млн. кВт и годовую выработку электроэнергии 17,8 млрд. кВт-ч. Богучанская ГЭС завершает создание каскада ангарских гидроэлектростанций.
Очень крупная гидроэлектростанция может быть построена в районе Абалаково ниже впадения р. Ангары в Енисей. По расчетам проектной организации, этот гидроузел будет иметь мощность до 7,5 млн. кВт с объемом выработки электроэнергии более 34 млрд. кВт-ч.
В Средней Азии будут закончены в десятой пятилетке крупные гидроэлектростанции — Нурекская на р. Вахш мощностью 2,7 млн. кВт и Токтогульская на р. Нарын мощностью 1,2 млн. кВт. В этом районе намечено строительство более крупной Рогунской ГЭС мощностью 3,6 млн. кВт на р. Вахш. Среднегодовая выработка электроэнергии этой гидроэлектростанции составит 13,0 млрд. кВт-ч. Створ Рогунского гидроузла располагается в узком ущелье р. Вахш, что обеспечивает сравнительно короткую протяженность напорного фронта в 650 м. Рогунская плотина высотой 325 м будет самой высокой в мире. Общий объем водохранилища, образуемого плотиной ГЭС, составит около 116 млрд. м³.
Рогунская ГЭС высокоэффективна для сельского хозяйства Средней Азии и Южного Казахстана. На базе водохранилища этой гидроэлектростанции будет орошено более 0,5 млн. га плодородной земли.
Токтогульская, Нурекская и Рогунская гидроэлектростанции будут располагать суммарной мощностью 7,5 млн. кВт и вырабатывать 29,5 млрд. кВт-ч дешевой электроэнергии. Эти гидроузлы являются регулирующими. Ниже по течению намечается сооружение каскада ГЭС. Водные запасы рек Средней Азии обеспечат не только нужды энергетики, но и послужат живительным источником для сельскохозяйственного производства, особенно для полива хлопка.
Гидроэнергия экономит топливо. Динамика ввода мощностей, производства электроэнергии и экономии минерального топлива за последние три десятилетия такова:

За три десятилетия гидроэлектростанции обеспечат экономию минерального топлива в размере 839 млн. т у. т., что равно 54% годовой его добычи за 1975 г.

Учитывая напряженный топливный баланс европейской части страны, целесообразно более тщательно рассмотреть возможность дополнительного освоения гидроэнергоресурсов европейской части и Кавказа. На Кавказе могут быть построены: ГЭС Худони мощностью 600 МВт на р. Ингури и ГЭС Намахвани мощностью 600 МВт на р. Риони. Более крупная Ирганайская ГЭС мощностью 800 МВт может быть сооружена на р. Сулак. На р. Ардан предполагается сооружение Зарамачской ГЭС мощностью 400 МВт.
Ряд гидростанций может быть построен в Центре и на Северо-Западе европейской части страны. Среди них Переволокская ГЭС мощностью 1400 МВт на р. Волге и ряд других гидроэлектростанций.
В европейской части страны имеются также возможности строительства нескольких гидроаккумулирующих электростанций, о чем мы уже говорили.
Итак, основные задачи в области развития гидроэнергетики нашей страны сформулированы в решениях XXV съезда КПСС.
К числу важнейших следует отнести производство гидроагрегата мощностью 640 МВт. Предстоит решить ряд других технических задач, связанных со строительством Богучанской ГЭС на напор 70 м, Осиновской ГЭС мощностью 6500 МВт на напор 40—50 м, Богучанской ГЭС мощностью 4000 МВт на напор 309 м, Бурейской ГЭС мощностью 2000 МВт на напор 124 м.
Важные проблемы стоят перед разработчиками оборудования и гидротехнических сооружений в области гидроаккумулирующих электростанций. В частности, в десятой пятилетке энергомашиностроителям предстоит изготовить первые обратимые гидроагрегаты мощностью 200 МВт на напор 100 м для Загорской ГАЭС.
Научно-исследовательские организации работают над созданием конструкций насыпных плотин высотой до 330 м для районов с высокой сейсмичностью и бетонных плотин для условий Крайнего Севера, в районах вечной мерзлоты.
Исследуются также условия для создания экономичных конструкций зданий ГАЭС с гидромашинами на напоры 200—400 м и шахтных ГАЭС на напоры 90— 1200 м. Предстоит разработать технологию строительства ГАЭС в опускных колодцах на напоры 100—120 м, ГАЭС на напоры 90—400 м, провести исследования и  разработки проточной части обратимых гидромашин для диапазона напоров 115—230 м применительно к Днестровской и Тереблярикской ГАЭС.
Проектные организации готовят предложения о создании в европейской части энергокомплексов в составе ГЭС, ГАЭС и АЭС, обеспечивающих наиболее полное энергетическое использование водных и земельных ресурсов в условиях их ограниченности.
Развитие гидроэлектростанций на перспективу направлено на ускорение использования богатейших вечновозобновляемых комплексных и социально значимых природных гидравлических ресурсов Советского Союза.
Итак, гидравлические ресурсы привлекательны своей вечной возобновляемостью, но ограничены. Даже их полное использование не может покрыть все потребности в электроэнергии на перспективу. Ученым и специалистам это было известно. И они настойчиво и целеустремленно искали новые источники энергии. Какие же имелись перспективы в этой области? Ответ на такой вопрос обозначился после того, как итальянский физик в тридцатых годах впервые расщепил атом урана с атомным весом 235. При делении атомного ядра выделялось огромное количество энергии. Но еще не было никакой уверенности в возможности ее использования. Дело в том, что энергия выделялась (при делении ядра) взрывом, т. е. была неуправляема.
Честь «обуздания» и управления атомной энергией с целью получения из нее электрической энергии принадлежит советским ученым. Под их руководством в нашей стране была разработана не только теория управления атомным процессом, но, что не менее важно, создано соответствующее оборудование, с помощью которого атомная энергия превращается в электрическую.
Скрупулезно, шаг за шагом искали и находили инженерные решения теоретические исследования.
Коллективы многих предприятий претворяли эти решения в конструкции, машины, аппараты.
Наконец, в 1954 г. впервые в мире была пущена первая атомная электростанция. Атом урана был поставлен на службу прогресса и благополучия людей.
Атомные электростанции стали быстро развиваться. Росли их мощности, совершенствовалась техника.
Неизменно возрастает удельный вес АЭС в энергетическом балансе. Это была и есть захватывающая эпопея роста и совершенствования разума. Расщепление атома и решение проблемы его управления — величайшее достижение науки, техники и практики.
О процессе создания и совершенствования атомной энергетики мы расскажем в следующей, шестой главе.