Енергія води: як французький винахід змінив історію людства

Насправді видатним  моментом  в історії людства став винахід водяної турбіни французьким інженером Бенуа Фурнероном у 1834 році.  Відкриття назвали на честь винахідника – турбіна Фернерона і найперше застосування  вона знайшла на французькій фабриці  Давільє і К°. Турбіна мала горизонтальне розташування.  Два набори лопатей, заокруглених у протилежних напрямках  видобували з потоку  води максимум енергії. Винахід приніс Фурнерону визнання та  нагороду Французького товариства  заохочення індустрії  (French Society for the Encouragement of Industry), розміром у шість тисяч франків.

Упродовж наступних років французький інженер активно оптимізовував роботу свого винаходу.  У 1837 році він сконструював турбіну, яка розвивала потужність у 60 кінських сил та здійснювала 2300 обертів на хвилину. Колесо турбіни  мало діаметр усього 0,3 метри та важило близько 18 кілограмів. Обладнання досить швидко здійснило фурор у середовищі промисловців. За декілька років  турбінами Фернерона обзавелись сотні промислових підприємств та мануфактур Франції. Згодом винаходом французького інженера зацікавились по всій Європі та у Сполучених Штатах.

Вважається, що вперше енергію води для виробітку електроенергії використав промисловець та винахідник з Ньюкасла Вільям Джордж Армстронг у 1878 році. Гідроенергія була використана для живлення єдиної електродугової лампи у художній галереї винахідника.

Щодо того де і коли була збудована перша гідроелектростанція існує декілька версій. Згідно з найбільш розповсюдженою, первістком гідроенергетики стала введена в експлуатацію у 1882 році ГЕС на річці Фокс-Рівер у місті Еплтон (штат Вісконсін, США).  Того ж таки року на Ніагарському водоспаді дала перший струм  й  ГЕС Якоба Шоелкоппфа. Підприємець під’єднав до водяного колеса електрогенератор, який забезпечував живлення 16 освітлювальних ламп.

Наприкінці ХІХ- початку ХХ століття розпочався справжній гідроенергетичний бум - електростанції  почали з’являтись одна за одною. Через сім років після введення в експлуатацію першої ГЕС, у Сполучених Штатах налічувалося вже понад 200 гідроелектростанцій.

В 1936 році стала до ладу дамба Гувера, потужністю 2078 МВт, а через шість років – ГЕС Гранд-Кулі з рекордними на той час 6809 МВт потужності.

Просто про складне. Що таке гідроагрегат та як він працює?

На сьогодні  гідроенергетика забезпечує  виробництво близько  20 % всієї електроенергії у світі.  Сучасні гідроелектростанції – це потужні споруди, які перетворюють кінетичну енергію води в електроенергію. Принцип роботи будь-якої ГЕС є доволі простим та майже однаковим. Із водосховища вода по водоводах потрапляє на турбіни. Напір води, спрямований на лопаті гідротурбіни, змушує її рухатись. Обертання турбіни забезпечує рух генератора. Генератор виробляє електроенергію, яка й подається на трансформаторну станцію, а потім на ЛЕП.

Необхідний напір води на турбіни забезпечується будівництвом дамби і, як наслідок, концентрацією річки у визначеному місці. В деяких випадках користуються природнім потоком води. Найбільш розповсюджені дамбові ГЕС мають в своїй основі дамбу, яка перегороджує русло річки. За дамбою вода підіймається, накопичується, створюючи свого роду водяний стовп, який забезпечує тиск та напір. Над дамбою утворюється водосховище, яке забезпечує рівномірну роботу станції упродовж року. Завдяки дамбі та водосховищу можна попередити паводкові затоплення, а також створити надійний запас води для водопостачання населення та промисловості.

Перед підводом води до гідроагрегату облаштовані металічні грати. Вони затримують гілки дерев та інше сміття, яке потрапляє до річки. Потім вода потрапляє в трубу, яка має спіральну форму й  схожа на мушлю велетенського равлика. В її центрі обертається колесо турбіни. Ця труба називається спіральною камерою та слугує для підводу води безпосередньо до турбіни.

Гідравлічна турбіна має направляючий апарат. Він являє собою лопаті, які обертаються навколо своєї осі. Розташовуються вони по окружності із зовнішньої сторони турбіни. Повертаючи лопаті направляючого апарату, можна зменшити, або збільшити впуск води до турбіни, змінити її потужність. Так підтримується постійне число обертів турбіни при будь-якому її навантаженні.

З направляючого апарату вода потрапляє на робоче колесо. Власне, воно й використовує енергію водяного потоку. Діаметр робочого колеса залежить від потужності турбіни та напору води й може досягати 9 та більше метрів.

З робочого колеса вода потрапляє до всмоктувальної труби. Через неї відпрацьована вода з турбіни потрапляє у річку нижче дамби. Всмоктувальна труба створює під робочим колесом понижений тиск води, що значно збільшує потужність турбіни. ККД водяної турбіни дуже високий- близько 90%. 

Гідротурбіна – головне обладнання гідроелектростанції. На ГЕС з низьким напором води використовують поворотно-лопатеві гідротурбіни. Такі турбіни встановлені на Київській, Канівській, Кременчуцькій, Середньодніпровській, Дніпровській, Каховській, Дністровській гідроелектростанціях. Корисна віддача гідротурбіни з поворотними лопатями робочого колеса велика не лише при повному, але й при частковому навантаженні.

Гідротурбіни обладнані автоматичними регуляторами. Вони працюють за допомогою рідкого мінерального мастила, яке перебуває під високим тиском. Регулятор сам, без участі людини, відкриває та закриває направляючий апарат, а також повертає лопаті робочого колеса, тобто, збільшує, або зменшує потужність турбіни.

Турбіна гідроелектростанції приводить в рух гідрогенератор. Одна з основних частин генератора – статор. Це порожній всередині циліндр, виготовлений зі спресованих тонких сталевих листів. Всередині статора обертається насаджений на вал барабан – ротор. На ньому закріплені полюси сильних електромагнітів. Вал гідрогенератора спричиняє рух невеличкого допоміжного генератора – збуджувача. Він виробляє постійний електричний струм для збудження магнетизму в полюсах ротора. Полюси електромагніту швидко рухаються біля витків обмотки статора. В обмотці виникає перемінний електричний струм.

Напруга електричного струму, виробленого гідрогенератором, у порівнянні з напругою лінії електропередачі, низька. Такий струм передавати на далекі відстані неможна. Для цього треба значно підвищити напругу, скажімо до 200 тис В. Підвищують напругу за допомогою трансформатора, який, зазвичай, розташовують на відкритому майданчику неподалік генератора.

На місцях споживання електроенергії змінний струм високої напруги необхідно знову перетворити в струм низької напруги, яким живляться електроприлади у оселях українців. Зворотнє перетворення електроенергії виконують також трансформатори, які називаються понижувальними.

Роботою гідроагрегатів керують зі спеціального пульта керування. На панелях пульта встановлені численні пристрої -  вони вимірюють силу електричного струму, його напругу та інші важливі величини. На пульті відбивається все життя гідроелектростанції. Пульт керування – своєрідні мізки станції, центр її «нервової системи», який отримує сигнали та надсилає команди усім гідроагрегатам.

На сьогодні найстаршою та найбільш потужною гідроелектростанцією Дніпровського каскаду є славнозвісна ДніпроГЕС, встановлена потужність якої складає 1553,8 МВт. Станція  складається з Дніпровської ГЕС-1, на якій встановлено десять гідроагрегатів з турбінами радіально-осьового типу та Дніпровської ГЕС-2 , яка має вісім гідроагрегатів: п’ять з турбінами поворотно-лопатевого типу  та три з пропелерними турбінами. В найближчому майбутньому усі пропелерні турбіни буде замінено на поворотно-лопатеві. 

Нове життя галузі. Для чого потрібна реконструкція  гідроагрегатів?

Більшість вітчизняних гідроелектростанцій збудовано понад півстоліття тому. За час експлуатації основні виробничі потужності гідрогенеруючих підприємств зазнали істотного фізичного зносу, подекуди повністю вичерпавши свій ресурс. У 1996 році керівництвом компанії Укргідроенерго було прийнято рішення про реабілітацію усіх діючих ГЕС і ГАЕС. На разі триває ІІ етап реконструкції гідроелектростанцій компанії, метою якого є тотальне оновлення  гідроагрегатів. Зі 103 гідроагрегатів, які є на балансі компанії, нове життя вже отримав 71. До 2026 року компанія має на меті провести повну реконструкцію гідроагрегатів зі встановленням нових регуляторів швидкості, систем збудження, систем управління та моніторингу, систем захисту та інших елементів.

Важливість  реконструкції важко переоцінити, адже завершення технічного переоснащення ГЕС і ГАЕС, які входять до складу компанії, продовжить їх ресурс щонайменше на 30-40 років, сприятиме підвищенню рівня безпеки експлуатації станцій та зростанню їхньої загальної потужності на 320 МВт. Окрім того, модернізація гідроагрегатів дозволить на 330 млн кВт/год додатково збільшити щорічне виробництво електроенергії компанією.

Реконструкція гідроагрегатів переслідує також й природоохоронну мету. Внаслідок заміни основних вузлів досягається підвищення герметичності маслонаповненого обладнання, що, в свою чергу, запобігає потраплянню олив у річки та сприяє покращенню екологічної ситуації у місцях присутності компанії.

Реконструкція гідроагрегатів – колосальна праця, яка потребує значних зусиль  та ресурсів. Лише уявіть: кожен гідрогенератор важить близько тисячі тон та розташовується на глибині в декілька десятків метрів. Його необхідно вивести з експлуатації, розібрати, демонтувати, а потім поетапно зібрати на його місці новий. Важлива умова: під час реконструкції гідроелектростанція повинна працювати у звичному режимі, без зупинки та зменшення виробітку електроенергії.

Варто зазначити, що до реалізації проєкту реконструкції залучені такі відомі іноземні компанії як ЕDF, Andritz Hydro, Emerson, ATEF. Втім, левова частка робіт виконується українськими заводами - АТ «Турбоатом» та ДП «Завод «Електроважмаш».

 Фінансування програми відбувається як за рахунок кредитних коштів Європейського банку реконструкції та розвитку, а також Європейського інвестиційного банку, так і за рахунок власних. Загальний обсяг інвестицій по проєкту другої черги реконструкції гідроагрегатів Укргідроенерго становить понад 22 мільярди гривень.

Враховуючи, що однією з найгостріших проблем української енергетики є дефіцит маневрових потужностей в енергосистемі, найкращим джерелом регулюючих та резервних потужностей є гідро- та гідроакумулюючі електростанції. Саме вони можуть забезпечити збалансовану та ефективну роботу енергосистеми в цілому. Наразі в енергетичному балансі держави частка гідроенергетики не перевищує 10%. Втім Енергетичною стратегією країни до 2035 року передбачене поступове її збільшення за рахунок будівництва нових та реконструкції існуючих гідрогенеруючих потужностей.

Іван Вітер