Раздел 2. Гидроэнергетические ресурсы, их использование. Принципиальные схемы, параметры, режимы работы ГЭС и ГАЭС

Першими спорудженням крупних центральних електростанцій з генераторами постійного струму для виробництва електричної енергії і доставки її абонентам зайнялися американські інженери. Споживачі, таким чином, були позбавлені необхідності самим виробляти електроенергію для живлення освітлювальних ламп. Ідея централізованого виробництва електроенергії була настільки економічно виправданою і настільки відповідала тенденції концентрації промислового виробництва, що ще до широкого розповсюдження електричних ламп розжарювання американці вже споруджували центральні електростанції для постачання електроенергією дугових ламп.

Коли Едісон удосконалив свою лампу розжарювання до можливості її практичного застосування, декілька заповзятливих американських фінансистів в 1881 році купили ділянку землі в Нью-Йорку, і вже у вересні 1882 року перша в світі крупна центральна електростанція була введена в роботу. Вона складалася із шести пародинамо-машин конструкції Едісона потужністю по 125 кінських сил кожна (92 кВт). При цьому район освітлення ледве сягав площі 2,5 кв. кілометра. Геніальний винахідник і організатор Едісон зумів поставити справу на електростанції так, що всі великі та маленькі технічні питання, які мають величезне практичне значення, були успішно вирішені. Так, генератори станції мали штучне охолодження і з’єднувалися безпосередньо з двигуном. Напруга регулювалася автоматично.

На станції здійснювалися механічна подача палива в котельну і автоматичне видалення золи і шлаку. Захист устаткування від струмів короткого замикання здійснювався плавкими запобіжниками. Магістральні лінії були кабельними. Згодом за аналогією з першою Нью-Йоркською центральною електричною станцією було побудовано ще п’ять таких самих електростанцій з вдосконаленими едісоновськими пародинамо.

Зважаючи на необхідність будівництва електростанцій в безпосередній близькості від місця споживання електроенергії (через малу напругу електропередачі), а також зважаючи на значну вартість землі в Нью-Йорку, перші електростанції розміщувалися в багатоповерхових будівлях, що було небезпечно і конструктивно вельми нераціонально.

У підвальному поверсі були встановлені парові машини і великі пародинамо. Останні через величезну вагу своїх рухомих частин вимагали дуже міцних фундаментів і тому розміщувалися в нижньому поверсі. На другому поверсі (на рівні землі) були розміщені менш потужні динамо-машини, а на третьому і четвертому поверхах – відповідно парові водотрубні котли і вуглесховища. На самих верхніх поверхах – система охолоджування води за допомогою потужних вентиляторів і акумуляторна батарея на 8000 А·год.

Згодом при розробці систем трансформації електричній енергії і вдосконаленні високовольтних ліній електропередачі, будівництві центральних електричних станцій почали по можливості застосовувати горизонтальне розташування устаткування в будівлі, а самі будівлі споруджувати за межею щільної міської забудови.

Берлінська центральна електростанція була побудована в 1884 році для забезпечення міста електричним освітленням. Спочатку станція була обладнана трьома паровими і вісімнадцятьма динамо-машинами Едісона, які згодом були замінені на досконаліші та потужніші динамо-машини фірми «Сіменс і Гальське».

У міру модернізації електростанції район освітлення концентрично розширювався.

Мал. 8.12. Машинний зал Берлінської центральної електростанції

Якщо на 1 січня 1886 р. станція забезпечувала електроенергією близько 5000 електроламп потужністю по 50 Вт, то на початок 1899 р. було встановлено більше 600 тисяч електроламп, що дозволило освітити практично всю центральну частину Берліна. У процесі модернізації Берлінської центральної електростанції всі численні невеликі динамо-машини з ремінною передачею від парової машини були замінені декількома динамо-машинами великої потужності, безпосередньо приєднаними до парової машини. Будівля модернізованої Берлінської центральної електростанції мала розміри близько 24х15 метрів, причому нижню частину займав власне машинний зал (мал. 8.12), а у верхній знаходилися контора і приміщення для обслуговуючого персоналу. На станції було встановлено чотири потужні вертикальні парові машини по 300 кінських сил кожна з безпосереднім безремінним приводом на динамо-машини фірми «Сіменс і Гальське». Згодом до трьох парових машин були додані ще дві потужністю по 900 кінських сил.

При сумісній дії декількох динамо-машин експлуатаційному персоналу Берлінської центральної електростанції довелося вперше вирішувати складну задачу забезпечення їх надійної паралельної роботи при електричному навантаженні, що змінюється в часі. Багаторічний досвід експлуатації електростанції і статистичний аналіз величезної кількості даних щодо електроспоживання в різний час доби і року дозволив інженерам встановити закони зміни електроспоживання і навіть передбачати його величину для найближчих годин і днів. При цьому враховувалися можливість випадкових коливань споживання, а також поступове зростання загального споживання електроенергії.

Розглянуті вище перші центральні електричні станції постійного струму, не дивлячись на свою відносну безпеку і простоту конструкції, мали істотний недолік – неможливість передачі постійного електричного струму на великі відстані (максимум – до 1000 м) і, отже, обмеженість території, яка могла бути забезпечена електроенергією від електричної станції. Крім того, електростанція повинна була територіально знаходитися в географічному центрі освітлюваного округу, тобто в найбільш густонаселених міських кварталах на найбільш дорогих ділянках землі.

Подолання відмічених вище технічних недоліків стало можливим тільки при розробці пристроїв для трансформації напруги і способів передачі електричної енергії на напрузі, підвищеній до декількох тисяч вольт. Як відомо, практичне застосування набули тільки системи трансформації змінного струму, що і зумовило подальший пріоритет останніх і, відповідно, широке розповсюдження змінного струму для передачі електричної енергії. Тому в 80-х роках XIX століття почали будувати електричні станції змінного струму, які дозволили розширити область застосування електроенергії.
Мал. 8.13. Машинний зал центральної станції в Дептфорді

Особливої переваги набувають електричні станції, розташовані поблизу джерел водяної сили (водопади та штучні дамби), або поблизу вугільних розрізів. Прикладом такого рішення є центральна електрична станція в Дептфорді (Англія), побудована в 1885 році для освітлення західної частини центрального Лондону. Станція була обладнана динамо-машинами змінного струму потужністю 1000 кВт і напругою електропередачі в 10000 В (мал. 8.13). Причина, що спонукала англійців до такого відважного кроку, полягала в тому, що підприємницьке товариство «Лондонська компанія з постачання електрики» побажала побудувати станцію по можливості далі за межею міста на дешевій землі. Проектувальники зупинилися на передмісті Лондона – Дептфорді, розташованому поблизу Грінвіча на відстані 12 км від центру. Небачена сміливість англійських електротехніків полягала в тому, що на той час способи безпечної передачі електричного струму такої напруги ще були зовсім не відпрацьовані.

У 1889 році поблизу Портленда (США) була побудована крупна гідростанція, на якій гідравлічні двигуни приводили в дію вісім однофазних генераторів змінного струму загальною потужністю 720 кВт.

Характерною особливістю перших електростанцій змінного струму була ізольована робота окремих машин. Синхронізація генераторів ще не проводилася, і від кожної машини йшло окреме коло до споживачів. За таких умов дуже неекономічними виявлялися електричні мережі, на спорудження яких витрачалися колосальна кількість міді та ізоляторів.

Наприкінці 90-х років ХІХ століття в США при спорудженні районних електростанцій для постачання електроенергією промислових районів і міст розвернулася запекла боротьба навколо величезних джерел енергії Ніагарського водопаду. Томас Едісон пропонував будівництво електростанцій по виробництву постійного струму. Вестінгауз ратував за спорудження гідростанцій змінного струму.

Здобувши за допомогою розвідки креслення генераторів змінного струму Вестінгауза, Едісон відтворив такий же і запропонував сенату свого штату законопроект про заборону змінного струму як надзвичайно небезпечного. Едісон розгорнув кампанію в газетах, де виставляв змінний струм супротивним людській природі, моралі та біблії, закликав не проводити в будинки змінний струм. Але все було марно. Не дивлячись на всі спроби зганьбити змінний струм, він став широко використовуватися для передачі електроенергії на відстань. У 1896 році була введена в дію перша районна гідроелектростанція на Ніагарі. Динамо-машини виробляли струм напругою в 2000 В. Для передачі електроенергії споживачу напруга підіймалася трансформаторами до 50000 В. Електропередача здійснювалася на відстань до 550 км. У подальші роки дали струм потужні гідроі теплові станції в Обершпреє (Німеччина, 1897), Рейнфельдська ГЕС (1898), гідроелектростанція в Жонат (Франція, 1901).
Ніагарський водопад

Використання такої значної на ті часи напруги сприяло інтенсивному розвитку технології трансформації електричної енергії, створенню високовольтної комутаційної і розподільної апаратури, а також розробленню прогресивних методів виготовлення проводів для високовольтних ліній електропередачі.

У сузір'ї славних імен учених кінця XIX і початку XX сторіччя, які своїми відкриттями вписали найбільш яскраві сторінки в історію пізнання електричних і магнітних явищ, значне місце належить геніальному сину українського народу, видатному ученомуекспериментатору зі світовим ім’ям, інженеру, поліглоту-перекладачу, письменнику і просвітителю, професору експериментальної і технічної фізики в Німецькій вищій технічній школі в Празі Івану Павловичу Пулюю. Високу оцінку свого внеску в світову науку і культуру він одержав за межами своєї вітчизни.

Ідея спорудження гідроелектростанцій в Росії зародилася ще в 70-х роках XIX століття. Військовий інженер Ф.А. Піроцький з 1874 року неодноразово пропонував використовувати силу річок і водопадів, розташованих поблизу Петербургу, для виробництва електроенергії, здатної знайти використання в столиці імперії.

Перші петербурзькі електростанції, які обслуговували район Невського проспекту, на початку 80-х років ХІХ ст. розміщувалися на баржах, закріплених у причалів на річках Мойці та Фонтанці. Будівники виходили з міркувань дешевого водопостачання. Крім того, при такому вирішенні будівництва не потрібно було купувати земельні ділянки, близькі до споживача. У 1886 році в Петербурзі було засновано акціонерне «Товариство електричного освітлення 1886 р.», яке придбало станції на річках Мойці та Фонтанці і побудувало ще дві: у Казанського собору і на Інженерній площі. Потужність кожної з цих станцій ледве перевищувала 200 кВт.

Мал. 8.14. Центральна електростанція «Товариства електричного освітлення 1886 року» у Санкт Петербурзі. Побудована в 1898 р.
Мал. 8.15. Київська центральна електрична станція трифазного струму на Андріївській вулиці. Введена в експлуатацію в грудні 1898 р.

Іван Павлович Пулюй (1845–1918) народився в містечку Гримайлів на Тернопільщині в заможній сім'ї. Відразу після закінчення з відзнакою Тернопільської класичної гімназії він вступає до Віденського університету і в 1869 році закінчує теологічний факультет, а в 1873 р. успішно закінчує навчання на природничому факультеті цього ж університету. Його приваблює науководослідна робота. Значно пізніше, вже будучи маститим ученим, він напише: «Якщо б я повинен був ще раз починати жити і працювати, то не обрав би інших наук, чим природничі. Тут вічні закони і непохитна правда». Іван Пулюй володів рідкісним поєднанням унікальних здібностей експериментатора з високим інтелектом теоретика. Він увійшов до науки в період розвитку кінетичної теорії газів, яка була першим кроком до пізнання мікроструктури речовини. У цій області фізики він досяг блискучих результатів, його теоретичні дослідження згодом знайшли повне підтвердження на практиці. Головна проблема, яку намагався вирішити вчений, полягала в з’ясуванні природи процесів, що відбуваються в газорозрядних трубках. Він першим, ще до американського фізика Г. Ровленда, за допомогою свого приладу отримав найточніше значення механічного еквівалента теплоти.

У галузі електротехніки Іван Пулюй удосконалив виготовлення ниток розжарення для освітлювальних ламп, одержавши на це патент. Він першим систематично дослідив холодне світло (неонове). Важливе практичне значення мала запропонована ученим конструкція телефонних станцій і абонентських апаратів, захищених від дії сильних електричних струмів. Іван Пулюй – винахідник багатьох електротехнічних і фізичних приладів. В енциклопедіях фізики наводяться два його винаходи, удостоєні медалей на міжнародних виставках в Парижі (1878, 1881 рр.) – прилад для вимірювання механічного еквівалента теплоти і лампа Пулюя (вакуумна трубка, в якій під дією катодних променів на оксиди або сульфіди кальцію, магнію, стронцію або барію виникали, окрім видимого випромінювання, такі ж промені, які відкрив у листопаді 1895 року Вільгельм Конрад Рентген).

Коли в 1889 році австрійський уряд вирішив субсидувати будівництво електростанцій, Іван Пулюй відвідував міста в Чехії і на Мораві, переконуючи представників самоврядування скористатися цією можливістю. Це було зовсім не просто. Навіть в Празі боротьба за спорудження електростанції продовжувалася сім років. Неоднозначними були думки і з приводу типу електростанції – чи буде вона виробляти постійний чи змінний струм. Саме Пулюй твердо відстоював як економічні, так і екологічні переваги концепції будівництва потужних електростанцій змінного струму, і в Празі він створив електростанцію, яка виробляла змінний струм. Парова електростанція з п'ятьма альтернаторами потужністю по 800 кВт кожний була споруджена на березі Влтави в Голешовіцях в 1898–1900 рр. Окрім цієї електростанції, професор Пулюй керував спорудженням ряду електростанцій на постійному струмі в Австро-Угорщині. Завдяки своїм енциклопедичним знанням учений мав великий авторитет в наукових кругах, серед промисловців і громадських діячів.

У 1888 р. він обирається ректором Німецької вищої технічної школи в Празі, багато років був експертом з питань проектування і будівництва електростанцій і електромереж при імператорському і королівському суді в Чехії, президентом Електротехнічного товариства в Празі.

Перша промислова електростанція в Росії потужністю 300 кВт була збудована в 1895– 1896 роках під керівництвом інженерів В.М. Чиколєва і Р.Е. Классона для енергопостачання Охтинського порохового заводу в Петербурзі. Центральна електростанція «Товариства електричного освітлення 1886 року», побудована в Санкт-Петербурзі в 1898 році, показана на мал. 8.14.

Центральна електростанція трифазного струму в Києві (мал. 8.15) була введена в експлуатацію також в 1898 році.