В. Электрификация и водная энергия

В. Электрификация и водная энергия

Вода как источник энергии известна с очень отдаленных времен; указания на использование гидравлической энергии в хозяйственных целях встречаются у римских писателей, но только соединение водяной турбины с динамо и передача энергии на далекое расстояние проводами высокого напряжения создали возможность такого мощного расцвета использования гидроэнергии, как это можно наблюдать теперь.

Почти во всех странах перед мировой войной, а после ее окончания в еще большей степени выявилось стремление возможно полно использовать водную энергию и передать ее в промышленные центры, железным дорогам, городам, сельскому хозяйству и т. д. Энергия получила подвижность и гибкую приспособленность к запросам потребителя.

Что касается России, то использование водной энергии по анкете VI отдела Русского технического общества 1912—1913 гг. достигало 989 тыс. л. с.[1], причем большая часть установок была колесного типа и только 20—25% относилось к турбинам, мощность которых не превышала 1250 л. с.[2] Таким образом, около половины всех стационарных двигателей в России приходилось на водяные колеса и турбины, однако по сравнению с имеющимися запасами живой силы воды использованный миллион лошадиных сил представляет ничтожную величину.

В последнее время мода на использование водной энергии весьма укрепилась не только за границей, но и у нас; даже стали в большом ходу такие выражения, как “дешевая водная энергия”, “даровая сила падения воды” и т. п., свидетельствующие о крайнем оптимизме, царящем среди техников и широких кругов населения в отношении к затронутому вопросу. Однако все же надо признать тот факт, что даже в передовых экономических странах дело не получило такого громадного развития, как это можно было бы ожидать на основании только что приведенных суждений, и во всяком случае развитие тепловых установок пока не уступает воде первого места, за исключением таких стран, как Швеция, Италия, Швейцария, где обилие водной энергии комбинируется с недостатком горючего.

Особенно утилизация водной энергии в ее современной форме получила слабое развитие в России, несмотря на то, что в последние годы русскими техниками сделана весьма большая работа по изучению возможности получить крупные силовые установки на наших реках и озерах.

Поэтому прежде всего необходимо выяснить условия, при которых становится экономически жизненной та или иная гидроустановка, и в первую очередь все то, что дается естественными условиями места и характером используемого потока.

С одной стороны, это подходящий рельеф местности и геологическая структура, позволяющие возвести необходимые сооружения и получить достаточный напор, а с другой — водоносность и режим стока интересующей реки, ручья или другого водного источника.

Та или иная форма рельефа и геологическая структура определяют возможную высоту подпора, другой же производитель мощности — секундный расход воды — получается обычно в виде сильно изменяющейся величины; в зависимости от площади бассейна, температуры, количества выпадающих осадков, почвенных условий и геологической структуры бассейна изменяется и объем воды, протекающий в единицу времени через данное живое сечение потока.

Третьим весьма серьезным условием для правильного суждения о выгодности той или иной гидроцентрали является уклон потока, чем в значительной степени определяется возможность той или иной концентрации падения воды.

Собственно первое и третье условия приходится рассматривать всегда вместе, так как высота и тектоника берегов определяют возможную высоту плотины, а уклон — величину затопляемой территории при подъеме воды и объем резервуара, получаемого выше плотины. В природе по большей части высокие берега, сложенные твердыми водонепроницаемыми породами, и крутые уклоны встречаются в верховьях горных рек, в равнинных же районах такая комбинация встречается как редкое явление.

Чтобы увидеть это наглядно, достаточно взглянуть на прилагаемые продольные профили рек Куры и Аракса на которых видно, как резко отличается уклон реки в горной части от ее уклона в низовьях (см. рисунок 1 и 2)

Рисунок 1. Падение реки Куры от поплинского моста до впадения ее в Каспийское море

.

Изменчивость расхода ведет обычно к тому, что расчет устанавливаемой мощности приходится вести, основываясь на расходе воды, близком к минимальному, если предполагается иметь постоянный источник энергии.

Дальнейшее использование водных ресурсов требует уже регулирования стока (суточного, годового и даже многолетнего), что достигается возведением соответственных сооружений в виде плотин, каналов, водосливов, водоспусков и пр. Кроме того, создание самой станции тесно связано с выполнением целого ряда гидротехнических устройств, помимо конструкций, непосредственно связанных с машинным зданием.

Рисунок 2. Падение реки Аракса от Асладузского поста до впадения его в реку Куру

Таким образом, гидроэлектрическая централь для своего осуществления требует значительных затрат и довольно продолжительного периода времени для постройки по сравнению с тепловыми станциями.

Эти затраты в значительной степени искупаются пониженными расходами на эксплуатацию, так как здесь не нужно топлива и всего, что с этим связано, т. е. складов для хранения горючего, транспортных устройств для его перемещения и т. д.; однако необходимо иметь в виду, что полный расход предприятия складывается не только из трат на эксплуатацию, а также и целого ряда других расходов, таких, например, как уплата процентов на строительный капитал, который к тому же благодаря длительному периоду сооружения станции весьма часто превышает сметный в 1,6‑2 раза, трата на ремонт сооружений, содержание целого штата служащих, наблюдающих за режимом стока реки, служащей источником силы, и составляющих графики работы станции, регулирующих водохранилищ, и многое другое, что при крупных станциях и больших бассейнах рек составляет весьма серьезную работу для лиц, ведущих силовое хозяйство.

Сильной компенсацией выгод от гидравлических станций является необходимость устраивать гидравлическую установку не в месте потребления энергии, а там, где это возможно по естественным условиям места.

Таким образом, гидравлическую силовую установку можно характеризовать как предприятие с высокой структурой капитала, что, конечно, и объясняет, почему подобного рода устройства распространяются главным образом там, где экономическое развитие страны достигло уже известного уровня. При этом не следует считать, что это верно лишь для капиталистических условий, при которых вопрос о высоте структуры капитала предприятия может быть сведен к тому или иному уровню заемного процента.

Такой же вывод получается и при том условии, что мы будем затраты рассматривать как вложенный в предприятие человеческий труд. Здесь вопрос сведется к времени производства затрат, т. е. к тому, допустимо ли с экономической точки зрения привлечение больших масс трудовой энергии к созданию определенного предприятия, чтобы в дальнейшем получить более скромное расходование этого труда при эксплуатации. Для стран с низким уровнем техники эта задача трудно выполнима, так как на рынке обычно при этом условии бывает так мало свободных сил, достаточно подготовленных для определенной работы, что отвлечение их на несколько лет от текущей должности становится делом очень трудным. Тот же вывод получается и по отношению к материальным затратам из весьма ограниченного запаса.

Не менее трудную задачу представляет и процесс воспроизводства капитальных ценностей. Для гидроэлектрических установок Западной Европы эксплуатационные расходы выражаются 10‑12% от капитальных затрат, в то время как в России эти расходы редко опускаются ниже 13‑15%.

Все высказанное не должно быть, однако, истолковано как отрицательное отношение к использованию водной энергии в Российской Республике, — можно только сказать, что это дело в ближайшее время может получить развитие лишь в строго определенных случаях, причем необходимо соблюдение условий, о которых будет сказано несколько слов ниже.

Прежде всего, надо выделить такие установки, которые по своим природным условиям являются исключительно благоприятными. Такими условиями могут быть: или средоточие в одном месте большого напора, что облегчит все сооружения, или количество получаемой энергии так велико, что на установленную единицу мощности затраты получатся ничтожными. Наконец, может быть комбинация большого спроса на энергию наряду с отсутствием близко расположенного и хорошего качества топлива.

Последний тип является по существу результатом не только природных, но и экономических условий. Наконец, последняя форма установок, которые могут получить развитие в России, это — устройство сооружений с комбинированным использованием.

Если при сооружении ирригационной системы делается установка на перепаде, который необходим независимо от того, будет его энергия использована или нет, то такое предприятие может быть экономически вполне рациональным. Равным образом могут быть использованы в некоторых случаях плотины при шлюзовании рек. Не будем приводить пока примеров, — здесь необходимо лишь остановиться еще на одном соображении, весьма серьезно влияющем на возможность использовать ту или иную реку для получения энергии.

При устройстве тепловой станции всегда возможно приспособить ее размеры к наличному спросу на энергию и запасные машины установить для покрытия вполне очевидного в ближайшее время увеличенного спроса, — дальнейшее же увеличение мощности потребует только, чтобы было заготовлено место для будущего расширения станции; такой постановки не может быть при использовании энергии воды — здесь или вся энергия потока поглощается полностью, или приходится возводить дорогие сооружения в полном объеме, чтобы использовать лишь часть возможного эффекта.

Первый тип водных установок, конечно, совершенно благополучный; здесь по большей части даже возможно постепенное развитие станции путем регулирования стока и введения тепловых резервов. Что же касается второго случая, то дело далеко не всегда оказывается в таком хорошем положении; иногда огромная мощность остается неиспользованной в большей своей части, и дорогие сооружения ложатся тяжелым бременем на имеющийся недостаточный спрос. Особенно опасно строить предприятие только на предположении, что сама станция вызовет около себя целый ряд производств; в этом случае необходимо применить к подсчету роста используемой мощности самый тщательный и объективный- анализ, хотя сама по себе идея развития производства на основе хорошего снабжения энергией и правильна.

Ошибка в данном примере может произойти оттого, что дешевая и удобно переданная энергия не является иногда достаточным мотивом для организации того или иного производства, и только исключительная дешевизна энергии может вызвать к жизни некоторые виды производства, да и то при наличии и других благоприятных условий, как близость сырья, наличность рабочих рук, удобный сбыт и т. п.

Если обратиться к России, то ее гидросиловые возможности сосредоточены главным образом на периферии государства, что же касается внутренней части, то только район Урала даст основание для будущего расцвета утилизации водной энергии.

По районам водная энергия в количествах, заслуживающих внимания, может быть использована:

1) на севере, на реках Печоре, С. Двине, Онеге и многочисленных реках Мурманского края;

2) на северо-западе, на реках Свири, Волхове, Мсте, Нарове, Западной Двине и Великой;

3) на юго-западе, на Днепре, Днестре и Южном Буге;

4) на Северном Кавказе, на Тереке, Кубани и других многочисленных реках края;

5) на Урале, на Чусовой, Белой, Уфе и других более мелких притоках Камы, Тобола и Тавды;

6) на юго-западе Сибири, верховья Оби, Иртыша и Енисея, реки Бия, Катунь, Ангара и др.;

7) в Туркестане, все верховья Сыр- и Аму-Дарьи, Зеравшана, Чу, Или и других более мелких рек.

Что же касается равнинной части Европейской России и громадных равнин Сибири, то использование энергии воды здесь возможно лишь в виде мелких установок, мощностью не превышающих 1‑2 тыс. сил, а в большинстве случаев ограничивающихся сотнями и даже десятками сил, что подводит их под французский термин la houille verte — “зеленый уголь”, который во Франции играет весьма крупную роль в сельском хозяйстве и мелких производствах, тяготеющих к последнему.

Хотя капитальные затраты на единицу энергии, конечно, здесь довольно велики, но это искупается тем, что общее их количество невелико, а многие работы (по устройству плотины, каналов, здания станции) могут быть выполнены самим населением в такое время, когда сельское хозяйство не требует большого числа рабочих рук, а использование последних на стороне не представляет большой выгоды.

Из всех многочисленных рек, перечисленных выше, необходимо остановиться в первую очередь лишь на немногих, использование которых представляет неоспоримый интерес как со стороны обеспеченности спроса на энергию, так и природных условий, но, чтобы составить представление о размерах возможного в будущем использования водной энергии, ниже помещена таблица[3], где сделана попытка свести имеющиеся данные о запасах энергии рек и озер Российской Республики, причем надо сказать, что дело изучения водных сил даже в пределах Европейской России поставлено так, что говорить о полном учете пока невозможно.

К сожалению, и приводимые ниже данные основаны в некоторых случаях лишь на предварительных и иногда бегло разработанных предположениях.

Получить точные данные удастся только тогда, когда будет организован однообразный кадастр водной энергии, проводимый на местах по единому методу под руководством центрального научного специального учреждения. Эта задача должна быть выполнена государством в ближайшее время, так как этим будет достигнута, помимо учета силовых ресурсов русских рек, также и огромная экономия в работе техников на местах. Кроме того, недостаточное знание создает ложную перспективу и выдвигает иногда на первый план совсем не первоочередные работы только потому, что для суждения о них существует уже материал, а остальное осталось или совершенно без освещения, или освещено недостаточно, а иногда и неверно.

Приведенные в итоге 20 млн. л. с. не покрывают всех силовых ресурсов России; в приведенном списке далеко не полны данные по югу России, по Уралу, Кавказу, Туркестану и Сибири, так что общий запас гидравлической энергии, вероятно, в 2‑3 раза больше приведенного.

Любопытно сопоставить гидроэнергетические ресурсы России с данными по другим странам. В следующей таблице это сопоставление сделано по данным журнала “La lumière électrique”, vol. XXIX, p. 110 для иностранных государств и на основании двух приведенных выше таблиц — для России.

Как видно из таблицы, наибольшими относительными ресурсами обладают страны с сильным рельефом поверхности, но процент использования указывает на другой стимул, лежащий не в естественных богатствах топ или иной страны, а в ее экономической мощности, с одной стороны, и в некоторых случаях в недостатке топлива.

Впереди всех идет Германия, где использовано было уже в 1911 г. 31,3% запасов водной силы, затем США с 15%, т. е. страны с чрезвычайно развитым капиталом, а затем Швейцария, Норвегия, Франция, Италия — страны с крупными запасами энергии и бедные горючим.

Опираясь на сказанное выше, для России можно остановиться на следующих положениях при использовании водной энергии:

1) В первую очередь обратить внимание на установки, исключительно выгодные как по естественным условиям, так и по возможно полному экономическому использованию.

2) При проектировании сооружений скомбинировать использование гидротехнических сооружений для нескольких целей, чтобы стоимость их могла быть разложена на ряд взаимно связанных предприятий (использование водной энергии с шлюзованием реки, орошением и т. п.).

3) При составлении проекта обязательно ввести в расчет регулирование стока, что дает возможность лучше справляться с вариациями нагрузки и режима самого источника энергии.

4) Следует предпочитать всегда установки высокого напора, так как конструкция машин получается при этом легче, размеры станций также уменьшаются, а вместе с тем падают и затраты на постройку.

5) В необходимых случаях следует комбинировать гидравлическую установку с паровой, причем паровую установку надо строить в первую очередь, если нет уже готовых станций, так как таким образом можно значительно приблизить начало эксплуатации, развить спрос на энергию и использовать тепловой резерв для механизации постройки гидроцентрали.

Переходя к конкретным примерам, следует прежде всего остановиться на Днепровской установке, где можно даже без парового резерва при сооружении одной плотины получить до 800 тыс. л. с.. При дальнейшем регулировании стока Днепра и при паровом резерве мощность станции может быть еще значительно повышена.

Стоимость энергии этой установки — наиболее дешевая из всего, что сейчас есть разработанного, и, по предварительным подсчетам, не превысит 0,3 коп. в кВтч loco централь, т. е. не считая передачи.

Эта установка имеет вполне обеспеченный спрос и по решению Государственной Комиссии по электрификации России будет строиться сразу на мощность в 200‑300 тыс. л. с. и снабжать током Александровск, где предполагается устройство станции, Екатеринослав, Криворожский рудный район, Никопольский марганцевый район, мелиоративные устройства в низовьях Днепра, Херсон и Николаев.

Следующая группа установок расположена под Петроградом, на Свири и Волхове, где имеется рядом такой потребитель тока, как Петроград с его заводами, портом, железными дорогами и большим населением.

Станция на Волхове предположена мощностью в 80 тыс. л. с., а на Свири в первую очередь вводятся лишь две нижние станции с мощностями в 165 тыс. и 120 тыс. л. с., так как они ближе к Петрограду, более мощны, имеют более высокие напоры, чем третья возможная установка у истоков Свири из Онежского озера.

Стоимость энергии здесь уже выше, чем на Днепре, благодаря более низкому напору и отдаленности от места потребления[4], но во всяком случае себестоимость энергии будет ниже тепловой.

Следующими районами белого угля должны бы явиться Туркестан, Кавказ и Алтай, а затем уже Урал.

В Туркестане — неисчерпаемый источник водной силы, но, к сожалению, в настоящее время рано еще говорить о развитии широкой строительной деятельности в этом районе, и только возле города Ташкента возможно развертывать работы с полной надеждой на успех, тем более что установка, которая здесь может быть в ближайшее время начата постройкой, не требует для своего возведения крупных гидротехнических сооружений, так как она устраивается на сбросе воды из магистрального канала в арык Боз-су при напоре около 75 м и расходе воды в 800 м/сек, что обеспечивает устанавливаемую мощность в 60 тыс. л. с. и весьма низкую себестоимость энергии благодаря высокому напору и комбинации с орошением.

Режим установки очень постоянный, но суточное регулирование затруднено. Впрочем, будущее развертывание спроса обеспечено возможностью поставить рядом установку с напором в 36 м и расходом в 30 м/сек, что дает на валу турбин мощность 10 800 л. с., а в 12 верстах вверх по реке Чирчику еще одну установку с напором в 27 м и расходом в 100 м/сек, что обеспечивает мощность в 27 тыс. л. с. Таким образом, вся эта группа станций, из которых первые две расположены в 25 верстах от Ташкента, близ села Троицкого, а третья в 37, вполне обеспечивает возможную потребность в энергии всего Ташкентского района.

На Кавказе, вероятно, придется осуществить установку лишь возле города Екатеринодара, на реке Кубани или на Белой, но невыясненность общего положения района и некоторая непроработанность самих проектов станций едва ли позволят осуществить здесь установку в ближайшее время, несмотря на то, что спрос здесь мог бы быть вполне обеспеченным. Мощность установок здесь возможна порядка 60 тыс. л. с.

Гораздо более благоприятные условия создания гидроэлектрической станции в Алтайском районе, на реке Катуни, где спрос на энергию вполне может быть обеспечен при развитии разработки ископаемых Алтая, организации овцеводческих хозяйств и искусственного орошения. Запасы энергии здесь громадны, но формы использования энергии требуют еще подробного изучения и разработки технических схем.

Мощность алтайских станций может быть громадна, но на первое время достаточно установить станцию в 60 тыс. л. с.

На Урале наиболее интересным источником могла бы быть река Чусовая, и для нее имеется ряд разработанных проектов станций при проекте шлюзования водного пути между Камой и Тоболом, причем наиболее интересны станции при плотинах от №10 до №24, дающие от 17 тыс. до 32 тыс. кВт. или от 25 тыс. до 48 тыс. л. с.

Однако эти установки поставлены были в подчиненное положение по отношению к шлюзованию, ввиду чего требуется в настоящее время пересмотреть весь проект использования Чусовой в целях концентрации напоров и разработки вопроса о регулировании стока.

При переработке проекта Чусовая могла бы дать, вероятно, от 60 да 80 тыс. л. с.

Сказанное выше может быть сведено в следующей таблице:

Указанная в таблице мощность в 1 425 тыс. л. с. на валу турбин или 950 тыс. кВт на зажимах динамо, конечно, не создает еще крупного переворота в снабжении страны энергией, но даже и это скромное число при средней работе станций в 3 500 час. в год дает 3 325 млн. кВтч, что соответствует 200 млн. пуд. условного топлива в год. Если принять в расчет, что средний пробег топливных грузов в России равнялся 393 верстам, а для донецкого угля доходил даже до 441 версты, то экономия в области перевозок горючего выразится круглым числом в 80 млрд. пудоверст.

Приведенные количества составят уже 6,9% от перевозившегося да войны топлива и от количества пудоверст, которые горючее проходило водой и железными дорогами вместе.

Однако этот, казалось бы, незначительный подъем в своем значении увеличивается тем обстоятельством, что гидроцентрали создаются в наиболее важных пунктах страны, где каждый установленный киловатт по своему значению во много раз превосходит средние числа.

Это особое значение получается для некоторых мест благодаря исключительно низкой себестоимости водной энергии, а для других играет весьма крупную роль в качестве регулятора нашего внешнего товарообмена.

Первый тип способен вызвать к жизни такие виды промышленности, которые только и возможно создать на исключительно дешевом топливе как, например, электроплавка, некоторые виды химической промышленности и т. д., а второй, к которому относятся все петроградские установки, сокращает в известной мере нашу потребность в привозе английского угля и тем улучшает наш расчетный баланс.

Такое же значение, хотя создающееся и косвенным путем, приобретает и Александровская установка на Днепре, так как создаваемый рядом с установкой морской порт и электрическая сверхмагистраль Кривой Рог — Александровск — Просяная — Гришино — Лихая — Царицын обусловят весьма благоприятный выход на внешний рынок донецкому топливу, главным образом из Гришинского района.

Но помимо этого за период постройки гидравлических станций первой очереди создастся громадный кадр лиц, хорошо знающих дело утилизации водной энергии, идеи воплотятся в жизнь и создадут для будущего уже не инерцию покоя, а инерцию движения. На почве этих пионерных работ вырастут научные институты, лаборатории, школы, умелые рабочие и техники, а самое дело .получит в широких кругах населения необходимое признание и устойчивую поддержку в своем дальнейшем развитии.

Поэтому здесь не следует, может быть, и говорить о станциях второй очереди, так как, по всей вероятности, это дело получит развитие на второй своей ступени, тем более что к этому периоду и наше общее экономическое положение изменится к лучшему.

Теперь же важно твердо, с крайней настойчивостью провести в жизнь программу первой очереди, организовать изучение запасов водной энергии в стране, подготовить рабочие кадры и дать возможность широким слоям населения Республики почувствовать всю важность и все значение использования живой силы водных потоков.

В последние годы среди сельского населения вырос живой интерес к применению электричества в сельском хозяйстве, в связанной с ним промышленности и для освещения, и было бы чрезвычайно важно не дать замереть этому течению. Эта встречная волна должна получить широкую поддержку созданием мелких силовых установок на небольших речках, причем здесь необходимо лишь внести некоторое единство и стандартизировать и нормализировать типы машин, проводов, установочного материала и пр.

Это встречное движение белого и зеленого угля составляет лучший залог успеха в деле развития утилизации водной энергии и всех тех перспектив, которые это дело имеет в будущем России.

Краткий список источников водной энергии российской республики

Общая сводка переписи утилизированных водных сил России по анкете 1912/13 г

Лошадиная сила — (л. с., нем. PS, франц. CV, англ. HP), устаревшая внесистемная ед. мощности; 1 л. с. = 75 кгс•м/с=735,5 Вт; 1 НР=550 фут•фунт/с=745,7 Вт

* При определении средней мощности турбины были исключены 50 больших турбин (250 ‑1 250 НР) общей мощностью в 23 375 НР и все финляндские турбины. Тогда средняя мощность турбины определяется в 29,7 НР; если присчитать вышеупомянутые 50 турбин, то средняя мощность повышается до 37,2 НР; если присчитать и финляндские (средняя мощность которых отдельно равна 96,3 НР), то мощность возрастает до 51,9 НР. Общая средняя мощность зарегистрированных (с указанием НР) и принятых (без указания НР, с мощностью, принятой по средним цифрам данного района) турбин равна 46,5 л. с.

** Кроме того, 7 419 установок совершенно без всяких указаний.

*** В эту цифру вошли 47 133 л. с., НР, вычисленных по средним можностям установок.

**** Здесь вошли кроме 47 133 л. с., указанных в предыдущем примечании, еще 177 714 сил, вычисленным по площадям для тех местностей (некоторых уездов), по которым не удалось добыть никаких сведений. В таких случаях вычислялось окружающего средняя мощность для площади кольца окружающего данную местность, и на полученный коэффициент множилась площадь местности. Поверка показывает, что такой способ дает очень близкие к действительности результаты. Анкета показала, что в России использовано до 1 млн. водных сил, из которых 20—25% относятся к турбинам и 80—85% к колесам.

Примечания:

[1] См. прилагаемую таблицу. (прим. документа)

[2] Установка Кренгольмской мануфактуры на реке Нарове. (прим. документа)

[3] См. приложение. (прим. документа)

[4] 250 и 280 км от Петрограда. (прим. документа)