Раньше малая гидроэнергетика заслуженно занимала достойное место в вопросе энергообеспечения самых различных потребителей нашей страны, распределенных по ее территории. Уже в начале XX в. решение вопросов электрификации сельского хозяйства предусматривалось на основе широкого использования местных энергоресурсов, в первую очередь энергии малых рек. Большая востребованность народного хозяйства, главным образом сельского, в электрификации и механизации своих производств и улучшении условий труда, а также бытовых условий требовали резкого увеличения объемов производства энергооборудования для многочисленных вновь возводимых малых ГЭС. Так в России зарождалась малая гидроэнергетика, развитие которой сопровождалось подъемами и спадами, но, несмотря на это, послужившая впоследствии толчком к успешному развитию крупного гидромашиностроения.

В 1945 г. Всесоюзным научно-исследовательским институтом гидромашиностроения (ВИГМ) были проведены масштабные исследования, и разработана первая номенклатура гидротурбин для МГЭС, учитывающая многолетний опыт создания подобного оборудования для малых станций, уже построенных и находящихся в длительной эксплуатации, а также составлены технические требования, предъявляемые к вновь строящимся малым ГЭС и к их оборудованию, которое должно было производиться в больших объемах.

Первая отечественная номенклатура малых гидротурбин позволила наладить производство необходимого оборудования и обеспечить им строящиеся малые ГЭС, доведя их количество к 1952 г. до 6614 штук при соответствующих высоких темпах ежегодного строительства малых (в основном микро-) ГЭС.

Разработанная номенклатура содержала набор типоразмерных рядов гидротурбин и несколько типов компоновочных решений агрегатных блоков, включая: поворотно-лопастные или пропеллерные гидротурбины в вертикальном исполнении, вертикальные и горизонтальные радиально-осевые гидротурбины, а также ковшовые гидротурбины для высоких напоров. Выпуск стандартных малых гидроагрегатов был организован и освоен на нескольких заводах СССР.

С ростом масштабов строительства крупных объектов энергетики и развитием централизованного энергоснабжения строительство малых ГЭС в стране стало сокращаться. Начался серьезный спад в развитии малой гидроэнергетики. Не только резко сократился объем строительства новых малых ГЭС, но и старые, давно построенные начали в массовом порядке закрываться, консервироваться и даже списываться. К 1990 г. из всех ранее построенных в нашей стране малых ГЭС было заброшено более 90% объектов.

Главной причиной, сдерживающей ввод энергетических мощностей как в крупной, так и в малой гидроэнергетике, является дефицит финансовых ресурсов, вкладываемых в это направление. Дополнительными сдерживающими факторами, характерными для гидроэнергетических объектов, являются большие стартовые капиталовложения в строительство, продолжительные сроки их возведения и значительные сроки окупаемости, в особенности для низконапорных малых ГЭС. Также экономические показатели сооружения малых ГЭС определяются многими факторами, такими как установленная мощность, напор, наличие готового напорного фронта, типизация проектных технических решений, надежность технологического оборудования, степень автоматизации управления, наличие и профессиональный уровень эксплуатационного персонала, а также строительно-монтажных компаний, привлекаемых к возведению малых ГЭС.

В настоящее время при распределении затрат по основным статьям расходов в составе общей стоимости объекта на долю основного технологического оборудования приходится от 18 до 51%, а в среднем — более 25% общих затрат. Технико-экономическая эффективность малых ГЭС, а значит, и объемы их внедрения, значительно зависят от стоимости и требуемых качеств устанавливаемого ГСО, вопрос унификации и оптимизации которого требует современных подходов к решению этой неоднозначной задачи.

Одной из главных специфических особенностей, отличающей гидроустановку от альтернативных, локальных, источников энергии и существенно влияющей на ее технические и технико-экономические показатели, в том числе уровень стандартизации оборудования, является вынужденная зависимость основных энергетических параметров энергоблока от используемых природных параметров водотока.

Следует сказать, что при разработке номенклатуры и создании гидротурбин для малых ГЭС, строившихся в большом количестве и являвшихся в свое время основой электрификации народного хозяйства, подход к энергоэффективности создаваемого гидрогенерирующего оборудования был таким же, как и для крупной гидроэнергетики.

Такой же подход остался и в рамках попытки возрождения малой гидроэнергетики, предпринятой в СССР в период 1984–1989 гг. Институтом «Гидропроект» были разработаны «Технические требования к гидроагрегатам для малых ГЭС», намеченных к строительству в период до 1995 г. Была утверждена программа развития малых ГЭС.

Централизованное создание гидротурбин и комплектация энергооборудования для малых ГЭС были поручены Сызранскому турбостроительному заводу, разработка гидрогенераторов — Всесоюзному НИИ электромашиностроения (их производство предусматривалось на Тираспольском электромашиностроительном заводе), систем регулирования — Ленинградскому металлическому заводу, предтурбинных затворов — Харьковскому турбинному заводу.

В соответствии с утвержденной программой и техническими требованиями, Сызранским турбостроительным заводом был разработан типовой ряд гидроагрегатов для малых ГЭС, в том числе для микро-ГЭС, но с расчетом производственной программы не на серийное, а на единичное производство, для которого стандартизация гидросилового оборудования не имеет особого значения. Созданный типовой ряд оборудования [6], которое было изготовлено для нескольких конкретных малых ГЭС, можно назвать унифицированным по компоновочным схемам, с привязкой их к конкретным объектам. При таком виде и уровне унификации для каждого объекта требовалась разработка своего полного комплекта конструкторской документации с очень низким коэффициентом применяемости (повторяемости) даже мелких деталей.

Следует разделять унификацию конструкторскую, направленную на увеличение применяемости одинаковых узлов и деталей, и параметрическую, предшествующую конструкторской, которая предварительно формирует оптимальный типоразмерный ряд унифицированного оборудования, покрывающего своими параметрами наибольший набор планируемых к строительству или реконструкции объектов малой гидроэнергетики.

Характерной особенностью низконапорных малых ГЭС является их развитая проточная часть, в которой можно выделить три относительно самостоятельные энергетические зоны. Основная зона преобразования энергии — это блок направляющего аппарата и камеры рабочего колеса, а две дополнительные энергопреобразующие зоны: подвод — турбинная камера (как правило, спиральная) и отвод — отсасывающая труба (изогнутая или прямоосная). Доля от общего баланса энергии и интенсивность энергопреобразования в дополнительных зонах проточной части низконапорной малой ГЭС на порядок меньше, чем в основной, и поэтому, в целях упрощения этих узлов в процессе их компоновочной унификации, при профилировании формируемого в них потока могут быть допущены некоторые отступления от оптимальных соотношений, принятых в теории и практике крупного гидротурбостроения.

Требования, предъявляемые к объектам малой гидроэнергетики с целью снижения затрат на их возведение и эксплуатацию, должны отличаться от типовых требований, предъявляемых к крупным ГЭС, в том числе должны учитываться состояние существующего сетевого комплекса и аспекты присоединения создаваемого энергообъекта к сетевому предприятию. В первую очередь, это относится к малым ГЭС мощностью до 5000 кВт, и, в частности, это касается требований по КПД унифицированного энергоблока и выбору оптимальных режимов его эксплуатации.

Для гидрогенерирующих объектов с установленной мощностью в диапазоне от 5 до 25 МВт основные технические параметры и требования целесообразно разрабатывать с учетом постановления Правительства РФ № 449 от 28 мая 2013 г. «О механизме стимулирования использования возобновляемых источников энергии на оптовом рынке электрической энергии и мощности», т. е. под условия договоров о предоставлении мощности (ДПМ ВИЭ).

Основными требованиями, предъявляемыми к типовому оборудованию для малой (мини- или микро-) ГЭС, позволяющими повысить общую технико-экономическую эффективность его применения и увеличить потребность в них, являются:

• отечественное изготовление ГСО в целях импортозамещения и выполнения требований по локализации производства в рамках программ ДПМ ВИЭ и других мер стимулирования малой гидроэнергетики;
• доступность и конкурентная стоимость отечественного гидрогенерирующего оборудования для комплектования МГЭС;
• широкая применяемость типового оборудования для значительно изменяемого диапазона напоров и расходов;
• высокая надежность работы оборудования в сложных климатических условиях эксплуатации;
• возможность полной автоматизации в процессе эксплуатации;
• экологичность, определяемая отсутствием масла в рабочих узлах и элементах проточной части, и, по возможности, безопасность для рыбы;
• простота монтажа и периодического (регламентного) обслуживания;
• возможность простого встраивания оборудования в существующие строительные элементы существующей малой ГЭС или иных ГТС НЭН;
• короткие сроки подготовки производства, изготовления и комплектации оборудования для малой ГЭС.

Абсолютные значения, а также соотношения технического и экономического гидропотенциала малых и средних рек России в современных условиях рынка и с учетом фактических изменений природных условий (в том числе климатических) отличаются от оценок этих показателей, принятых в эпоху плановой экономики в условиях государственного хозяйствования. Поэтому необходимо проводить уточнение гидропотенциала малых и средних рек России и соответствующих параметров потенциальных ГЭС, с корректировкой принятой классификации малых станций и формированием актуальных предложений в региональные программы развития малой гидроэнергетики.

Для обеспечения эффективной эксплуатации малых ГЭС необходимым является внедрение средств автоматизации технологического процесса гидрогенерации. При этом разрабатываемые автоматизированные системы управления должны обеспечивать выполнение задач:

• минимизации необходимого количества обслуживающего персонала МГЭС;
• полной автоматизации информационного обмена между ГЭС и расчетно-диспетчерским центром для коммерческого учета вырабатываемой электроэнергии;
• контроля состояния основного оборудования, его защиты в нормальных и аварийных режимах работы и повышения надежности работы ГЭС в целом;
• централизованного управления основными технологическими процессами станции, повышения маневренности и эффективности работы МГЭС.

Объекты гидроэнергетики установленной мощностью до 100 кВт относятся к области микро-ГЭС и, учитывая широкий круг потенциальных пользователей подобных энергоустановок, заслуживают особого внимания. В конце 1980-х гг. на упоминаемом ранее Сызранском гидротурбостроительном заводе, помимо разработки и производства ГСО для МГЭС, довольно активно велись работы по созданию оборудования для микро-ГЭС в рамках освоения и выпуска товаров народного потребления. Основные технические параметры микро-ГЭС: мощность 1 кВт, напор 10 м, РК турбины — осевое пропеллерное, частота вращения 3000 об/мин, высота отсасывания — положительная, напряжение генератора 12В постоянное, вес гидроагрегата 25 кг (в комплекте с рукавом). Несмотря на доказанную техническую эффективность, данный проект по ряду причин не получил должного коммерческого успеха и развития. И прежде всего это было обусловлено ценой вопроса, которая как в относительном, так и в абсолютном измерении оказалась слишком высокой.

В настоящее время актуальность подобных энергоблоков микро-ГЭС, в особенности мощностью до 15 кВт, при должном подходе к оптимизации стоимости оборудования, существенно возрастает, что обусловлено намерением Правительства РФ ввести меры стимулирования и развития частной микрогенерации на основе ВИЭ, предоставив их владельцам возможность продавать излишки вырабатываемой электроэнергии на розничных рынках.