Проектування малої гідростанції на Печенізькому водосховищі

З розвитком народного господарства істотно змінилися функції малих річок й антропогенне навантаження на них. Значно зменшилося їхнє енергетичне використання. Приблизно століття назад на території України налічувалася велика кількість водяних млинів, які створювали сприятливий режим річки (збільшення глибини, аерацію потоку). З ліквідацією їх погіршився стан малих річок, тому що для нормальної експлуатації млинів доводилося стежити за станом водозбору щоб уникнути замулення підпертої ділянки ріки.

У цей час найважливішими факторами, що негативно впливають на малі річки, є скорочення меженного стоку (головним чином за рахунок меліорації земель, лісозводки, сільськогосподарських робіт) і забруднення їх промисловими й господарсько-побутовими стоками. Власне кажучи, багато малих рік у промислово освоєних районах перетворюються в стічні колектори.

У зв'язку із цим зменшилося рибогосподарське значення малих річок, на багатьох з них у минулому перебували нерестовища не тільки туводних, але й прохідних риб.

Зберігається рекреаційне значення малих річок, що є місцем відпочинку. Однак багато малих річок використовуються як вододжерела для розвитку місцевого зрошення й колектори для скидання вод з осушуваних ділянок.

На заплавних землях малих рік розташовані кращі сільськогосподарські угіддя (луги, пасовища, рілля). Інтенсивна сільськогосподарська діяльність привела до того, що деякі малі ріки практично зневоднились, пересихали або замулювались.

Всі ці обставини необхідно брати до уваги при створенні водоймищ малих ГЕС. На жаль, на багатьох малих річках не ведуться гідрометричні спостереження за стоком, мінералізацією, забрудненням води, немає обліку господарського використання річкового стоку й скидань стічних вод, що ускладнює розробку багатьох інженерних рішень по малих водоймищах. При проектуванні малих водоймищ варто враховувати все різноманіття факторів, що впливають на умови їхнього формування й експлуатації. Цей вплив позначається на формуванні ложа й берегів водоймищ, на природні умови прилягаючої території, екологію низ лежачої ділянки ріки.

Як же впливають різні фактори на природу утворення водоймищ малих рік?

Геологоморфологічні умови району розміщення водоймища визначають геологію річкової долини, умови утворення твердого стоку, склад донних відкладень, біогенних елементів, процеси берегової абразії й інше. По цих умовах виділяють водоймища тундри й лісотундри, рівнинні водоймища лісової, лісостепової й степової зон, пустель і напівпустель, а також гірські водоймища. Важливим фактором, що впливає на формування водоймищ малих ГЕС, є морфологія річкової долини, що визначає його глибоководність, співвідношення мілководної й глибоководної зон. Досвід експлуатації малих водоймищ показує, що відносні розміри мілководної зони є часом одним з вирішальних елементів при виборі параметрів водоймища, тому що негативний вплив цієї зони на гідробіологічний режим водоймищ загальновідомий.

На формування природи малих водоймищ істотно позначаються гідрологічні умови, що визначають гідродинамічні умови, що визначають гідродинамічний розвиток внутрішньоводоймових процесів: водообмін водоймища, режим плинів, водний і тепловий баланс, термічний режим у нижньому б'єфі, вирівняний і хвильовий режими. Із цих факторів варто особливо виділити водообмін, значення якого в умовах сильного забруднення малих рік велике. На умови водообміну впливають і морфометричні особливості водоймища. Природно, що чим нижче ступінь зарегульованості стоку водоймищем, тим вище водообмін. Однак умови підвищення водообміну у водоймищі суперечать прагненню збільшити гарантовану енерговіддачу ГЕС, тому їхньому вв'язуванню також варто приділяти увагу. На якість води у водоймище впливають водообмін і процеси природного біологічного самоочищення. Для неблагополучних по якості води водотоків, особливо розташованих у зонах з низькими температурами, що знижують активність процесу самоочищення, вирішаючим для якості води водоймищ малих ГЕС є водообмін.

Важливим при утворенні водоймищ малих ГЕС є берегова абразія. Найбільш активно процеси обвалення й переформування берегів ідуть у приплотинній частини. Спостереженнями встановлені три стадії розвитку берегової абразії: становлення, стабілізація й відмирання. На першій стадії інтенсивно йде процес обвалення берегів, формування прибережних обмілин, вирівнювання берегової лінії (зрізка мисів і заповнення продуктами абразії й наносами заток). Дані експлуатації [5] показують, що становлення берегів малих водоймищ в основному завершується до 15-20 років, у цілому ж цей процес може тривати 100 і більше років.

Активність берегової абразії малих водоймищ може істотно впливати на інтенсивність їхнього замулення, а окремі ділянки берегової смуги, перспективні на утворення великих зсувів, можуть вимагати проведення спеціальних заходів щодо їхньої стабілізації й закріплення. Виявленню таких ділянок необхідно приділяти увагу на стадії проектування малих ГЕС.

При утворенні водоймищ малих ГЕС відбувається процес акумуляції наносів. Недоліки прогнозування цього процесу привели до замулення багатьох раніше побудованих водоймищ малих ГЕС, особливо в гірських і передгірних районах, на річках з високим змістом наносів. Такі ГЕС мають відносну ємність менш 0,01%.

Замулення малих водоймищ походить від зони виклинцьовування підпору до греблі. У верхів'ї водоймища замулення починається не в русловій, а в заплавній частині; руслова частина заливається від греблі. На інтенсивності замулення позначається так само берегова абразія, хвильова активність, вітрова ерозія, водна рослинність. Остання особливо впливає на формування ложа водоймищ у мілководній зоні, часом поступово перетворюючи їх у болото. Для водоймищ малих ГЕС, де відсоток мілководь (глибини до 2 м) вище, ніж у великих водоймищ, і вони займають 25-90% обсягу, небезпека заростання велика, і тому є безліч прикладів [5].

При проектуванні водоймищ малих ГЕС їхньому замуленню варто приділяти особливу увагу. Очевидно, не завжди економічно виправдане буде створення необхідного мертвого обсягу у водоймищі малої ГЕС із тривалим періодом його заповнення. У деяких випадках можна періодично в процесі експлуатації робити очищення від наносів, передбачаючи для цього в проекті площадку розміщення відвалів, а також і господарське використання наносів. Донні відкладення водоймищ можуть бути різними. Залежно від їхнього хімічного складу й фізико-механічних властивостей вони використовуються на добрива, будматеріали [5].

Різноманітний вплив водоймищ малих ГЕС на екологію.

2.1 Вплив на гідрологічний режим

Створення водоймищ малих ГЕС веде до трансформації річкового стоку залежно від характеру регулювання - добового, тижневого, сезонного, багаторічного. Для таких водоймищ характерні перші два види регулювання. У більшості випадків ці водоймища змінюють на незначну величину внутрішньорічний розподіл річкового стоку, хоча є приклади водоймищ досить глибокого регулювання [5].

У районах нестійкого зволоження вплив регулювання річкового стоку водоймищами малих ГЕС більше відчутно. Виконуючи добове регулювання, малі ГЕС збільшують добову амплітуду коливання рівнів на низлежачій ділянці річки в межень. У цілому на межені середньодобові рівні низлежачої ділянки річки малі ГЕС значного впливу не роблять. Позитивна ж роль створення підпірних рівнів на малих річках певних розмірів доведена всім минулим досвідом спорудження мірошницьких гребель.

Втрати на випарювання з водоймищ змінюють природний водний баланс водотоку.

2.2 Зміна рівня ґрунтових вод

На відміну від питань природного утворення штучні водоймища в короткий термін порушують хід природного розвитку природних комплексів. У зоні водоймища в результаті підтоплення відбувається підвищення рівня ґрунтових вод, зміна їхнього режиму, хімічного складу, характеру живлення й состава ґрунтів, мікроорганізмів, рослинності. Розвиток підпору ґрунтових вод відбувається у дві стадії: інтенсивного (5-10 років) і вповільненого (15-20 років) підйому. Розміри підтоплення залежать від морфометрії річкової долини й висоти підпору. Для господарського освоєння підтоплює території, що, особливо для рівнинних рік, необхідно в проекті ГЕС передбачати спеціальні меліоративні заходи - дренаж, підсипання території, підбор состава сівозмін й інше.

2.3 Зміна мікроклімату прибережної зони

Зі створенням водоймищ у прибережній зоні відбувається й зміна радіаційного балансу, температури й вологості повітря, вітрового режиму й опадів. Ці зміни залежать від розмірів (площі, протяжності, обсягу) водоймища, особливостей навколишньої природи. Водоймище впливає як охолоджуюче (більш довгостроково), так і отепляючи. Результати досліджень на водоймищах Рачунської, Саковщинської й інших малих ГЕС показали, що зона їхнього прямого впливу на мікроклімат їхньої прибережної території в холодний період займає всього 250-300 м, у період потепління 25-50 м. При площі водойми до 60-70 км2 й обсязі до 250 млн. м3 зона прямого впливу зростає до 100-250 м у період потепління. На відкритих, не зайнятих лісом ділянках ця зона може збільшитися.

Зі створенням водоймищ можуть відбутися деякі зміни у вітровій діяльності. У районі акваторії можуть змінитися напрямок вітру і його швидкість, що варто враховувати при розрахунках хвильового режиму.

Регулювання стоку водоймищами малих ГЕС змінює режим річки в нижньому б'єфі, що має деякі наслідки. При добовому й тижневому регулюванні стоку постійні коливання рівнів води в нижньому б'єфі підсилюють деформацію берегів на ділянках річки, особливо в перші роки. Надалі ці процеси загасають.

Сезонне регулювання стоку приводить до скорочення розмірів заплави й тривалості її затоплення, що поряд з позитивним ефектом у боротьбі з паводками ускладнює сільськогосподарське використання заплави - скорочуються площі заливних лугів.

У нижньому б'єфі малих ГЕС відбувається також активізація руслових процесів - безпосередньо за греблею розмиви русла і його поглиблення, на низлежачій ділянці русла утворення зони акумуляції наносів.

Змінюється й температура води в ріці нижче греблі - узимку вона підвищується, улітку знижується. Зміни термічного режиму в нижньому б'єфі залежать від глибини й обсягу водоймища, району його розміщення. Однак для малих водоймищ зміни термічного режиму в нижньому б'єфі несуттєві.

Дослідженнями [5] на Осиновичській малій ГЕС встановлено, що малі водоймища виконують роль біологічного очисного спорудження й сприяють збільшенню змісту у воді нижнього б'єфа кисню, азоту, зменшенню змісту вуглекислоти. Поліпшенню кисневого режиму сприяє й аерація води при проходженні через гідротурбіну. Підвищення змісту кисню у воді нижче малих ГЕС поліпшує умови перебування риб, зменшуючи шкідливий вплив на них, знижуючи зимові й літні замори.

Накопичуючи значне число біогенних елементів, водоймища малих ГЕС на навколишнє середовище впливає так багатообразно, що облік всіх факторів представляється досить складним. Як показує обстеження багатьох водоймищ, їхній вплив у цілому позитивний.

2.4 Використання водоймищ малих ГЕС

Обстеження малих ГЕС показало, що їхні водоймища мають різне й, як правило, комплексне призначення.

Досвід показує, що характер використання малих водоймищ у процесі експлуатації змінюється. Так, багато водоймищ споконвічно винятково енергетичного призначення згодом його втратили, тобто ГЕС при них були ліквідовані, але різко зросла їхня роль як об'єктів рекреації, водопостачання, рибництва, транспорту. Зараз поставлене завдання максимально широкого енергетичного використання водоймищ, створених для інших цілей й у першу чергу для зрошення. Усе більше важливого значення набуває рекреаційне використання малих водоймищ. На них створюються санаторії, зони й бази відпочинку, туристські й спортивні комплекси й т.д.

Комплексне використання водоймищ малих ГЕС - одне з найважливіших рішень, правильна розробка якого дозволить підвищити економічну ефективність як раніше побудованих, так і знову намічуваних до будівництва ГЕС.

Водоймища малих ГЕС, впливаючи на природу, самі піддаються впливу навколишнього середовища. Будучи малими, вони більш чутливі до антропогенного навантаження, особливо до забруднення елементами, що не піддаються процесам біологічного самоочищення. Відомі приклади, коли всього одне промислове підприємство своїми скиданнями вод робило неприйнятним комплексне використання малого водоймища. Тому санітарній охороні малих водоймищ варто приділяти особливу увагу при проектуванні малих ГЕС.

3. Мала гідроенергетика

Термін "гідроенергетика" визначає область енергетики, що використовує енергію води, що рухається, як правило, річок. Ця енергія перетворюється або в механічну, або найчастіше в електричну. Крім гідроенергетики водними джерелами енергії є морські хвилі й припливи.

Гідроенергетика є найбільш розвиненою областю енергетики на відновлюваних ресурсах. Важливо відзначити, що відновлюваність гідроенергетичних ресурсів також забезпечується енергією Сонця. Дійсно, річки являють собою потоки води, що рухаються під дією сили ваги з більш високих на поверхні Землі місць у більш низькі й, зрештою, упадають у Світовий океан. Під дією сонячного випромінювання вода випаровується з поверхні Світового океану, пара її піднімається у верхні шари атмосфери, конденсується в хмари, і випадає у вигляді дощу, поповнюючи виснажені джерела рік (мал. 3.1). Таким чином, використана енергія рік є перетвореною в механічну енергією Сонця.

Рисунок 3.1 – Схема перетворення сонячної енергії в гравітаційну потенційну енергію води

Часто буває, що в силу тих або інших змін атмосферних умов цей кругообіг порушується, річки міліють або навіть повністю висихають. Іншим крайнім випадком є порушення цього кругообігу, що приводить до повеней.

Гідроелектростанції і їхнє устаткування використовуються дуже довго, турбіни, наприклад, близько 50 років. Це пояснюється умовами їхньої експлуатації: рівномірний режим роботи при відсутності екстремальних температурних і інших навантажень. Внаслідок цього вартість виробляємої на ГЕС електроенергії низка й багато які з них працюють із високим економічним ефектом. Наприклад, Норвегія робить 90% електроенергії на ГЕС. Виробляєму ГЕС енергію дуже легко регулювати, що важливо при її використанні в енергосистемах з більшими коливаннями навантаження.

Найбільш складними проблемами гідроенергетики є: збиток, який наноситься навколишньому середовищу (особливо від затоплення великих площ при створенні водоймищ), замулювання гребель, корозія гідротурбін і в порівнянні з тепловими електростанціями більші капітальні витрати на їхнє спорудження. Тому особливо перспективним у цей час є використання гідроенергетичних ресурсів малих рік без створення штучних водоймищ.

Оцінка потужності водного потоку. Нехай Q обсяг води, що надходить у робочому органі гідроенергетичної установки в одиницю часу (витрата, вимірювана в м³/с), H - висота падіння рідини (напір, вимірюваний у метрах), ρ - щільність води (кг/м³), g - прискорення сили ваги (9,8 м/с²). Тоді потужність водного потоку Р - визначається по формулі:

 (3.1)

Основним робочим органом гідроенергетичних установок, безпосередньо перетворюючих енергію води, що рухається, у кінетичну енергію свого обертання, є гідротурбіни, які підрозділяються на:

1)                 активні гідротурбіни, робоче колесо яких обертається у повітрі потоком, що натікає на його лопатки потоком води;

2)                 реактивні гідротурбіни, робоче колесо яких повністю занурено у воду й обертається в основному за рахунок різниці тисків перед і за колесом.

В активній гідротурбіні водний потік перед турбіною за допомогою водовода й сопла формується в струмінь, що направляється на ковші, розташовані на ободі колеса, приводячи його в обертання.

При швидкості потоку води 1,0 м/с енергетична щільність приблизно оцінюється в 500 Вт/м² (при поперечному розрізі ріки). Але для найменших гідроустановок тільки 60% енергії може бути теоретично отримано, тому їхня ефективність рідко досягає 50%, тобто реально використовується тільки 250 Вт/м² енергії за допомогою використання реального потоку води. Потужність, отримана від використання потоку води, пропорційна кубу швидкості води. Якщо швидкість потоку становить 2 м/с, то щільність повинна піднятися до 2000 Вт/м² і так далі.

У цей час використовуються наступні типи турбін:

1)                 Турбіна Пелтона (Pelton turbine РТ);

2)                 Турбіна Франциска (Francis turbine РТ);

3)                 МВТ Турбіна (Michel-Banki turbine);

4)                 Турбіна Каплана (Kaplan turbine КТ) або турбогвинтовий гідравлічний двигун;

5)                 Турбіна Дерайза (Deriaz turbine TD).

Вибір типу турбіни залежить від цілого ряду показників, насамперед від висоти потоку бігу води й інших показників, таких як вартість турбіни й експлуатаційні витрати, надійність та інше. На мал. 3.2 наведені границі застосування вищезгаданих турбін, що рекомендуються, залежно від напору, обсягу води, а також потужності кожної машини.

Рисунок 3.2 - Границі рекомендованого використання турбін

Важливим показником при виборі певного типорозміру тієї або іншої турбіни є співвідношення числа обертів колеса ротора, напору й відносної швидкості nс, що визначається як

 (3.2)

де n - є дійсним числом обертів у той або інший період часу (швидкість обертання).

3.1 РТ-турбіна

Це турбіна вільного потоку (дії) води. Потенційна енергія води в турбіні стає кінетичною енергією, коли струмінь води, проходячи інжектори, направляється на лопатки рушійного колеса. Робота турбіни відбувається при тиску, близькому до атмосферного. Тому необхідний досить низький напір води для напрямку струменя на лопатки рушійного колеса. У РТ-турбінах використовуються багаторазові інжектори, лопатки й колесо, що рухається, великого діаметра (рис. 3.3).

Рисунок 3.3 - Поперечний розріз РТ-турбіни

Застосування РТ-турбін, як малих гідроустановок, є економічно виправданим, коли є витрати води вище 30 літрів у секунду з напором від 20 м. Необхідне співвідношення H, Q і необхідної потужності РТ-турбіни наведене на мал. 3.2. Діаметр лопаток колеса турбіни D показаний на мал. 3.3. Величина діаметра залежить від значення напору Н, потоку Q і від наведеної швидкості nс:

D=97,5 Q/nc0,9 ·H1/4, (3.3)

де nc=240(a/D)z1/2(об/хв):

a – діаметр струменю води;

D – діаметр колеса в точці реактивного падіння води (тобто, діаметр вінця лопаток в точках дотику з водою);

z — число струменів.

Діаметр інжектора на виході струменя може бути визначений як

a=0,55Q1/2 H1/4 , мм. (3.4)

Оптимальний діаметр колеса ротора може бути визначений як

Технічне обслуговування і ремонт РТ-турбін досить прості завдяки відносно простій конструкції ротора й доступу до нього.

3.2 FТ-турбіна

Область застосування турбін Франциска для малих гідроустановок перебуває в межах від 3 до 150 м висоти напору й від 100 л/с проектного потоку рушійної води (рис. 3.4).

Рисунок 3.4 - FT - турбіна у розрізі

Відповідно до місцевих умов, турбіни можуть бути горизонтально або вертикально розташовані. Горизонтальне розташування найбільш підходяще, тому що це полегшує пряме з'єднання з електричним генератором (синхронним або асинхронним). Вертикальне розташування більш складне для виконання ремонтів і підтримки в робочому стані. Такі FТ-турбіни іноді можуть використатися в широкому діапазоні напору (від 3 до 600 м). РТ-турбіни мають більший ККД, ніж у FТ-турбіни (мал. 3.5). Для них крива відносини Qеф/Qпроект = 25%, більш полога. Крім того, існують інші недоліки турбін FТ у порівнянні із РТ-турбінами, а саме вони:

1)                              вимагають більшої уваги при їхньому обслуговуванні й ремонтах, дуже чутливі до кавітацій;

2)                              мають не оптимальну криву ККД турбіни, особливо при малих потоках води;

3)                              більш чутливі до конструкційних матеріалів у місцях надходження протікання води різної якості;

4)                              працюють хитливо при зниженні потужності до 40% щодо максимальної;

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5