2. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ИСПОЛЬЗОВАНИЮ МИКРО-ГЭС НА ПРИМЕРЕ ЧЕМАЛЬСКОГО РАЙОНА РЕСПУБЛИКИ АЛТАЙ
В данном разделе нами будут вынесены рекомендации по энергетическому освоению установками микро-ГЭС малых водотоков (малых гpорных рек) Чемальского района республики Алтай.
Чемальский район географически находится на северо-востоке Горно-Алтайской республики. Главной водной артерией этого района является река Катунь. Реки Чемал, Майма, Элекмонар, Куюм, Сема являются для реки Катунь притоком 1 порядка. Потенциальные водноэнергетические ресурсы бассейна реки Катунь в данном районе находятся в пределах 1,5-1,8 млн. кВт ч на 1 км речного тока. Расход воды рек Чемальского района достаточно большой: при напоре воды 5-10 м, расход воды - 80-100 л/с. Эти данные предоставляют минимальный и необходимый запас полезной мощности гидротурбины. Важно определить тип гидротурбины для реки с определенными расходными характеристиками.
Пропеллерные гидротурбины рассчитаны на напор Н 2-10 м, расход воды Q 0,07-0,8 м3/с. Диагональные и радиально-осевые гидротурбины рассчитаны на Н=10-5 м, Q=0,07-0,8 м3/с и Н=30-160 м, Q=0,4-4,3 м3/с соответственно.
Ковшовые турбины используются на гидростанциях с большим напором воды и снабжаются одним или двумя соплами при горизонтальном расположении ротора. Напор воды для ковшовых турбин составляет 150-450 м, расход воды 0,13-0,9 м3/с.
Выбор мощности турбины рассмотрим для реки Сема. Длина реки 73 км. Водноэнергетические характеристики данной реки позволяют установить пропеллерную гидротурбину мощностью от 5 кВт и выше.
Как правило, нагрузка потребителя (хозяйственный двор, усадьба с водо - и теплоснабжением, отоплением, электроплитой и освещением) не превышает 5 кВт. Предполагается, что хозяйственный двор располагается непосредственно у реки или на расстоянии до 200 м.
Коммунально-бытовая нагрузка подстанции 110/6,3 кВ Чемальского района рассредоточена на достаточно большой территории (около 800 км2), причем подстанция в этом районе единственная и в зимние пики (см. зимний график нагрузок в табл. 10) работает в максимальном режиме. Подстанция 110/6,3 кВ снабжена устройством переключения без возбуждения (ПБВ). В табл. 10 представлены графики нагрузок для зимнего и летнего максимума нагрузок.
Таблица 10. Графики сезонных нагрузок подстанции 110/6,3 кВ (Чемальский район) усредненные показатели за последние 5 лет :1997-2001 г.г.
Энергоснабжение района выполнено низковольтными ЛЭП в основном на деревянных опорах, что в период половодья приводит к постепенному разрушению трассы ЛЭП.
Учитывая уровень электроснабжения Чемальского района, а также вероятность аварийности оборудования ввиду сложных эксплуатационных условий низковольтных ЛЭП, внедрение микро - и малых ГЭС позволит качественно улучшить электрификацию района и избежать дефицита электроэнергии.
Определим полную мощность потребляемую Чемальским районом в зимний максимум и летний минимум по формуле:
(1)
1. Летний минимум.
Определим среднесуточное значение активной и реактивной мощностей по формуле:
(2)
где Pi - активная мощность потребляемая из сети во время контрольного замера
ni - количество контрольных замеров.
(3)
где Qi - реактивная мощность потребляемая из сети во время контрольного замера
ni - количество контрольных замеров.
Рассчитаем полную мощность для летнего минимума по формуле (1):
2. Зимний максимум.
По формулам (2) и (3) определим среднесуточные значения активной и реактивной мощностей:
Рассчитаем полную мощность для летнего минимума по формуле (1):
Итак, для определенных выше условий эксплуатации выбираем микро-ГЭС 10ПР с пропеллерной турбиной (мощность 5 кВт, напор 4,5-8,0 м, расход воды 0,2 м3/с, частота вращения 1500 об/мин, номинальное напряжение 230 В, номинальная частота тока 50 Гц). Из табл.18 выберем генератор переменного тока типа АПНт-85 (мощность 5 кВт, частота вращения 1500 об/мин, номинальное напряжение 230 В).
В зависимости от климатических, гидрологических и географических условий района, где находится потребитель электроэнергии, а также от схемы электроснабжения населенного пункта тип выбираемой микро-ГЭС может варьироваться. Перечень выпускаемых на сегодняшний день гидроэлектростанций малой мощности, а также номенклатура генераторов переменного тока мощностью до 70 кВт и некоторых поршневых насосов для компоновки насосных установок на гирляндных турбинах указан в п. 5.
3. ПЕРЕЧЕНЬ ВЫПУСКАЕМЫХ РОССИЙСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТЬЮ АГРЕГАТОВ ДЛЯ МИКРО-ГЭС
1. Основные технические характеристики малых ГЭС.
Таблица 11. Микро-ГЭС с пропеллерными турбинами.
Таблица 12. Микро-ГЭС с диагональными турбинами.
2. Основные технические характеристики гидроагрегатов для малых ГЭС.
Таблица 13. Гидроагрегаты с пропеллерными турбинами.
Таблица14. Гидроагрегаты с радиально-осевыми турбинами.
Таблица 15. Гидроагрегаты с ковшовыми турбинами.
3. Научно-производственное объединение "РАНД". Гидроэнергетическое оборудование для малых ГЭС.
Гидроэнергетическая программа НПО "РАНД" (Санкт-Петербург) предусматривает разработку собственной номенклатуры перспективного оборудования. С этой целью, на базе выполненных обследований заброшенных гидроэлектростанций создана серия гидротурбин, позволяющая эффективно использовать низкие напоры, типичные в целом для России. Мощность таких установок составляет от 6-20 кВт до 2,5 МВт в диапазоне напоров от 3 до 80 метров.
Оборудование для малых ГЭС включает гидроагрегаты мощностью от 100 кВт до 2 МВт с напорами от 5 до 130 м. Здесь использованы как осевые, так и радиально-осевые рабочие колеса во фронтальном и спиральном подводе, предусмотрены возможности механического и электрического регулирования мощности установок.
НПО "РАНД" является владельцем уникального пакета прикладных программ для расчёта проточной части турбинных камер агрегатных блоков ГЭС и программного комплекса по обоснованию размеров водосбросных сооружений, проектируемых на скальном и нескальном основаниях в составе средне - и низконапорных гидроузлов различного водохозяйственного назначения. Разрабатываемая номенклатура включает передвижные энергетические микро-ГЭС единичной мощностью до 50 кВт при напорах до 10 м на базе осевых рабочих колес.
4.Автономная установка для индивидуального водоснабжения.
Основным преимуществом установки по сравнению с другими водоподъёмными агрегатами (насосами) является:
· работа без использования электроэнергии и механического привода;
· высокая надёжность;
· простота конструкции;
· автоматичность и долговечность работы; незначительные эксплуатационные расходы.
Установка располагается вблизи небольшого водотока, на котором создается подпор воды на 0,8-1,0 м. Производительность установки и напор нагнетания определяются условиями местности конкретного потребителя. Подача воды установкой может составлять от 0,7 до 5 м3/ч на высоту до 12м.
Рис. 3. Автономная установка для индивидуального водоснабжения.
5.АОЗТ "МНТО ИНСЭТ". Деривационные микро-ГЭС.
Деривационные микро-ГЭС состоят из следующих частей:
· энергоблока, содержащего гидравлическую турбину, генератор и блок балластной нагрузки, размещенных на опорной раме;
· водозаборного устройства, представляющего собой сетчатый короб, внутри которого установлен водозаборный патрубок с запорным устройством;
· устройства автоматического регулирования напряжения и частоты (УАР);
· напорного трубопровода.
Таблица 16. Основные технические характеристики микро-ГЭС с пропеллерными турбинами.
Таблица 17. Основные технические характеристики микро-ГЭС с диагональными турбинами.
6.Оборудование для агрегатов малых ГЭС
Для агрегатов малых ГЭС АО "МНТО ИНСЭТ" (Санкт-Петербург) производит осевые, радиально-осевые, пропеллерные, диагональные и ковшовые гидротурбины.
Гидроагрегаты с осевыми турбинами
Гидроагрегаты комплектуются гидротурбинами с вертикальным и горизонтальным расположением ротора.
Гидроагрегаты комплектуются синхронными генераторами, асинхронными двигателями в качестве генераторов, а также системами автоматического управления, обеспечивающими возможность работы на сеть и на индивидуального потребителя (нагрузка)
Гидроагрегаты с радиально-осевыми турбинами
Радиально-осевые гидротурбины выполнены с металлической спиральной камерой. Компоновка гидроагрегатов на ГЭС предусматривает горизонтальное расположение ротора гидротурбины.
Гидроагрегаты с ковшовыми гидротурбинами
Ковшовые турбины используются на гидростанциях с большим напором воды и выпускаются с одним или двумя соплами при горизонтальном расположении ротора.
7.АО "ТЯЖМАШ". Гидротурбины для малых ГЭС.
АО "ТЯЖМАШ" (Москва) проектирует, изготавливает и поставляет гидротурбины как для вновь строящихся, так и для реконструируемых малых ГЭС (МГЭС), а также производит ремонт и восстановление отдельных узлов, монтаж и наладку оборудования. Гидротурбины для МГЭС могут быть использованы в условиях Севера, Сибири и Дальнего Востока.
Таблица 20. Перечень генераторов переменного тока с мощностями менее 50 кВт на скорости вращения до 1500 об/мин.
Таблица 21. Тихоходные генераторы постоянного тока на мощности до 70 кВт.
Таблица 22. Некоторые поршневые насосы для компоновки насосных установок на гирляндах поперечных и торцовых турбин.
4. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ОСВОЕНИЯ МАЛЫХ ВОДОТОКОВ
В данном разделе будут рассматриваться экологические проблемы, возникающие при освоении и использовании микро-ГЭС. Воздействие установок малой гидроэнергетики на окружающую среду неизбежно. Важно понять, в какой степени будет осуществляться это воздействие.
Также необходимо выявить следующие факторы, образующие экологические последствия освоения малых водотоков, а именно:
- охрана водных ресурсов малых рек от истощения и загрязнения;
- влияние водохранилищ малых ГЭС на изменение геологической среды;
- изменения режима малых рек вследствие антропогенного воздействия;
Необходимо выявить, четко определить ту область воздействия гидротехнических установок на малые реки, за пределами которой начинаются необратимые процессы, приводящие к гибели водоемов. Также не менее важно будет установить факторы, влияющие на изменение стока. Именно режим и величина стока определяют объемы водных ресурсов малых рек (см. рис.4).
Интенсивное энергетическое освоение малых рек вызывает необходимость проведения различного рода природоохранных мероприятий.
Для обустройства малых рек необходимы хорошо разработанные и технически обоснованные проекты, в которых должны учитываться экологические, хозяйственные, гидрологические и другие требования, направленные на поддержание природного равновесия рек и водоохранных зон.
Здесь нам необходимо определить последнее понятие. В состав водоохранных зон включаются поймы рек, надпойменные террасы, бровки, крутые склоны берегов, балки и овраги, непосредственно входящие в речную долину. Как правило, география гидроэнергетического освоения и экологического мониторинга малых рек сводится к речному руслу (водотоку). Необходимо помнить, что малые реки, как и большие, формируются за счет более мелких водотоков, ручьев, подземных ключей. Поэтому ширина речной долины должна быть четко выделена.
Рис. 4. Система факторов, влияющая на гидрологические параметры рек.
Полоса водоохранных зон зависит от среднего многолетнего уровня реки и рассчитывается от уреза в летний период, и составляет 100-300 м. Ширина зон может быть увеличена за счет непригодных для сельскохозяйственного использования земель (территории, изрезанных оврагами, болотами и т.п.). Также, вдоль берегов рек и их притоков по обеим сторонам русла выделяются прибрежные русла. Их ширина составляет 15-30 м и зависит от типа прилегающих угодий (пастбище, лес, луг и т.д.), а также крутизны склонов.
При строительстве и сооружении объектов микро-ГЭС необходимо в меньшей степени непосредственно воздействовать на природную зону рек (сосредоточение строительной техники, доставка узлов микро-ГЭС к месту возведения, размещение рабочего персонала и т.п.).
Необходимость в сохранности лесных природоохранных зон также велика. Лесные полосы (ширина их составляет 6-8 м) предохраняют берега от разрушения, а сами реки - от загрязнения, способствуют уменьшению испарения с водной поверхности.
Наиболее эффективным способом сохранения водности малых рек считается сооружение водохранилищ, прудов и русловых плотин с водосливами. Высота таких плотин обычно не более 3 м, их количество от 2 до 8 по длине реки. При этом масса воды водохранилища все же вызывает некоторые геологические изменения.
В верхнем бьефе переработка берегов водохранилища возможна в результате волнового воздействия и активизируется размыв берегов. Во время зимней сработки водохранилища на склонах не исключено оседание льда, который в процессе таяния и сползания окажет определенное эрозионное воздействие на берега.
Также неизбежно затопление и подтопление близлежащих земель вследствие естественных неуправляемых процессов, происходящих в водохранилищах. Процесс регулирования стока зависит и от частых колебаний уровня воды, вызывающие переформирование берегов и дна водохранилища, что, в свою очередь, сопровождается увеличением акватории водоема. Кроме того, изменяется гидрологический режим в обоих бьефах. Из-за увеличения зеркала водной поверхности резко возрастают потери воды на испарение, что влечет за собой заметное увеличение безвозвратных изъятий воды из реки.
Изменяется и гидрологический режим малого водотока, который может быть усилен из-за нарастающего антропогенного влияния, - возросло водопользование и водопотребление. Наибольшая антропогенная нагрузка на малые реки отмечается там, где они протекают через населенные пункты Причем воздействие на малые реки обусловлено деятельностью человека по преобразованию не только самих водотоков, но и их водосборных бассейнов. На водосборах это сведение древесной растительности, распашка земель, рост сел, на реках - увеличивающийся забор вод на хозяйственные нужды, сбор сточных и возвратных вод, рекреация, орошение, водоснабжение, мелиоративные мероприятия
Следует помнить о том, что на малых реках существует тесная взаимосвязь с окружающей природной средой.
4.1. Экологический мониторинг объектов малой гидроэнергетики
Охрана водных ресурсов малых рек должна быть главенствующим звеном при их энергетическом освоении.
В основе решения об использовании тех или иных малых водотоков обычно лежат результаты многолетних наблюдений (мониторинга) за состоянием окружающей среды в данном районе. При этом очень важно, чтобы получаемая в процессе мониторинга информация включала все параметры, необходимые для разработки конкретной энергетической системы. Частично такую информацию содержат результаты метеорологических наблюдений.
Экологический мониторинг объектов малой энергетики необходимо тесно связать с комплексом природоохранных мер еще на стадии проектирования.
Экологическая экспертиза объектов малой гидроэнергетики заключается в следующем: проведение сбора и изучение данных следующих гидрометеорологических характеристик:
1. уровня воды в водотоке;
2. притока в водоем и стока из него;
3. скорости ветра;
4. схем общей циркуляции вод при различных гидрометеорологических условиях;
5. схем распределения областей преобладающего воздействия ветровых волн и течений в пределах бассейна малого водотока;
6. схем распределения грунтов в водоеме, а также интенсивности и направленность литодинамических процессов;
7. степени хозяйственной деятельности в пределах акватории (трассы и интенсивность судоходства, работы, связанные с изменением рельефа дня и т.д.);
8. схем распределения рекреационных зон (заповедников, санитарных зон).
Оценка экологического состояния среды дается по интенсивности антропогенного освоения территории и степени ее нарушения по данным натурных наблюдений (состояние почвенного покрова и растительных ассоциаций, изменение химического состава почв, донных отложений и воды под воздействием антропогенных нагрузок).
Несомненно, от качества воды в водотоке (химический состав, концентрация взвешенных частиц и т.д.) зависит надежная работа основных объектов и узлов микро-ГЭС. Заиление бетонных конструкций, скопление микроорганизмов на частях энергоустановки непосредственно находящихся под водой, коррозия металлических конструкций - вот неполный перечень неизбежных процессов, возникающих при эксплуатации составных частей микро-ГЭС, - и все это без влияния антропогенного фактора. Поэтому, химический анализ состава загрязнении малых водотоков должен включать в себя, по крайней мере, следующие компоненты:
- содержание биогенных элементов, хлоридов, тяжелых металлов, нефтепродуктов в воде водотока и водохранилища;
- бактериологическое загрязнение (влияние животноводческих ферм, смыв с сельскохозяйственных угодий органических удобрений и т.д.);
- концентрация нитратов, минерального фосфора и азота, содержание главных ионов в воде;
- цветность воды, реакция среды рН, кислотность, кислородный режим, общая минерализация и другие гидрохимические параметры.
Весь комплекс проводимых вышеперечисленных мер должен выявить и разработать план природоохранных мероприятий, выбор которых по экологическому обустройству (реконструкции) отдельных участков бассейна малого водотока должен производиться на основе имеющейся информации о гидрологическом, гидрохимическом, гидробиологическом режимах, а также хозяйственной деятельности в пределах акватории и на прилегающих участках.
Приведенная ниже характеристика экосистемы микро-ГЭС также помогает скоординировать природоохранные мероприятия. Итак, характеристика экосистемы состоит в следующем:
1. интенсивность водообмена и его пространственно-временная изменчивость;
2. гидрологическая структура водного объекта и ее сезонные изменения;
3. результаты гидрологических наблюдений и расчетов, раскрывающих природный механизм термодинамической регуляции теплового состояния экосистемы;
4. значения отметок характерных уровней, определяющих полезный и противопаводковый объем водохранилищ;
5. режим изменения запаса воды в пределах полезного объема в соответствии с типом водного баланса;
6. гидрометрические и ландшафтные условия формирования стока на водосборе водохранилища в сезоны различной водности;
7. морфологические особенности ложа водохранилищ;
8. гидроэкологическое зондирование мелководий;
9. проблема формирования длинных волн на водохранилищах;
10. результаты взаимодействия ветровых волн с берегами ложа водоемов;
11. проблема "цветения" водохранилищ;
12. кормовые ресурсы ихтиофауны и биопродуктивность прибрежных зон;
13. трансформация химического состава воды в водоемах;
14. биологические процессы самоочищения поверхностных вод.
Разработка проектов экологического оздоровления и благоустройства территорий и водоемов сооружений микро-ГЭС должны выполняться на основе: комплексного натурного обследования, оценки природного потенциала, оценки уровня загрязнения и деградации объектов и т.д.
Следовательно, правильная и своевременная экспертиза объектов малой гидроэнергетики позволяет определить сферу деятельности, охватывающую мероприятия по охране малых водотоков.
4.2. Мероприятия по охране малых водотоков при их энергетическом освоении
Далее дадим краткий обзор действий при энергетическом освоении малых водотоков. Проектирование микро-ГЭС должно вестись на основе предварительно разработанных схем комплексного использования водных ресурсов речного бассейна, включающих природоохранные мероприятия и схемы энергетического использования водотока. Все вопросы размещения хозяйственных отраслевых объектов и объемов их водопотребления должны быть взаимоувязаны и согласованны. При отсутствии таких схем по какому-либо водотоку недопустимы проектирование и строительство частных объектов, использование водных ресурсов и освоение водосбора его бассейна.
Чрезвычайно остро стоит вопрос о сохранности пойм и пойменных земель, являющихся, с одной стороны, исходной базой естественного и культурного кормопроизводства, а с другой - естественным биохимическим барьером реки, так называемым, фильтром-очистителем. Поэтому при проектировании гидроузлов и водохранилищ (выборе отметки НПУ, зеркала водохранилища и установлении площади затопления) немаловажное значение придается сохранению пойменных земель, участков и старопахотных угодий. Решение этих вопросов достигается технико-экономическим обоснованием (ТЭО) выбора створа ГЭС, защитой пойменных земель путем обвалования и посредством специальных выпусков ГЭС и гидроузлов.
Малые и средние водотоки могут быть сохранены при рациональном и экологически обоснованном освоении их водосборов, особенно с учетом развития новой инфраструктуры на базе создаваемых гидроузлов. Еще на стадии проектирования производственных, сельскохозяйственных, коммунально-бытовых предприятий и объектов на водосборах водохранилищ, прилегающих к ним участках и притоках необходимо провести модельные имитационно-оптимизационные расчеты для установления допустимого вклада этих объектов загрязнение водотока и обоснования их, основных экологически приемлемых параметров.
В заключении, на основе вышеизложенной информации при создании энергоузлов для микро-ГЭС необходимо решить следующие экологические вопросы:
1. собрать и проанализировать экологическую информацию, в том числе экстремальную с учетом экологической надежности, безопасности и риска;
2. провести комплексную количественную оценку экологических последствий; выделить из них приоритетные (наиболее существенные), а также первичные (например, затопление земель), определяющие ряд последствий второго уровня;
3. разработать ликвидационные (природоохранные) мероприятия как по природному комплексу в целом, так и по отельными экологическим объектам на стадии ТЭО и при принятии общих инженерных решений (выбор створа, компоновка гидроузла, отметка НПУ и т.д.). При фиксированных общих решениях на стадии технического проекта выбор природоохранных мероприятий частного характера может производиться на основе локальной их оптимизации;
4. обратить особое внимание на выполнение в строительной практике всех намеченных в проектной документации природоохранных мероприятий;
5. постоянный учет и нормирование потребления и расходования водных ресурсов в пределах водосбора.
Четкое выполнение природоохранных мероприятий, несомненно, будет продвигать развитие малой гидроэнергетики, что потребует соответствующей перестройки проектирования, в первую очередь пересмотр схем использования рек, выбор подпорных отметок гидроузлов, и, самое важное, определение установленной мощности микро-ГЭС.
