Реконструкция Шершневской малой ГЭС с выбором гидромеханического оборудования

 

Как видно из таблицы 6 из 348 рек в пределах области 98% из них относятся к малым рекам.

Возникновение уральских гидроустановок приходится на первые годы 18 столетия; интенсивное строительство их для нужд промышленности продолжалось до конца XIX века, т. е. до того периода, когда преимущественное положение гидроустановок на Урале было потеряно в связи с появлением тепловых двигателей. Хотя для сельскохозяйственных потребителей они создавались и сохранялись до середины 20 века [4].

Первые гидроустановки размещались на восточном склоне Уральского хребта в бассейне рек Исеть, Нейвы и Тагила, используя площади водосборов, не превышающие 100-200 км2. Всего на протяжении XVIII века на Урале построено 157 гидроустановок. К концу века значительно возрастают мощности водотоков, используемых гидроустановками. Режская плотина (1773 г.) устроена в створе, замыкающем площадь водосбора в 2500 км2; Юрюзанская гидроустановка имеет площадь водосбора 2700 км2. В 1820 году плотина на реке Сатка при Саткинском металлургическом заводе имела 28 водяных колес, которые приводили в движение меха двух доменных печей, фабрику на восемь горнов и восемь молотов, прядильную фабрику, лесопильную машину в две рамы и мукомольную в четыре постава.

По данным официального отчета горного ведомства по состоянию на 1860 - 1861г.г., на всех уральских гидроустановках действовало около 1640 колес общей мощностью в 31260 л.с. (23132 кВт) и около 50 гидротурбин, общей мощностью 1310 л.с. (9694 кВт). Средняя установленная мощность одного колеса, примерно, в 19 л.с. (14 кВт), а турбины в 26 л.с. (19 кВт). В апреле 1908 г. приступили к постройке Порожской ГЭС по реке Большая Сатка, в 38 км от Саткинского завода, вниз по течению [4].

Порожская ГЭС предназначалась для обеспечения электроэнергией первого в России электрометаллургического завода по выплавке ферросилиция и феррохрома, построенного на базе этой электростанции. Первые гидрогенераторы мощностью 560 кВт, 375 об/мин, 25 Гц, напряжением 80 В были пущены 25 августа 1910 г. Это уникальное гидротехническое сооружение работает до сих пор без радикальной реконструкции. Практически постоянно работает одна турбина - радиальная турбина Френсиса мощностью 560 кВт. В период половодья подключается к работе вторая турбина такой же конструкции мощностью 845 кВт. Общая установленная мощность 1455 кВт [4].

На территории Челябинской области в ее степном Зауралье на малых реках существовало 79 плотин и столько же при них водяных двигателей, приводящих в действие мукомольные мельницы. Такие же водяные двигатели существовали при 14 водохранилищах на реке Миасс.

До середины 70-х годов в области существовали МГЭС на Аргазинском, Шершневском гидроузлах, на каскаде водохранилищ реки Большая Сатка.

После отмены в 1954 г. ограничений по электрификации сельскохозяйственных районов и их подключений к государственным электросистемам малые сельскохозяйственные гидросиловые и гидроэнергетические установки постепенно стали выводиться из эксплуатации.

В таблице 7 приведены малые ГЭС, производившие электроэнергию на территории Челябинской области. 

 

 Таблица 7 – Существовавшие малые ГЭС на территории Челябинской области [4]

Водохранилище, местоположение	Год начала эксплуатации	Состояние на сегодня	Установленная мощность, кВт	Выработка электроэнергии, млн. кВт×ч
Шершневское   р. Миасс	1963	списана	840	5,3
Аргазинское  р. Миасс	1946	списана	1200	4,5
Зюраткуль р. Б. Сатка две деревацион-ных ГЭС	1951	законсерви-рованна	5600	22,4
Саткинское   при слиянии рек Б. и М. Сатка	1930	списана	500	2,4
Всего			8140	34,6

 

Вычисление потенциальных ресурсов крупных и средних рек проводится отдельно для каждой реки методом “ линейного учета”.

При применении этого метода каждую реку делят на ряд участков, и для каждого участка определяется мощность реки. Границы расчетных участков устанавливаются в точках перелома профиля реки или в местах резкого нарастания приточности реки, т.е. у устья притока. За начальный створ при составлении продольного профиля реки  принимают исток.

Ниже приведены данные (таблица 8) о гидроэнергетическом потенциале речного стока крупных и средних рек. Данные по России и Уральскому региону взяты из работы А.Н.Вознесенского. Все подсчеты проведены для среднемноголетнего значения стока реки.

 

Таблица 8 – Потенциальные гидроэнергетические ресурсы крупных и средних рек

Регион	Площадь, тыс. км2	Потенциальные гидроэнергетические ресурсы		Насыщен-ность, тыс. кВт×ч/км2
		мощность, млн. кВт	среднегодовая выработка, млрд. кВт×ч
Россия	17075,4	273,4	2395,1	140
Уральский	2115,7	9,6	84,3	43
Челябинская обл.	87,9	0,270	2,5	27,0

 

В Уральский регион включены Свердловская, Челябинская, Тюменская, Курганская, Пермская, Оренбургская, Удмуртская области.

Для 50%-ной удельной мощности малых рек области с учётом площади каждого района был оценен валовой потенциал в зависимости от зоны формирования стока (гидроэнергетического района). При подсчете площадей учитывали бессточные замкнутые водосборы, которые встречаются на восточных и юго-восточных равнинах области. Результаты представлены в таблице 9.

 

Таблица 9 – Потенциальные гидроэнергетические ресурсы малых рек Челябинской

области (50%-ой обеспеченности) в зависимости от гидроэнергетического района

Гидроэнергетический район	Площадь района, тыс. км2	Мощность, тыс. кВт	Выработка, млрд. кВт×ч	Насыщенность, тыс. кВт×ч/км2
1	23,8	4,5	0,04	1,7
2	1,58	7,4	0,06	41,1
3	36,0	25,9	0,23	6,3
Продолжение таблицы 9
Гидроэнергетический район	Площадь района, тыс. км2	Мощность, тыс. кВт	Выработка млрд. кВт×ч	Насыщенность, тыс. кВт×ч/км2
4	4,97	3,7	0,03	6,5
5	6,26	40,8	0,36	57,0
6а	11,1	151	1,32	119
6б	0,46	13,4	0,12	261
7	3,74	45,6	0,40	107

 

Из таблицы 9 видно, что гидроэнергетические ресурсы распределены по территории весьма неравномерно вследствие разнообразия природных условий в пределах области.

Для сравнения валового потенциала малых рек области с другими регионами в таблице 10 приводятся данные по России и Уральскому региону.

Часть валового энергетического потенциала рек, которая технически возможна к использованию путем создания гидроэлектрических станций, преобразующих энергию реки в энергию электрическую, является техническим энергетическим потенциалом.

 

 

Рисунок 11 – Гидроэнергетическое районирование Челябинской области [4].

              - границы энергетических районов

                                     - границы области

 

 

 

Таблица 10 – Потенциальные гидроэнергетические ресурсы малых рек [4]

Регион	Мощность, млн. кВт	Среднегодовая выработка, млрд.  кВт×ч	Насыщенность, тыс. кВт×ч/км2
Россия	190	1668,3	97,7
Уральский	6,4	56	26,5
Челябинская обл.	0,26	2,60	29

 

Технический потенциал является величиной переменной, растущей по мере развития технических возможностей использования гидроэнергоресурсов. Однако в гидроэнергетике существенные изменения способов производства электроэнергии на ГЭС наблюдается крайне медленно, поэтому оценки технического потенциала достаточно устойчивы во времени.

 

Таблица 11 – Характеристика гидроэнергоресурсов малых рек [4]

Показатели	Территория
	Россия	Уральский район	Челябинская обл.
Площадь, тыс. км2 Гидроэнергетический потенциал: 1. Валовой, млрд. кВт×ч 2. Технический, млрд. кВт×ч	17075,4     1668,3 389,9	2115,7     56 17	87,9     2,6 0,94

 

В мировой практике известны примеры попутного получения электроэнергии на МГЭС, пристраиваемых к различным водопроводящим сооружениям в системе водопровода или судоходных сооружениях.

По результатам исследований на территории Челябинской области эксплуатируют около 392 прудов и водохранилищ с суммарным полным объемом более 3360 млн. м3 и полезным объемом более 2600 млн. м3. Создаваемый плотинами этих гидроузлов напор и попуски в нижний бьеф могут быть использованы для выработки электроэнергии. Из всех гидроузлов только на Верхнеуральском (р.Урал) и Порожском (р.Большая Сатка) водохранилищах используется гидроэнергетический потенциал стока.

Верхнеуральский гидроузел принадлежит Магнитогорскому металлургическому комбинату, основное его назначение - промышленное водоснабжение. Сбросы в нижний бьеф используется для получения электроэнергии, установленная мощность составляет 1000 кВт. Работают две турбины по 500 кВт с плановой выработкой в квартал 600 тыс. кВт·ч.

Пристройка МГЭС к неэнергетическим водохранилищам обеспечит повышение эффективности комплексного использования водных ресурсов. А также уменьшает или полностью исключает затраты на создание напорного фронта, водохранилища, водосборных сооружений, на переустройство нижнего бьефа, основание стройплощадки (прокладка дорог, электроснабжение строительства) и др. Эти затраты соизмеримы со стоимостью энергетического тракта МГЭС, а зачастую значительно превышает ее.

Все водохранилища области сгруппированы по объёмам и назначению в общем по области (таблица 12).

Самой многочисленной является группа мелких водохранилищ (95%) ёмкостью до 10 млн. м3, которая насчитывает 367 объектов. Основное назначение этих водохранилищ - обеспечение потребностей орошения, водоснабжения, рыбное и сельское хозяйство (водопой, разведение водоплавающих птиц). Из их числа могут быть исключены пруды и копани объемом до 1 млн. м3 как     бесперспективные в энергетическом отношении.

 

Таблица 12 – Назначение и объёмы водохранилищ Челябинской области [4]

Назначение	Число водохранилищ	В том числе полной емкость, млн. м3
		0 – 1	1 - 10	10 -100	100 - 1000
Комплексное	49	24	15	5	5
Орошение	162	85	76	1	-
Водоснабжение	36	9	17	9	1
Рыбное хозяйство	36	18	14	4	-
Рекреация	5	5	-	-	-