Реконструкция Шершневской малой ГЭС с выбором гидромеханического оборудования

 

Продолжение таблицы 12

Назначение	Число водохранилищ	В том числе полной емкостью, млн. м3
		0 - 1	1 - 10	10 - 100	100 – 1000
Охрана природы	9	6	3	-	-
Сельское хозяйство	95	88	7	-	-

 

Второй достаточно многочисленной группой водохранилищ являются водохранилища объёмом от 1 до 10 млн. м3 (33% от общего числа). Анализ внутригодового распределения стока и расчет энергетики створа для более 20 небольших водохранилищ (полезной ёмкостью до 10 млн. м3) показали, что установленная мощность для таких водохранилищ составляет менее 100 кВт. То есть они могут быть освоены микро ГЭС.

Гидроэнергетический потенциал определялся по сработке полезного объёма в среднем при 2500 часах использования и напорах 6 м в среднем. Исключали ирригационные водохранилища, где попуски в нижний бьеф практически не осуществляются. 130 водохранилищ этой группы имеют полезный объём 350 млн. м3. Исходя из этого суммарный энергетический потенциал водохранилищ объёмом 1 - 10 млн. м3 в пределах области составляет около 6 млн. кВт×ч.

Немногочисленную, но достаточно перспективную группу представляют собой водохранилища неэнергетического назначения с полным объемом больше 10 млн. м3, число которых в области составляет 25 или 6,5% от общего числа. По создаваемому на гидроузлах напору только одно водохранилище (оз. Зюраткуль) относится к высоконапорному (более 75м), к средненапорным (20-75м) - 3 водохранилища, а остальные к низконапорным (до 20м).

МГЭС, сооружаемые при водохранилищах неэнергетического назначения, будут работать в режиме попусков в нижний бьеф, подчиненных требованиям основных водопользователей.

Водохранилища, предназначенные для коммунально-бытового и промышленного водоснабжения в нижнем бьефе, характеризуются круглогодичным режимом попусков, поэтому МГЭС, пристраиваемые к таким водохранилищам будут иметь относительную высокую, причем гарантированную в меженный период, мощность и значительное число часов ее использования (6000-7000).

Анализ диапазона изменения уровней верхнего бьефа, а следовательно, и напора показал, что на ряде гидроузлов снижение уровня по отношению к максимальному достигает 50-60%. Эффективность использования гидроэнергетического потенциала таких водохранилищ возможна по следующей схемам: применение многоскоростных турбин, соединяемых с генератором через редуктор с постоянной частотой вращения; применение многоскоростных генераторов;  установка на одной ГЭС гидротурбин, рассчитанных на разные напоры.

В таблице 13 представлены параметры МГЭС при водохранилищах, при которых целесообразно строительство ГЭС. Диапазоны энергии, которая может быть получена в створе гидроузла, определены по двум параметрам. Верхний предел определен по сработке полезного объема, а нижний предел - по полезной водоотдаче. Полезная водоотдача рассчитывается по 95%-ному сбросу из водохранилищ, предназначенных для водоснабжения 75 и 85%-ному сбросу для целей сельского хозяйства.

 

Таблица 13 – Возможные варианты строительства МГЭС на водохранилищах Челябинской области [4]

Водохранилище, местоположение	Назначе-ние водохра- нилища	Емкость водохра-нилища (полная/ полезная) млн. м3	Параметры МГЭС
			Hмакс, м	Qр, м3/с	Hр, м	N, МВт
1.Магнитогорское           р.Урал	ПВ,О,РХ	189,0/32,0	15,4	22	14,6	2,64-0,5
2.Верхнеуральское р.Урал	ПВ,РХ,О	601,0/569,0	31	18	30	4,4-0,34
Продолжение таблицы 13 3. Аргазинское       р.Миасс В,РХ 966,1/781,0 10 49 6,8 2,65-0,48   4. Шершневское   р.Миасс В,О 176,0/94,0 17 9 13 0,93-0,16   5.Нязепетровское р.Уфа В 153,0/133,0 22 54,4 20 8,65-1,56   6. Иремельское        р. Иремель В 43,1/40,6 19 2,1 16 0,28-0,05   7. Миасское     р.Миасс ПВ 12,5/5,7 6.5 1,05 5 0,05-0,009   8.Поликарповский пруд р.Миасс ПВ 10,5/8,5 7,3 1,8 5,5 0,11-0,02   9.Н. Уфалейское      р. Уфалейка ПВ 16,6/76 11 1,3 10 0,10-0,02   10.Южноуральское       р. Увелка ПВ,В,РХ 75,45/65,7 13,5 15,2 12 1,59-0,29   11. Зюраткольское       р. Б. Сатка В 73,7/57,7 - 3,3 106 2,78-1,20   Итого           24,2-4,6

 

4 Классификация малых ГЭС

 

 

В настоящее время нет общепринятого во всех странах мира понятия малой ГЭС. Предлагаются классификации по различным параметрам, отражающим особенности этих станций: по мощности, напору, режиму работы, степени автоматизации, по способу создания напора [26, 27].

Во многих странах в качестве основной количественной характеристики малой ГЭС принята её установленная мощность [14].В Австрии, Испании, Индии, Франции, Германии, Канаде, КНР к малым ГЭС относят электростанции мощностью до 5МВт; в Италии, Норвегии, Швейцарии, Венесуэле - до 1…1,5 МВт; в США - до 30 МВт; в нашей стране - до 25…30 МВт. Некоторые заводы-изготовители определяют малые ГЭС по диаметру рабочего колеса гидротурбины (в нашей стране - до 3 м).

 Наибольшее  распространение получила классификация  ООН, подразделяющая малые ГЭС по мощности: микроГЭС - мощностью до 100 кВт, миниГЭС - от 0,1 до 1 МВт и малые ГЭС от 1 до 10 МВт [1].

Многообразие классификации малых ГЭС вызвано следующими факторами: различием природных условий, уровнем развития энергетического хозяйства страны, особенностью процедуры согласования и утверждения проектов малых ГЭС и другими [2].

В России принята следующая классификация малых ГЭС [2, 14];

1. По напору:

-  низконапорные, Н < 20 метров;

- средненапорные, Н = 20 - 75 метров;

- высоконапорные, Н > 75 метров.

2. По способу  создания напора:

- русловые;

- приплотинные;

- деривационные;

- смешанные (плотинно-деривационные) и малые ГЭС при готовом  напорном фронте (на перепадах каналов, в системах водоснабжения и др.)

3. По режиму работы:  работающие  параллельно  с  энергосистемой,  на изолированного потребителя параллельно с другим источников(например: с дизельной или ветровой электростанцией).

4. По степени автоматизации: полуавтоматизированные (работающие при наличии дежурного персонала), автоматизированные (работающие без дежурного персонала).

5. По условиям создания: стационарные, мобильные (микроГЭС).

Другие предложения по классификации малых ГЭС - по характеру использования стока (на бытовом или зарегулированном стоке), участию в графике нагрузок (пиковые, полупиковые, базисные) - не отражают особенностей собственно малых ГЭС.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5 Схемы малых ГЭС

 

 

Строительство ГЭС малой мощности осуществляется по трем известным схемам, позволяющим создать сосредоточенный напор: плотинная, деривационная и комбинированная (плотинно-деривационная).

Плотинная схема создания напора (рисунок 12) - это наиболее распространенная схема использования гидроэнергетического потенциала малых водотоков. Особое влияние на тип и компоновку сооружений, образующих гидроузлы играет величина напора и место расположения здания ГЭС. По этим признакам различают два основных варианта компоновки ГЭС: русловые и приплотинные.

а)

        

 

б)

     

а – здание ГЭС расположено в русле реки; б – здание ГЭС расположено на обводном канале; 1 – глухая плотина; 2 – водосливная плотина; 3 – здание ГЭС;

4 – подводящий участок обводного канала; 5 – отводящий участок обводного канала; 6 – шлюз.

 Рисунок 12 – Русловая схема гидроузла

 

Основными сооружениями МГЭС в плотинной схеме являются плотины и здания ГЭС. В русловых ГЭС здание с основным оборудованием расположено в русле реки. На реках с широкой речной долиной и явно выраженным руслом реки предпочтительнее назначить отметку гребня глухой плотины так, чтобы нормальный подпорный уровень не выходил из основного русла реки (рисунок 12,а). Для такой схемы характерна русловая компоновка с размещением здания ГЭС и водосливной плотины в русле реки. Однако, этот вариант требует, при строительстве малых ГЭС, возведения перемычек для создания осушаемого котлована, в котором будет возводится то или иное сооружение или его часть, что естественно увеличивает капиталовложения в строительство ГЭС. Данная схема выполняется при небольших напорах от 1,5 до 4 метров, реже до 6 метров, и небольшой мощности станции (от нескольких сотен киловатт до одного, реже двух мегаватт). Это также обусловлено малой регулирующей мощностью водохранилища.

Другой вариант строительства малой или мини-ГЭС без затопления поймы реки, это размещение здания ГЭС на обводном канале вне русла реки (рисунок 12,б). Это позволяет возводить здание ГЭС и водосливную плотину на незатапливаемых бытовым стоком реки отметках, что значительно упрощает производство строительных работ, облегчает условия перекрытия русла реки и снижает общие капиталовложения в строительство гидроузла.

Приплотинная компоновка гидроузла предусматривает расположение здания ГЭС за напорным фронтом (рисунок 13). Само здание не воспринимает напор со стороны верхнего бьефа и только испытывает давление воды, сосредоточенное по сечению турбинных водоводов. В широком створе русла реки и не больших напорах глухая плотина выполняется из местных материалов. Здание ГЭС размещается обособленно и может располагаться непосредственно за плотиной или вблизи нее. Водосбросы, водоприемник ГЭС и турбинные водоводы устанавливаются не совмещенные с плотиной. Турбинные водоводы могут проходить под плотиной или в обход ее (рисунок 14).

Рисунок 13 – Компоновка основных сооружений русловой малой ГЭС

а – план гидроузла; б – разрез по напорному тракту; 1 – водосброс;                2 – здание МГЭС; 3 – прямоточная турбина; 4 – съемные крышки; 5 – винтовой подъемник.

 

                       а)                                                            б)

             

а – подвод воды к зданию напорным бассейном; б - подвод воды к зданию водоводом; 1 – глухая плотина; 2 – водосливная плотина; 3 – здание  ГЭС;                     4 – турбинный водовод; 5 – напорный бассейн; 6 – водоприемник.

Рисунок 14 – Варианты компоновки сооружений гидроузла с приплотиннымзданием ГЭС

 

 

1 – глухая  плотина; 2 – водосливная плотина; 3 – здание ГЭС;                         4 – турбинный водовод; 5 – водоприемник ГЭС.

Рисунок 15 – Приплотинное здание ГЭС с размещением трубопровода под телом грунтовой плотины

 

Деривационная схема позволяет создать сосредоточенный напор путём отвода воды из реки в деривацию, имеющую меньший уклон, чем естественное русло. Деривационные и смешанные схемы широко применяют в практике строительства малых ГЭС в основном в горных и предгорных районах [2].

Схемы деривационных станций могут быть следующими:

- деривация вдоль реки, применяют на реках со значительными уклонами и скоростями течения (рисунок 16,а);

- деривация на спрямлении русла реки, спрямляя деривацией отдельные излучины реки, можно получить значительные напоры ГЭС даже на реках с небольшим уклоном (рисунок 16,б);

- переброска стока из одной реки в другую, такие схемы осуществляют, когда две соседние реки разделены невысоким и коротким водоразделом и имеют разное высотное положение (рисунок 16,в).

 

 

а – с деривацией вдоль реки; б – на спрямлении русла реки; в – переброска стока из одной реки в другую; 1 – головной узел; 2 – деривация; 3 –напорный бассейн; 4 – напорные трубопроводы; 5 – здание ГЭС; 6 – холостой сброс.

Рисунок 16 – Схемы деривационных малых ГЭС

 

Уровень воды в конце деривации оказывается выше уровня воды в точке   расположения здания ГЭС, которое связано с деривацией турбинными водоводами.  Для отвода воды в деривацию на реке создается плотина, высота которой может быть небольшой, обеспечивающей лишь необходимый для работы ГЭС объем воды. Сама деривация может быть безнапорной (рисунок 17) и напорной (рисунок 18).