Материал: Комплексное использование водных ресурсов

Каскадное освоение водных ресурсов

Развитие гидроэнергетики осуществляется главным образом за счет каскадного освоения водных ресурсов. В этих условиях гидроэнергетические ресурсы отдельных рек используются не одной гидроэлектростанцией, а несколькими, последовательно расположенными друг за другом.

При этом в каскаде могут быть как плотинные, так и деривационные гидроэлектростанции. Как показывает практика, каскадные схемы позволяют полнее и экономичнее использовать энергетический потенциал реки, поскольку они, в частности, уменьшают энергетические потери водотока. Энергоэкономическая эффективность каскада при проектировании определяется количеством ступеней и месторасположением каждого гидроузла, определяющего размеры водохранилища, напора, мощности и капитальных вложений. Особое значение при этом приобретают экологические аспекты.

Энергоэкономическая эффективность действующих каскадов при заданном естественном режиме речного стока определяется исключительно оптимальным распределением нагрузки между отдельными электростанциями системы и характером требований на воду со стороны других отраслей народного хозяйства, которые при этом должны выполнять отдельные ГЭС.

Кроме повышения энергетической эффективности каскадные схемы позволяют существенно повысить эффективность использования стока и другими отраслями народного хозяйства.

Использование водных ресурсов одновременно несколькими отраслями народного хозяйства называется комплексным. Комплексное использование обеспечивает от данного гидроузла больший экономический эффект, чем использование их какой-либо одной отраслью народного хозяйства.

Участники (компоненты) комплексного использования образуют водохозяйственный комплекс. Те из компонентов водохозяйственного комплекса, которые используют воду как вещество и изымают ее из данного водоисточника, называются водопотребителями. Эта вода по истечении некоторого времени, иногда достаточно длительного, может вновь поступить в водооборот, но уже в другом створе или даже в другом бассейне.

При этом многие водопотребители возвращают воду существенно худшего качества. Те же участники комплекса, которые полностью или почти полностью возвращают после использования воду того же качества (например, ГЭС) или совсем ее не изымают из водотока (например, водный транспорт), называются водопользователями.

Каждый вид водопользования предъявляет свои требования к качеству воды. Наиболее разнообразные требования, диктуемые технологическими процессами производства, предъявляет промышленность. Для некоторых технологических процессов к качеству воды предъявляются более высокие требования, чем к питьевой.

Основные схемы использования водной энергии

Имеются три основные схемы создания сосредоточенного напора ГЭС:

• 1) плотинная схема, когда напор создается плотиной;
• 2) деривационная схема, когда напор создается преимущественно посредством деривации, осуществляемой в виде канала, туннеля или трубопровода;
• 3) плотинно-деривационная схема, когда напор создается и плотиной, и деривацией.

Плотины имеются во всех трех схемах.

Плотинная схема (рисунок 1а) осуществляется преимущественно при больших расходах воды в реке и малых уклонах ее свободной поверхности. Посредством плотины, построенной в пункте В, создается подпор воды, который распространяется вверх по реке до пункта А. Разность уровней воды в пунктах А и В равна HoДh. Часть общего падения Дh будет потеряна при движении воды в верхнем бьефе. Сосредоточенный перепад уровней, т. е., напор будет равен Н0. В плотинной схеме в зависимости от напора ГЭС может быть русловой или приплотинной.

Русловой называется такая ГЭС, у которой здание ГЭС наряду с плотиной входит в состав сооружений, создающий напор (рисунок 2а).

Где:

• 1 - лес, вырубаемый для очистки ложа водохранилища;
• 2 - завод, эвакуируемый из зоны затопления;
• 3 - эвакуируемые жилые помещения;
• 4 - плотина.

Далее…

Где:

• 1 - здание ГЭС;
• 2 - водосливная плотина;
• 3 - глухая земляная плотина;
• 4 - кран для подъема и опускания затворов.

Здание русловой ГЭС воспринимает полное давление воды со стороны ВБ и должно удовлетворять условию устойчивости, как и плотина. Русловая ГЭС может быть построена при сравнительно небольшом напоре. При средних и больших напорах, превышающий диаметр трубы более чем в 4-5 раз, здание ГЭС не может входить в состав напорного фронта. В таких случаях строят приплотинную ГЭС, здание которой располагается за плотиной и не воспринимает плотного давления воды. Подвод воды к турбинам ГЭС осуществляется трубопроводами, размещенными в теле или поверх бетонной плотины, прокладываемыми в обход плотины.

Где:

• 1 - водосливная плотина;
• 2 - кран для подъема и опускная затворов;
• 3 - станционная плотина;
• 4 - здание ГЭС;
• 5 - турбинный водовод.

При деривационной схеме высота плотины может быть небольшой, обеспечивающей лишь отвод воды из реки в деривацию, а сосредоточенный напор получается за счет разности уклонов воды в реке и в деривации.

На рисунке 4а приведена схема ГЭС с деривацией в виде открытого канала. Плотина создает небольшой подпор.

Из подпертого бьефа вода по деривационному каналу поступает в напорный бассейн, откуда она подается по трубопроводам к турбинам ГЭС. От турбин вода по отводящему каналу направляется в реку или деривацию следующей ГЭС или же в ирригационный оросительный канал.

Дальше…

При пересеченном или горном рельефе местности, деривацию можно выполнить в виде туннеля, прорезывающий горный массив (рисунок 5), или в виде трубопровода, уложенного по поверхности земли. Деривация может состоять частично из канала и туннеля, из трубопровода и туннеля и т. п.

Существуют два типа гидротехнических туннелей: безнапорные, заполненные водой не полностью, с атмосферным давлением над свободной поверхностью воды, и напорные, в которых вода заполняет все сечение туннеля. В напорном туннеле гидродинамическое давление даже в самой верхней точке сечения выше атмосферного. В конце длинного подводящего напорного туннеля устраивается уравнительный резервуар для уменьшения гидравлического удара при резких изменениях расхода воды, потребляемой ГЭС (рисунок 5). В конце подводящего безнапорного туннеля как и в конце деривационного канала сооружается напорный бассейн (рисунок 4).

Где:

• 1 - русло реки;
• 2 - плотина;
• 3 - водоприемник;
• 4 - напорный тоннель;
• 5 - уравнительный резервуар;
• 6 - помещение затворов;
• 7 - турбинные трубопроводы;
• 8 - подпорные стены;
• 9 - однотурбинная ГЭС;
• 10 - ЛЭП.

При длинной безнапорной подводящей деривации (канал, безнапорный туннель) в конце ее иногда устанавливается бассейн суточного регулирования расхода и мощности ГЭС (рисунок 4а). Если река несет большое количество крупных наносов (песок), попадание которых в деривацию может вызвать нежелательные последствия, то в начале подходящей деривации сооружается отстойник. Наносы, выпавшие в отстойнике, смываются в реку через промывной канал.

Если возможно переохлаждение воды и образование внутриводного льда - шуги, то в случае надобности на головном узле, на деривационном канале или на напорном бассейне сооружают шугосбросы. Деривация может быть отводящей. При большой длине отводящая деривация часто выполняется в виде туннеля, когда ГЭС является подземной. Деривационные схемы установок выгодны в горных условиях, при больших уклонах свободной поверхности воды в реке и сравнительно малых используемых расходах, когда при относительно небольшой длине и малых поперечных размерах деривации можно получить большой напор и большую мощность ГЭС. При благоприятных геологических и топографических условиях на горной реке может быть применена и плотинная схема. Посредством плотины можно создать водохранилище для регулирования стока реки.

В плотинно-деривационной схеме используются выгодные свойства обеих предыдущих схем, т. е., может быть создано водохранилище и использовано падение реки ниже плотины (рисунок 6).

Где:

• 1 - поверхность воды в естественных условиях;
• 2 - водохранилище;
• 3 - плотина;
• 4 - деривация;
• 5 - гидростатический уровень;
• 6 - пьезометрическая линия;
• 7 - турбинный водовод;
• 8 - здание ГЭС;

Н0 - падение давлений в устье А-В;

Нпл - падение давлений от пункта А до плотины;

Ндер - падение давлений от плотины до здания ГЭС;

hА-В - потери напора в реке и в сооружениях.

На используемом участке реки А-В при неизменной отметке верхнего бьефа ВБ местоположение плотины может быть различным. Чем выше по течению расположена плотина, тем меньше ее высота.

При этом уменьшается размер водохранилища, т. е., уменьшается затапливаемая территория, но увеличивается длина деривации и увеличиваются потери напора hA-B. Тщательное технико-экономическое сравнение вариантов позволяет выбрать наилучший.

Каскады гидроэлектростанций и водохранилищ

Несколько ГЭС, последовательно расположенных на одном водотоке, образуют каскад, в котором могут быть плотинные и деривационные ГЭС. Проектирование и осуществление каскадов ГЭС имеет целью возможно более полное использование падения реки и ее стока в интересах всего народного хозяйства. При этом стремятся за счет создания водохранилищ наилучшим образом зарегулировать сток рек. Местоположение каждого гидроузла, его напор, объем образуемого им водохранилища и т. п., выбираются на основе тщательного изучения природных условий и всестороннего технико-экономического анализа. Для того чтобы использовать возможно больший сток на данной установке, створ плотины стремятся расположить ниже крупного притока, а для уменьшения ущерба от затопления створ плотины выбирают выше крупных городов.

При выборе створа плотины часто решающее значение имеют топографические и геологические условия.

При сооружении каскада ГЭС обычно оказывается целесообразным некоторый подпор вышерасположенной ступени, благодаря чему падение реки используется более полно и может производиться глубокое суточное регулирование мощности ГЭС без существенных колебаний уровня НБ.