Оценка перспектив использования малой гидроэнергетики на оросительных системах для обеспечения внутрисистемных потребностей в электроэнергии

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 621.22:626.81:631.672

Российский научно-исследовательский институт проблем мелиорации

ОЦЕНКА ПЕРСПЕКТИВ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МАЛОЙ ГИДРОЭНЕРГЕТИКИ НА ОРОСИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМАХ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ВНУТРИСИСТЕМНЫХ ПОТРЕБНОСТЕЙ В ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

В.Н. Щедрин

Д.В. Бакланова

На современном этапе развития глобальной системы «природная среда - общество - человек» и, соответственно, локальных бассейновых геосистем, в пределах которых формируются и потребляются водные ресурсы в различных технологических процессах жизнедеятельности населения, необходимо решить сложную и амбициозную задачу - создание принципиально новых технологических схем использования водных ресурсов, в частности в сельскохозяйственном производстве на орошаемых землях.

Создание новых и совершенствование существующих технологий использования водных ресурсов на оросительных системах (ОС) Южного федерального округа, Северного Кавказа и других регионов России становится возможным, если максимально учитывать естественные процессы их формирования, внутрибассейновое распределение и транспортирование водного стока (поверхностного, подземного) к конкретным водопотребителям.

Так, использование энергии водного потока для выработки электрической энергии на водопроводящих, сопрягающих, регулирующих и сбросных гидротехнических сооружениях (ГТС) ОС малоизучено и, соответственно, недостаточно применяется в практических целях, в частности, для эксплуатации поливной техники, малых насосных станций, средств автоматизации, связи, освещения.

Действующие и создаваемые ОС в системном понимании представляют собой природно-технические системы (ПТС) «природная среда - объект деятельности - население» («ПС - ОД - Н»), в которых под объектом деятельности (ОД) рассматривается ОС, размещаемая в пространственных пределах бассейновой геосистемы, в которой формируются водные ресурсы. Так, на территории Ставропольского края действует 19 ОС с площадью орошаемых земель порядка 366 тыс. га, на которых расположено около 6800 ГТС различного функционального назначения, обеспечивающие отбор расчетных расходов воды из водоисточников, их транспортирование и распределение между водоопотребителями. При этом зоны влияния ОС затрагивают практически всю территорию Ставрополья (66,7 тыс. км2), где проживает население численностью 2801597 человек.

Анализ многолетнего опыта эксплуатации ОС, действующих на территории Ставропольского края с середины 30-х гг. прошлого века [1, 2], и результаты исследований последних лет (с учетом современных научных подходов [3-5]) позволяют утверждать необходимость совершенствования технологии производства сельскохозяйственной продукции на орошаемых землях. Несовершенство методологических подходов в определенной мере обусловливается значительными затратами невозобновляемых источников энергии (НИЭ) и, соответственно, снижением рентабельности производимой сельхозпродукции.

В связи с этим целью настоящего исследования является оценка гидроэнергетических ресурсов и перспектив использования малой гидроэнергетики на существующих ГТС (на примере Ставропольского края) и дождевальных машинах ОС для обеспечения внутрисистемных потребностей в электроэнергии.

Известно, что гидроэнергетический потенциал, используемый малыми (мощностью от 100 до 25000 кВт) и микроГЭС (мощностью до 100 кВт), в полной мере не изучен, однако он может быть использован не только на водохранилищах, но и на перепадах крупных магистральных каналов в пределах ОС. Так, микроГЭС может быть не только источником электроэнергии для работы насосных станций ОС, но и прямым приводом различных дождевальных машин.

В России наибольший вклад в развитие малой гидроэнергетики в последние 20 лет внесли межотраслевое научно-техническое объединение «ИНСЭТ» (МНТО «ИНСЭТ») и публичное акционерное общество «Федеральная гидрогенерирующая компания - РусГидро» (ПАО «РусГидро») - российские компании по проектированию, производству, строительству и эксплуатации объектов малой гидроэнергетики как на территории России, так и в странах ближнего (страны Балтии, Белоруссия, Грузия, Таджикистан, Узбекистан) и дальнего зарубежья (Афганистан, страны Европы, Латинской Америки и пр.). Кроме того, в настоящее время имеются разработки мобильных микроГЭС мощностью до 50 кВт, которые создают напор 1-4 м и монтируются за 4-24 ч [6]. Уже имеется опыт использования таких установок на ОС в Ростовской области. Однако на 2010 г. в РФ используется около 1 % потенциальной мощности малой гидроэнергетики. Использование потенциала систем сброса воды и систем водоснабжения на территории РФ практически равно нулю [7]. В настоящее время малые гидроэлектростанции наиболее распространены в развитых странах. Зарубежный опыт показал, что при их использовании можно достичь значительной экономии топливных ресурсов и благоприятно решить серьезные экологические проблемы [8, 9].

Материалы и методы. Исследования рассматриваемых ОС Ставропольского края проводились с использованием системного подхода, при этом основным материалом для обоснования перспективных мест размещения малых и микроГЭС для выработки электроэнергии являлись конструктивные характеристики действующих ГТС в Ставропольском крае.

В 2016 г. сотрудниками ФГБНУ «РосНИИПМ» был проведен анализ ОС Ставропольского края с наличием перепадов уровней воды от 2 м и более (быстротоков, концевых сбросов, перепадов и т. п.). Системным анализом базовых принципов на примере ОС Ставропольского края было установлено, что в применяемой технологии производства сельскохозяйственной продукции на действующих ОС и дождевальных машинах фронтального и кругового действия практически не используется потенциальная энергия водного потока сетевых водопроводящих и водосбросных ГТС.

Установлено, что для устойчивой функциональной работы дождевальных машин рабочее давление в подводящих трубопроводах должно обеспечиваться в пределах от 2 до 6 атм, которое создается стационарными или передвижными насосными станциями. Исследованиями, проведенными в пределах, действующих ОС Ставропольского края, было определено, что создание необходимого рабочего давления в подводящем к дождевальной машине трубопроводе можно обеспечить путем использования естественного рельефа земной поверхности (рисунок 1) или устройства напорного резервуара воды на задаваемых отметках ОС (рисунок 2).

Рисунок 1 - Технологическая схема использования микроГЭС для дождевальной машины на участке деривации оросительной системы с трубопроводом

Рисунок 2 - Технологическая схема работы дождевальных машин от микроГЭС с напорным резервуаром суточного регулирования

Для функционального передвижения дождевальной машины по орошаемому участку в настоящее время применяются дизель-генераторные установки, размещаемые непосредственно на машине (рисунок 3) [10]. Такое конструктивное решение в энергоэнтропийном рассмотрении снижает уровень экологической приемлемости и безопасности при использовании НИЭ в виде нефтепродуктов [11]. В результате это определяет необходимость более полного использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ).

Результаты и обсуждение. Использование ВИЭ в системной взаимосвязи с естественным характером земной поверхности, на которой размещается действующая ОС, позволило создать технологическую схему, в которой управление работой и функциональное перемещение дождевальной машины может осуществляться на основе микроГЭС, устанавливаемой непосредственно на подводящем трубопроводе дождевальной машины (рисунок 4).

Рисунок 3 - Дождевальная машина с дизель-генераторной установкой (автор фото - Ю. Ф. Снипич)

Рисунок 4 - Схема функциональной работы микроГЭС для дождевальной машины

В случае использования микроГЭС для дождевальной машины необходимо учитывать потери напора на гидроагрегате, которые зависят от его установленной мощности. В таблице 1 приведены значения рабочего напора в трубопроводе, расход воды в дождевальной машине, по которым можно определить установленную мощность микроГЭС, при этом рабочий напор в трубопроводе машины должен быть не менее 2 атм (20 м вод. ст.).

Таблица 1 - Технические характеристики базовых параметров микроГЭС для дождевальных машин

На рисунке 5 представлена общая схема реализации выработки на микроГЭС электрической энергии для эксплуатации дождевальной машины (кругового действия).

Рисунок 5 - Схема реализации выработки электрической энергии на микроГЭС, установленной на подводящем трубопроводе дождевальной машины кругового действия (заявка на изобретение № 2017111556)

Таким образом, системное взаимодействие ВИЭ с природными (почвенным покровом) и техногенными (ГТС, дождевальной техникой) компонентами обусловливает собой функциональное единство в технологическом процессе преобразования энергии, необходимой для сельскохозяйственного производства. Установлено, что чем в большей степени техногенные компоненты будут адаптированы к естественным процессам преобразований форм энергии, тем в большей степени будет спрос на проводимую хозяйственную деятельность по использованию водных ресурсов. Технология, связанная с манипулированием процессами взаимодействия между природными и техногенными компонентами в составе ПТС, с одной стороны, обеспечивает повышение уровня экологической приемлемости и безопасности, с другой стороны, может рассматриваться как природоподобная техническая система (ППТС) «ПС - ОД - Н» с принципиально новыми техническими характеристиками, функциональными отличительными особенностями (применительно к действующим ОС - это необходимая возможность управления процессами взаимодействия между природными и техногенными компонентами в зонах влияния ОД). Управление этими процессами в рассматриваемой ППТС (примером которой является ОС Ставрополья) обеспечивает повышение ее коэффициента полезного действия путем более полного использования ВИЭ.

В задачу оценки внутрисистемных гидроэнергетических ресурсов ОС Ставропольского края входило определение энергии и мощности водного потока, а также расчет возможной годовой выработки электроэнергии и мощности малых или микроГЭС. Это выполнялось следующим образом. В течение времени , с, через произвольно избранное поперечное сечение 1-1 канала пройдет объем воды , м3, с расходом , м3/с, то есть .

Полная энергия потока воды на рассматриваемом участке канала , Дж, (между сечениями 1-1 и 2-2) определяется по уравнению Бернулли (1):

,

где и - расстояние от свободной поверхности до плоскости сравнения, м;

, - давление на свободную поверхность, Н/м2;

- плотность воды, кг/м3;

- ускорение свободного падения, м/с2;

, - коэффициенты Кориолиса;

, - скорость потока в сечениях 1-1 и 2-2 соответственно, м/с;

- время, с.

Мощность водного потока , Вт, на рассматриваемом участке канала определяется выражением (2):

,

где - характеризует изменение энергии высотного положения;

- характеризует изменение энергии давления;

- характеризует изменение величины кинетической энергии потока.

Разностью устанавливается падение уровня свободной поверхности потока воды в пределах рассматриваемого участка , м, тогда энергия потока воды на расчетном участке канала , кВт•ч, определяется выражением (3):

,

а мощность водного потока на участке , кВт, (4):

.

С учетом соотношения 1 кВт = 102, кгс•м/с и плотности воды кг/м3 выражение для мощности (4) примет вид:

.

Расчет выработки электроэнергии , кВт ч производится по формуле (6):

,

где - напор воды, подведенный к гидротурбине, м.

,

где - действующий напор, м;

- сумма гидравлических потерь напора воды, м.

,

где - разность статических уровней воды в верхнем и нижнем створах рассматриваемого участка, м.

,

где - КПД гидроэнергетического оборудования;

- КПД турбины, =0,8-0,9 (с. 12 [12]);

- КПД механической передачи, = 0,7-0,9 (с. 140 [13]);

- КПД генератора, для малых гидротурбин = 0,96-0,97 (с. 104 [13]), для одногирляндных ГЭС = 0,75-0,9 (с. 140 [13]);

- КПД трансформатора, = 0,9-0,98.

Мощность гидроэлектростанции , кВт определяется по формуле (10):

.

Удельное потребление воды малой или микроГЭС на выработку 1 кВт ч электроэнергии или 1 кВт мощности выражается величинами удельного объема воды , м3/кВт ч и удельного расхода воды , м3/с на 1 кВт, тогда получаем:

,

.

Величины удельной выработки электроэнергии , кВт ч/м3 и удельной мощности , кВт с/м3 определяются обратными величинами и :

,

.

На основе расчетов по формулам (1)-(14) можно определять потенциальные гидроэнергетические ресурсы водохозяйственных объектов, что и было проведено с целью установления гидроэнергетического потенциала ОС Ставропольского края.

На основе расчетов выявлено, что перспективными створами для устройства как малых, так и микроГЭС в Ставропольском крае являются около 30 функционирующих ГТС на ОС, а также четыре перепада на р. Б. Егорлык и один на р. Кума.

Показатели суммарной мощности и производства электроэнергии на малых и микроГЭС ОС Ставропольского края предварительно оцениваются в 128,46 МВт в год. Кроме того, по результатам водно-энергетических расчетов проведен подбор основного гидротурбинного оборудования и определен период работы каждой ГЭС (таблица 2).

На основании анализа технико-эксплуатационных карт мелиоративных систем Ставропольского края определено суммарное годовое количество электроэнергии (таблица 3), потребляемой ОС края в 2015 году (включая электроэнергию, потребляемую насосными станциями, техникой, производственными зданиями ФГБУ и другими потребителями в пределах ОС). гидроэнергетический дождевальный оросительный

Таблица 2 - Характеристика перспективных малых и микроГЭС на ОС в Ставропольском крае

Таблица 3 - Показатели потребления электроэнергии оросительными системами Ставропольского края

Учитывая, что значение перспективной годовой выработки электроэнергии на гидротехнических сооружениях ОС Ставропольского края (515040000 кВт ч) много больше суммарного показателя годового потребления (1985570,2 кВт ч), можно заключить, что полученной электроэнергией можно обеспечить работу оросительной техники, насосных станций, средств автоматизации, связи в пределах ОС края.

Существенной проблемой на пути использование гидроэнергетического потенциала ОС являются присутствующая в России определенная региональная и юридическая раздробленность и различия интересов хозяйствующих в электроэнергетике компаний (как генерирующих, так и сбытовых).

В настоящее время необходимо создание отдельной отрасли ВИЭ, что возможно лишь под единым началом и при активном содействии государства (с. 153 [14]). В частности, необходима разработка и принятие нормативно-правовой и нормативно-технической базы документов, способствующей легализации, внедрению и устойчивому развитию малой гидроэнергетики в мелиорации.

Выводы

1 На примере ОС Ставропольского края рассмотрена возможность получения электроэнергии с использованием малых и микроГЭС для обеспечения потребностей в энергоснабжении дождевальной техники, насосных станций и других внутрисистемных объектов.

2 Рассмотренные в таблице 2 перспективные створы для устройства гидроэлектростанций позволяют сделать вывод о целесообразности производства электроэнергии, необходимой для работы ОС предгорных районов при сравнительно низкой себестоимости отпускаемой электроэнергии (1,80-2,40 руб./кВт ч).

3 Перспективная годовая выработка электроэнергии на внутрисистемных малых и микроГЭС (устраиваемых на ГТС) составила 515040000 кВт ч. Используя этот гидроэнергетический потенциал, можно обеспечить бесперебойную работу систем сельскохозяйственного водоснабжения, а также снизить затраты на производство сельскохозяйственных культур.

Список использованных источников

1 Алтунин, В. С. Мелиоративные каналы в земляных руслах / В. С. Алтунин. - М.: Колос, 1979. - 255 с.

2 Запорожченко, Э. В. Инженерно-геологический опыт проектирования, строительства и эксплуатации первой очереди Большого Ставропольского канала / Э. В. Запорожченко. - Ставрополь: Ставропол. кн. изд-во, 1974. - 78 с.

3 Бондаренко, В. Л. Оценка перспектив использования возобновляемых источников энергии на базе малой гидроэнергетики в Ростовской области / В. Л. Бондаренко, Г. Л. Лобанов, А. В. Алиферов // Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации - 2016.

4 Государственный доклад о состоянии и использовании водных ресурсов Российской Федерации в 2009 г. - М.: НИА-Природа, 2010. - 288 с.

5 Перспективы развития возобновляемых источников энергии в России / В. Г. Николаев [и др.]; под ред. В. Г. Николаева. - М.: Атмограф, 2009. - 456 с.

6 Кашарин, Д. В. Область применения и обоснование параметров мобильных микроГЭС рукавного типа для малых водотоков / Д. В. Кашарин, М. А. Годин // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Серия: Строительство и архитектура. - 2010. - № 20. - С. 142-148.

7 Безруких, П. П. Ресурсы и эффективность использования возобновляемых источников энергии в России / П. П. Безруких, Ю. Д. Арбузов, Г. А. Борисов [и др.].; под общ. ред. П. П. Безруких. - СПб.: Наука, 2002. - 314 с.

8 Вахрушева, К. Итоги развития альтернативной энергетики в мире и в России в 2010 году

9 Каргиев, В. М. Энергия будущего - возобновляемая энергия. Стратегия Европейского союза в области возобновляемых источников энергии / В. М. Каргиев // Возобновляемая энергия. - 2008. - № 3. - С. 2-3.

10 Снипич, Ю. Ф. Перспективные направления развития дождевальной техники / Ю. Ф. Снипич, В. Н. Щедрин, А. В. Колганов // Мелиорация и водное хозяйство. - 2003. - № 5. - С. 5.

11 Абакумов, В. А. Экологические модификации и критерии экологического нормирования / В. А. Абакумов. - Л.: Гидрометеоиздат, 1991. - С. 18-40.

12 Обухов, С. Г. Микрогидроэлектростанции: курс лекций / С. Г. Обухов // ГОУ ВПО ТПУ. - Томск: ТПУ, 2009. - 63 с.

13 Михайлов, Л. П. Малая гидроэнергетика / Л. П. Михайлов, Б. Н. Фельдман, Т. К. Марканова; под ред. Л. П. Михайлова. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - 184 с.

14 Николаев, В. Г. Перспективы развития возобновляемых источников энергии в России. Результаты проекта TACIS / В. Г. Николаев, С. В. Ганага, Р. Вальтер. - М.: Изд-во «Атмограф», 2009. - 455 с.

Аннотация

Целью исследований являлась оценка гидроэнергетических ресурсов и перспектив использования малой гидроэнергетики на существующих гидротехнических сооружениях (на примере Ставропольского края) и дождевальных машинах оросительных систем для обеспечения внутрисистемных потребностей в электроэнергии. Системным анализом на примере оросительных систем Ставропольского края было установлено, что в применяемой в настоящее время технологии производства сельскохозяйственной продукции практически не используется потенциальная энергия водного потока сетевых гидротехнических сооружений. В связи с этим основным материалом для обоснования перспективных мест размещения малых и микроГЭС для выработки электроэнергии являлись конструктивные характеристики действующих в Ставропольском крае гидросооружений. Сотрудниками Российского научно-исследовательского института проблем мелиорации был проведен сбор и анализ сведений об оросительных системах Ставропольского края с наличием перепадов уровней воды от 2 м и более (быстротоков, перепадов и т. д.), после чего выполнен подбор гидроагрегатов, а также рассчитана годовая выработка электроэнергии. В результате выявлено, что наиболее перспективными створами для устройства малых и микроГЭС в Ставропольском крае являются около 30 функционирующих гидросооружений, а также четыре перепада на р. Б. Егорлык и один на р. Куме. Показатели суммарной мощности и производства электроэнергии на малых и микроГЭС оросительных систем Ставропольского края предварительно оцениваются в 128,46 МВт в год, а годовая выработка электроэнергии составит 515,04 млн кВт ч. Таким образом, использование малой гидроэнергетики как возобновляемого источника энергии в мелиорации будет способствовать созданию энергоэффективных оросительных систем.

Ключевые слова: возобновляемые источники энергии, микроГЭС, гидротехнические сооружения, оросительная система, дождевальная машина, электрическая энергия.

The purpose of research was to assess the hydropower resources and the prospects for using small hydropower engineering on the existing hydraulic structures (on the example of Stavropol Territory) and sprinklers to meet internal energy needs. Using the example of irrigation systems of Stavropol Territory, it was found out by system analysis that the potential energy of water flow of network hydraulic structures isn't practically used in current agricultural production technology. In this regard, the main material for justification the promising locations for small and micro hydroelectric power plants for power generation was the design characteristics of hydraulic structures operating on Stavropol Territory. Russian Scientific Research Institute of Land Improvement Problems collected and analyzed information on irrigation systems of Stavropol Territory with the availability of water level differences of 2 m or more (chutes, crossheads, etc.), after which the selection of hydraulic units was performed and annual power generation was calculated. As a result, it was revealed that about 30 functioning hydraulic structures, as well as four crossheads on the river Egorlyk and one on the river Kuma are the most promising sites for small and micro hydroelectric power plants construction in Stavropol Territory. The indicators of total power and electricity production on small and micro hydroelectric power plants of irrigation systems of Stavropol Territory are estimated preliminary at 128.46 MW per year, and annual electricity generation will amount to 515.04 million kWh. Thus, the use of small hydropower as a renewable source of energy in land reclamation will contribute to the creation of energy efficient irrigation systems.

Key words: renewable energy sources, micro hydroelectric power plants, hydraulic engineering structures, irrigation system, sprinkler, electric energy.

Размещено на Allbest.ru