CC BY
67
УДК 551. 340; 622. 013
Шестернев Дмитрий Михайлович
Shesternyov Dmitry
Лапкин Герман Иванович
Lapkin German
ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ РЕКОНСТРУКЦИИ ТЕПЛОВЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ ОБЪЕДИНЕННОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ СИБИРИ И ПУТИ ИХ РЕШЕНИЯ (НА ПРИМЕРЕ ТЭЦ-1, г. ЧИТА)
GEOECOLOGICAL PROBLEMS OF THERMAL POWER PLANTS OF SIBERIAN CONSOLIDATED POWER SYSTEM RENEWAL AND THE TRACKS OF THEIR SOLUTIONS (BY WAY OF EXAMPLE OF COGENERATION PLANT TEC-1, CHITA)
Рассмотрены особенности строительства и The article considers peculiarities of Siberian ther-
эксплуатации тепловых электростанций Сибири, mal power plants construction and operation, the prob-
проанализированы проблемы реконструкции в lems of renewal are analyzed in accordance with up-to-
соответствии с современными требованиями date environmental safety of the territory, the tracks of
экологической безопасности территории, показа- a solution to the existing problems are shown ны пути решения существующих проблем
Ключевые слова: Сибирь, криолитозона, температу- Key words: Siberia, cryolite zone, temperature, thermal
ра, тепловая электростанция, фильтрация, реконст- power plant, filtration, renewal
рукция
Из разработанной в конце 2006 г. под общим руководством академика РАН А.Е. Шейндлина программы «Целевое видение стратегии развития энергетики России на период до 2030 г.» следует, прежде всего, достижение в 2030 г. производства электроэнергии в размере до 2000 млрд кВт • ч (сценарий «2000» ), 37 % (758 млн кВт • ч ) которой будет составлять электроэнергия, выработанная на тепловых преимущественно твердото-
пливных электростанциях [6].
Одними из наиболее энергоемких инженерных сооружений, оказывающих существенное влияния на геоэкологическую ситуацию селитебных территорий криолитозоны, являются тепловые электростанции, расположенные в Сибири. На тепловых электростанциях ОЭС Сибири сжигается более 50 % всего потребляемого угля тепловыми электро-
станциями в России, а это свыше 60 млн т [1].
Выработка электроэнергии ТЭС на угле в перспективе до 2030 г. занимает ведущее положение. В перспективе рассматривается и строительство новых высокотехнологичных ТЭС и, вместе с тем, возникает определенная необходимость в расширении, реконструкции и модернизации существующих ТЭС, построенных в 70 гг. XX в. Эксплуатация ТЭС на угле характеризуется повышенными негативными воздействиями на окружающую природную среду: выбросы загрязняющих веществ в атмосферу, загрязнение подземных и поверхностных вод и отчуждение значительных площадей сельскохозяйственных угодий под размещение золоотвалов. Отмечаются также техногенные воздействия ТЭС на объекты местного и федерального значения.
Высокая степень изношенности ТЭС обуславливает необходимость работ по их реконструкции в целом, и отдельных инженерных объектов, в частности. Особенно это относится к совершенствованию ранее построенных гидротехнических сооружений, накопителей твердых отходов - гидрозолоотвалов (ГЗО), представляющих собой емкости для складирования продуктов сгорания углей - золошлаков, накопления вод, используемых для технологических нужд на ТЭС в системе гидрозолоудаления (ГЗУ). Перечисленные проблемы являются типичными практически для всех твердотопливных ТЭС Сибири, включая и Читинскую ТЭЦ-1.
Таким образом, актуальность исследований экологических и технологических проблем, их научная и практическая значимость для обеспечения эффективной реконструкции ТЭС не вызывают сомнений. В связи с этим они были выполнены в рамках программы РАН «Природные процессы в криосфере, гидросфере, атмосфере и ландшафтной оболочке Земли и их эволюция с учетом антропогенного воздействия».
Характеристика природных условий района и объекта исследований
Район исследований расположен в се-
верной части Центрального Забайкалья, в Чи-тино-Ингодинской впадине, характеризующейся слаборасчлененной поверхностью с абсолютными отметками днища 630...650 м. Рельеф днища впадины котловинный, террасовидный. В самой крупной котловине района работ расположено оз. Кенон площадью 16 км2. Климат района резко континентальный. По данным метеостанции г. Чита, изменения среднегодовых температур воздуха колебались от -5,3 °С в 1892 г. до +0,5 °С в 2007 г. Максимальных величин среднегодовая и абсолютная амплитуды температур воздуха в течение года достигли в 1936 г. и были соответственно равны 51,5 и 87,5 °С. Среднее количество осадков за период наблюдений равняется 340,3 и составляет за теплый период - 301, 3, за холодный - 39,0 мм/год.
В начале эксплуатации объектов ТЭЦ г. Чита температура пород на глубине годовых колебаний, равной 10 м, в районе исследований изменялась преимущественно в пределах -0,1 ...-1,0 °С, на территории гидротехнических сооружений ТЭЦ-1 - -0,1...-0,3 °С. Кровля многолетнемерзлых пород была вскрыта на глубине 3,0...5,0, подошва - на глубине 50.70 м.
В настоящее время для рассматриваемой территории установлен однонаправленный деградационный характер развития крио-литозоны, причинами которого являются повышение среднегодовых температур воздуха и увеличение техногенной нагрузки при строительстве и эксплуатации техногенных объектов, включая и ТЭЦ-1 г. Чита [5]. В его инфраструктуре действующие секции ГЗО № 2 (1, 2); строящаяся секция ГЗО № 2 (3); карьеры местных строительных материалов - элювиальные суглинки, рекомендуемые в качестве материалов для изготовления противофильтра-ционного экрана (4, 5); отвалы почвеннорастительного слоя для рекультивации карьеров (6); проектируемый трубопровод для сброса очищенных осветленных вод в р. Ингода (7); искусственное озеро (8); трубопровод осветленной воды в систему гидрозолоудаления (12); трубопровод золошлаковой пульпы на
ГЗО № 2 (13). Кроме того, через территорию восток (10) и ЛЭП - 220 кВ (11) (см. рисунок). объекта проходят автодорога Москва - Влади-
План-схема размещения объектов Читинской ТЭЦ -1 (пояснения в тексте)
Гидрозолоотвал № 2 (ГЗО) Читинской ТЭЦ-1 построен в 1973 г. Он расположен в одной из естественных котловин Читино-Ингодинской впадины. Проектная емкость ГЗО составляет 10 млн м3. С 1973 г. по 01.01.2002 г. в нем накопилось 8,9 млн м3 твердых и жидких отходов. Остаточный объем заполнения на 01.01.02 г. составлял 1,1 млн м3.
Срок полного заполнения существующего ГЗО № 2 должен был быть в 2004 г. Начиная с этого времени, проблема реконструкции ТЭЦ-1 не перестала быть актуальной в науч -ном плане, но и носит ярко выраженное прикладное значение, поскольку эффективная работа ТЭЦ-1 предопределяет энергообеспеченность, а следовательно, и социальную стабильность г. Чита - столицы Забайкальского края.
Обсуждение результатов исследований
К началу эксплуатации ГЗО № 2 в районе работ были распространены сливающиеся, несливающиеся, и по всей видимости, реликтовые многолетнемерзлые породы. В последние годы геокриологические условия территории изменились не только вследствие воздействия на них ГЗ0 № 2, но и благодаря устойчивому потеплению климата в течение последних 50.60 лет. В результате установлено, что в процессе глобального изменения климата на территории исследований повсеместно образовалась криолитозона несли-вающегося типа.
Существенное влияние на локальную деградацию криолитозоны оказали техногенные высокотемпературные воды ГЗО № 2. Отепляющее воздействие гидропульпы золо-
отвала обусловило полную деградацию мерзлых пород в ложе ГЗО-2. В результате водоупорные свойства пород были потеряны. Это предопределило возникновение дополнительной инфильтрации техногенных вод, вызвавшей изменение водного и теплового баланса подмерзлотных горизонтов прилегающих территорий, увеличение разгрузки подземных вод в надмерзлотные водоносные горизонты через зоны нарушений и гидрогеологические окна, увеличение водообильности надмерзлотных горизонтов. В условиях своеобразного фильтрационного разреза, характеризующегося высокой степенью потенциальной подтопляемо-сти, произошел подъем уровней подземных вод, на фоне которого проявляется заболачивание сельскохозяйственных угодий и участков площадных и линейных сооружений, химическое и тепловое загрязнение подземных вод, развитие гидротермических процессов и засоление почв [4]. Возможно, что это одна из многих причин изменения химического состава оз. Кенон, которые рассмотрены М.Ц. Итигиловой [2].
Фронт загрязнения подземных вод на сегодняшний день распространился на восток до оз. Кенон, на юго-восток до Кадалинского карьера кирпичных глин, на юг - до восточной окраины пос. Рудник Кадала, захватив частично или полностью водозаборы «Энергетик», ст. Кадала и территорию аэропорта (см. рисунок). Непосредственная угроза загрязнения нависла над одним из крупнейших в Чите разведанным, но не эксплуатируемым до настоящего времени Сибирским водозабором, так как с вводом его в строй произойдет резкое снижение динамического уровня, и по мере разрастания де-прессионной воронки возможен подсос подземных вод, загрязненных техногенными водами золоотвала.
В результате проведенных исследований установлено, что при реконструкции ТЭЦ-1 необходимо в качестве основных мероприятий по предотвращению отрицательного воздействия ГЗО на окружающую среду провести про-тивофильтрационные мероприятия, разработать и внедрить технологию круглогодичной
физико-химической очистки осветленных вод и разработать технологию очистки заполненных золой карт.
Противофильтрационные экраны, сооружаемые из местных строительных материалов и дамбы, в строительном материале которых предполагается использовать шлам золоотвалов, подвержены воздействию техногенных вод. В результате качество их эксплуатации может существенно ухудшиться. Последствия могут быть катастрофическими. Исследования кинетики набухания, усадки, деформаций, значений коэффициентов фильтрации от изменения плотности суглинков, которые будут использованы для строительства противофильтрационного экрана, показали, следующее.
В результате лабораторных экспериментальных исследований водно-физических свойств местных строительных материалов и отходов производства ТЭЦ-1 установлено, что по степени убывания эффективности противофильтра-ционных свойств они располагаются в следующем порядке: суглинок -> шлам -> зола.
Оптимальная гидроизоляция ложе ГЗО может быть достигнута при коэффициенте фильтрации противофильтрационного экрана, изменяющегося в диапазоне 0,001.0,0006 м/сут. Градиент напора должен быть не больше 1 при плотности скелета суглинка в пределах 1,4...1,60 г/см3. Для уплотнения строительных материалов при создании противофильт-рационного экрана необходимо создавать достаточно высокие нагрузки, так как начальное
сопротивление (структурная прочность Рстр)
суглинка составляет 0,37 кгс/см2.
Для снижения нагрузки от комплекса гидротехнических сооружений ГЗО № 2 на геоэкологическую ситуацию прилегающих территорий необходимо:
- определить по контуру карт 1 и 2 эксплуатируемого ГЗО направление потоков подземных вод, а также по контуру строящейся третьей карты, используя геофизические методы;
- продолжить исследования по разра-
ботке композиционного материала на основе использования местных строительных материалов для обустройства противофильтраци-онного экрана и дамб;
- разработать технологию круглогодичной физико-химической очистки техногенных вод с использованием цеолитов Забайкалья и технологию сброса накопленного в зимнее
1. Институт комплексных стратегических исследований. «Электроэнергетика Сибири» (Вэб сайт http://www.lcss.ac.iy-/gubllsh-/analysis/am-10.html). 2007.
2. Итигилова М.Ц. Экология городского водоема / М.Ц. Итигилова, А.П. Чечель, Л.В. Замана и др. - Новосибирск: СО РАН, 1998. - 260 с.
3. Патент изобретение РФ 2 278 220 №. Система оборотного водоснабжения теплоэлектростанции / Д.М. Шестернев, В.П. Мязин, С.Б. Татауров, Г.И. Лапкин. - Бюлл. № 17. - ФГУ ФИПС, 2006. - 7 с.
4. Шестернев Д.М. Роль динамики инженерно-геокриологической обстановки в техногенном подтоплении (на примере объектов Читино-Ингодинской впадины) /Д.М. Шестернев, Д.С. По-
Коротко об авторах____________________________________
Шестернев Д.М., д-р техн. наук, профессор, Читинский государственный университет (ЧитГУ)
1ок@ mail.ain.su
Научные интересы: общая и инженерная геокриология, экология криолитозоны, инженерная и физико-химическая геотехнология криолитозоны
Лапкин Г.И., ведущий инженер, ИПРЭК СО РАН, Читинский государственный университет (ЧитГУ) аег1ар @ meaalink.ru
Научные интересы: геоэкология, криология и эколого -ориентировнные геотехнологии
время положительного баланса воды в ГЗО в р. Ингода с учетом изменения динамики расхода ее воды в летнее время.
Реализация этих и других мероприятий позволит существенно снизить отрицательное воздействие реконструированного гидротехнического комплекса Г30 № 2 на природную среду, оздоровит оз. Кенон. ____________________________________Литература
кровский, В.И. Цыганок // Современные проблемы инженерной геологии территории городов и городских агломераций. - М., 1987. - С. 155-156.
5. Шестернев. Д.М. Геоэкологические проблемы эксплуатации теплоэлектростанций Южной периферии криолитозоны Забайкалья / Д.М. Шестернев., Г.И. Лапкин, С.Б. Татауров, А.Н. Бян-кин // Материалы годичной сессии Научного совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии (24-25 марта 2003 г.) Сергеевские чтения. - Выпуск. 5. Молодежная сессия. - М.: ГЕОС, 2003. - С. 430-434.
6. Целевое видение развития электроэнергетики России на период до 2030 г. (редакционная статья) // Теплоэнергетика, 2007. - № 11. - С. 28.
___________________________Briefly about authosr
Shesternyov D., Dr.Sc. (Engineering), Full Professor, Chita State University (ChSU)
Scientific interests: general and engineering crypedology, ecology of cryolite zone, engineering and physicochemical geotechnology of cryolite zone
Lapkin G., principal engineer, Institute of Natural Resources, Ecology and Cryology, Siberian Branch of Russian Academy of Sciences (INREC SB RAS), Chita state University (ChSU)
Scientific interests: geoecology, cryology and environment-friendly geotechnologies
