CC BY
41
ЭИ-дроблении позволяет уменьшить запасаемую в ГИН энергию практически до уровня, который требуется только для создания канала разряда в дробимой породе.
После установки сборного возвратного диода резко повысилась скорость выделения в нагрузке энергии, запасённой при заряде ёмкостных накопителей ГИТ. Также благодаря диоду до окончания процесса разряда не происходило восстановления индуктивности магнитного ключа и повышения реактивного сопротивления контура ГИТ.
Литература
1. Импульсный пробой и разрушение диэлектриков и горных пород / А. А. Воробьёв и др. Томск: ТГУ, 1971. 227 с.
2. Электроразрядные технологии обработки и разрушения материалов: учеб. пособие / В. И. Курец и др.; Томский политехнический университет. Томск: ТПУ, 2012. 272 с.
3. Cox J. Iron Powder Cores for Switchmode Power Supply Inductors // Micrometal Iron Powder Cores Inc., Anaheim, California, 2002.
4. Development of a 0.6-MV Ultrasonic Magnetic Core Pulsed Transformer for HighPower Applications / L. Pecastaing et al. // IEEE Transactions on Plasma Science. 2018. No. 1. P.156-166.
Сведения об авторе Климов Андрей Александрович
инженер лаборатории электроэнергетики и электротехнологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера — филиала Федерального государственного бюджетного учреждения науки Федерального исследовательского центра «Кольский научный центр Российской академии наук»
Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 47 А эл. почта: klimov@ien.kolasc.net.ru
й01: 10.25702/К8С.2307-5252.2019.5.104-114 УДК 621.311.212(470.1)
О. Е. Коновалова
ГИДРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ РЕСУРСЫ РЕСПУБЛИКИ КОМИ Аннотация
Дана оценка водных ресурсов на территории Республики Коми. Показаны изменения модулей годового стока рек и их среднегодовых объемов, а также минимального зимнего стока. Дана характеристика, раскрыты назначение и использование крупнейших водохранилищ республики. Определены гидроэнергоресурсы крупных и средних рек. Рассмотрены существующие гидротехнические сооружения и некоторые проектные варианты строительства гидроэлектростанций на территории республики. Очерчены перспективы развития малой гидроэнергетики. Ключевые слова:
водные ресурсы, речной сток, гидроэнергоресурсы, гидротехнические сооружения, малая гидроэнергетика.
O. E. Konovalova
THE HYDROPOWER RESOURCES OF THE REPUBLIC OF KOMI
Abstract
The article presents the generalized characteristics of the water resources of the Komi Republic. Changes in the modules of the annual flow of the rivers and their average annual volumes, as well as the minimum winter flow are shown. The characterization, purpose and use of the largest reservoirs of the republic are given. The hydropower resources of the large and medium rivers of the Komi Republic are identified. The existing hydrotechnical structures and some design options for the construction of hydroelectric power stations on the territory of the republic are considered. The prospects for the development of small hydropower are outlined. Keywords:
water resources, river flow, hydropower resources, hydraulic structures, small hydropower.
Республика Коми — одна из северных областей России. Ее территория — 816,8 тыс. км2. Численность населения в 2018 г. составляла 840,87 тыс. чел. [1]. С юго-востока на северо-запад по территории республики распростерся Тиманский кряж, на востоке находятся Уральские горы. Между Уралом и Тиманским кряжем расположена Печорская низменность.
Республика богата гидроэнергетическими ресурсами. На ее территории насчитывается более 58 тыс. рек протяжённостью около 403 тыс. км, большая часть которых — малые реки и ручьи. Гидрографическая сеть относится к бассейнам Белого, Баренцева, Карского и Каспийского морей (рис. 1).
Большие и часть средних рек республики на большем своем протяжении могут быть отнесены к категории равнинных рек. На севере и северо-востоке преобладают тундровые реки, на Урале и Тиманском кряже — горные и полугорные реки. Они чаще всего характеризуются многочисленными порогами, имеют большое падение и текут в узких долинах. Для рек Республики Коми характерно смешанное питание с преобладанием снегового (50-80 %), а также высокое весеннее половодье, летне-осенняя межень, прерываемая дождями, более продолжительными осенью, и низкая зимняя межень. Ледостав начинается в конце октября — середине ноября, заканчивается зимняя межень в конце апреля — начале мая. На севере республики зимняя межень длится дольше.
К большим рекам региона относятся Мезень, Вычегда (правый приток Северной Двины), Печора, Уса, Вымь, Сысола, Луза и другие.
Гидроэнергетические ресурсы Республики Коми распределены по отдельным районам и бассейнам рек крайне неравномерно. Среднемноголетний речной сток составляет 158 км3/год. Распределение годового стока по территории Республики Коми представлено на рис. 1. Наибольшие модули речного стока наблюдаются на востоке республики, в предгорной части Урала, а наименьшие — в юго-западной части.
Рис. 1. Распределение годового стока по бассейнам морей и территории
Республики Коми [2]
Fig. 1. Distribution of annual flow over the basins of the seas and the territory
of the Komi Republic [2]
Средние многолетние модули минимального 30-суточного зимнего стока показаны на рис. 2. Наиболее низкие значения характерны для рек, протекающих в области многолетней мерзлоты (около 13 % территории), а наиболее высокие — для некоторых карстовых рек Тимана и Урала. При этом в маловодные годы значения минимального зимнего стока 75 и 95 %-й обеспеченности еще ниже, а малые реки на севере республики промерзают в зимнюю межень.
Рис. 2. Карта средних многолетних модулей минимального 30-суточного
зимнего стока, л/скм2 [2]
Fig. 2. Map of average long-term modules of minimum thirty-day winter runoff, l / s • km2 [2]
Полный гидроэнергетический потенциал по всем средним и малым рекам Республики Коми составляет 20,3 млрд кВт-ч электроэнергии, а технический приблизительно 6,5 млрд кВт-ч [3].
На территории Республики Коми насчитывается более 94,5 тыс. озер и искусственных водоемов, но почти все они небольшие, с площадью водной поверхности до 0,5 км2.
Крупнейшими водоемами являются Ямозеро площадью 31,1 км2, а также Синдорское и Косминское озёра площадью 28,5 и 12,6 км2 соответственно. Они имеют ледниковое происхождение.
Искусственных водоемов в республике очень мало, в основном это небольшие водохранилища, заполненные карьеры и котлованы. К наиболее крупным искусственным водоемам относятся Печорское водохранилище (водоём-охладитель Печорской ГРЭС) площадью около 5,74 км2, Нювчимское водохранилище на реке Нювчим (рис. 3) и Кажимское водохранилище (рис. 4) на реке Кажим (правый приток реки Сысолы) площадью 1,72 и 1,45 км2 соответственно.
Рис. 3. Общий вид Нювчимского водохранилища и сооружений гидроузла [4] Fig. 3. General panorama of the Nuvchymskiy reservoir and waterworks structures [4]
Рис. 4. Общий вид Кажимского водохранилища [4] Fig. 4. General panorama of the Kazhimsky reservoir [4]
В настоящее время на территории республики расположено 22 гидротехнических сооружения (ГТС), включенных в Российский регистр гидротехнических сооружений, в том числе: 17 ГТС объектов промышленности и энергетики и 5 ГТС водохозяйственного комплекса, из них три гидроузла и две плотины, которые эксплуатируются пятью организациями (табл. 1). Сооружения водохозяйственных комплексов используются в основном для технического и питьевого водоснабжения близлежащих населенных пунктов.
Самые крупные водохранилища — Кажимское и Нювчимское — были созданы в середине XVIII в. при металлургических заводах, но они действуют и сейчас (их полезные объёмы составляют соответственно 20,7 и 6,0 млн м3).
Кажымское водохранилище расположено на юге Республики Коми, в 240 км от г. Сыктывкара, у п. Кажыма Койгородского района. В 1956-1959 гг. сооружения гидроузла претерпели реконструкцию. При этом были возведены
новый водосброс свайно-ряжевой конструкции из дерева и приплотинная ГЭС мощностью 300 кВт. Общая длина плотины составила 1,2 км. В 1997-1998 гг. вновь были проведены работы по ремонту и восстановлению отдельных конструкций водосбросного сооружения, а здание ГЭС законсервировано. С тех пор гидроэлектростанция не работает, а само водохранилище используется для централизованного питьевого водоснабжения, а также для рыбохозяйственных и рекреационных целей. На территории Кажимского водохранилища с 2010 г. функционирует садковое форелевое хозяйство ООО «Кажим». Садковые площади составляют 2570 м2, где выращивается около 200 т форели в год.
Таблица l
Перечень ГГС водохозяйственного комплекса, расположенных на территории Республики Коми [5]
Tablel
List of hydraulic structures of the water management sector located in the territory of the Komi Republic [5]
Комплекс Состав сооружений, Клате Собственник Эксплуатирую-
ГГС входящих в комплекс ГГС ГГС ГГС щая организация
МО ГО «Ухта»
Плотина Защитная плотина IV МО ГО «Ухта» МУП «Ухта-
на р. Лунь-Вож Регулирующая плотина Поверхностный водозабор Насосная станция I подъема водоканал»
МО МР «Сосногорск»
Гидроузел на Плотина IV МО МР ООО «Водоканал
р. Вонью Водосброс «Сосногорск» Нижний Одес»
МО ГО «Воркута»
Гидроузел Бетонная водосливная Ш МО ГО ООО
на р. Усе плотина Донный водосброс Глубинный водозабор Насосная станция I подъема «Воркута» «Водоканал»
МО МР «Сыктывдинский»
Плотина Плотина IV Территориальное ФГБУ
на р. Нювчим Шахтный водосброс Водовыпуск донный управление Федерального агентства по управлению федеральным имуществом в Республике Коми «Управление "Комимелио-водхоз"»
МО МР «Койгородский»
Гидроузел Насыпная неоднородная IV Министерство ООО «Кажым»
на р. Кажым плотина Монолитный железобетонный водосброс имущественных и земельных отношений Республики Коми
В 2014 г. в рамках Соглашения о сотрудничестве в области малой гидроэнергетики между правительством Республики Коми и ЗАО «Норд Гидро» был разработан проект восстановления малой ГЭС мощностью 550 кВт. В результате в 2011-2013 гг. была проведена замена деревянного водосброса на монолитное железобетонное сооружение и осуществлен пуск воды (рис. 5). Новый железобетонный водосброс смещен вправо на 80 м от существовавшего на участок, свободный от застройки. Стоимость строительства составила 169 млн руб. В 2014 г. для регулирования уровней воды в водохранилище и возможностей аварийных водоспусков планировалась установка двух нитей стальных трубопроводов диаметром 1420 мм и длиной 85,5 и 83,7 м. Но это не было сделано из-за отсутствия софинансирования из федерального бюджета. Ввод новой станции в эксплуатацию планировался в 2016 г., но пока строительство не завершено.
Рис.5 Новый водосброс Кажимского гидроузла Fig. 5. New spillway of the Kazhimsky hydroelectric complex
Нювчимское водохранилище расположено в южной части Республики Коми, на реке Нювчим, у п. Нювчима Сыктывдинского района. Оно было создано для нужд чугунолитейного завода. Капитальная реконструкция с возведением ГЭС мощностью 120 кВт была проведена в 1928-1930 гг. В 1977 г. водосброс паводковыми расходами был разрушен, а вода из водохранилища сброшена. В 1998 г. водохранилище было введено в эксплуатацию после реконструкции шахтного водосброса плотины на реке Нювчим с наращиванием отметки порога шахты на 0,7 м. При этом отметка НПУ водохранилища была увеличена до 100,7 м и объем водохранилища составил 2,37 млн м3. Это расширило возможности использования водохранилища в рыбохозяйственных и рекреационных целях. Здание ГЭС не восстанавливалось. Наибольшая длина водохранилища составила 3,4 км, ширина до 0,5 км, глубина до 7 м. Водохранилище является проточным водоемом, в которое впадают реки Нювчим и Дендель, а вытекает река Нювчим. На территории Нювчимского водоема с 2006 г. расположено холодноводное садковое форелевое хозяйство ООО «Нювчим», где ежегодно выращивается до 80 т форели. Эксплуатацию сооружений гидроузла
осуществляет Сыктывдинское межрайонное управление по эксплуатации мелиоративных систем (СМУЭМС) Комимелиоводхоза.
Гидроузел на реке Усе расположен в 43 км от её устья и предназначен для водоснабжения г. Воркуты (полезный объём 16,0 млн м3). Гидротехнические сооружения введены в эксплуатацию в декабре 1994 г. Гидроузел на аккумуляцию речного стока не рассчитан, пропуск паводка осуществляется через водосливную плотину и донный водосброс. Общая длина напорного фронта составляет 150 м, из них протяженность водосливного фронта водосливной плотины — 118 м. В состав сооружений входят: бетонная водосливная плотина, донный водосброс, глубинный водозабор, насосная станция I подъема.
Плотина расположена в русле р. Усы и примыкает к левому берегу. Плотина практического профиля без затворов, заканчивается носком, обеспечивающим поверхностный режим сопряжения бьефов. Сопряжение плотины и донного водосброса осуществляется разделительным бычком. Отметка гребня плотины 115,5 м.
Водосброс выполнен из бетона, имеет четыре донных отверстия размером 2,5 х 4,0 м, перекрываемых металлическими плоскими затворами. Отметка порога донных отверстий — 104,0 м. Водосброс разделен на две части бычком.
Насосная станция размещается в правобережном устое водосброса. В насосной станции установлены семь насосов марки 14Д-6м с электродвигателями мощностью 630 кВт (пять рабочих, два резервных). Водозаборные окна расположены в два ряда по два размером 2 х 2,5 м и перекрываются металлическими решетками. При отключении камер вместо решеток устанавливаются плоские металлические затворы. В нормальном состоянии все затворы открыты и забор воды осуществляется всеми окнами. При сработке водохранилища ниже окон второго яруса последние закрываются затворами и забор воды производится только через окна нижнего яруса.
В настоящее время гидротехнические сооружения на р. Усе находятся в удовлетворительном состоянии, а водоводы, подающие воду в г. Воркуту, нуждаются в реконструкции.
Водоем-охладитель Печорской ГРЭС (водохранилище наливного типа) создан искусственно на правом берегу реки Печоры в 1984 г., вблизи г. Печоры. Водоем поглотил два небольших озера и прилегающие заболоченные лесные участки. Площадь водоема составила 574 га. Он вытянут с запада на восток, продольная ось около 5 км, максимальная ширина до 1,5 км. Средняя глубина в пределах 5 м, максимальная глубина составляет около 14 м. Береговая линия водоема практически не изрезана, южный берег укреплен бетонными плитами. Общий объем около 30 млн м3. Водоем-охладитель имеет оборотное водоснабжение. Подпитка необходимого объема производится из реки Печоры и продолжается до 10 месяцев в году. Температура воды на водосбросе и малой акватории охладителя изменяется от 12-15 °С зимой до 30-35 °С летом, а льдом покрывается не более 30 % площади. На территории водохранилища в 19801990- х гг. располагалось крупнейшее в республике рыбоводное предприятие АО «Рыбосадковое хозяйство». В основе рыбоводных технологий лежало использование теплых вод от электростанции и круглогодичное выращивание рыбы. Оно имело пять линий на 575 садков с общей площадью 6912 м2 и плановой мощностью 450 т карпа, 100 т форели и 30 т осетра. Общее количество производимой рыбы в конце 1980-х гг. достигало 300 т. В конце 1990-х гг.
предприятие было закрыто. С 2010 г. там располагается рыбоводное хозяйство ООО «Аквакомплекс», занимающееся товарным выращиванием сибирского осетра, стерляди и радужной форели.
Плотина на реке Лунь-Вож регулирует сток реки Лунь-Вож с целью поддержания уровня воды в водохранилище, откуда производится забор воды для хозяйственно-питьевого водоснабжения трех населенных пунктов: Ярега, Нижний Доманик и Первомайский (МО ГО «Ухта»).
В состав гидротехнических сооружений, входят: защитная плотина, регулирующая плотина, поверхностный водозабор, насосная станция I подъема.
В 2017 г. при поддержке федерального бюджета был проведен капитальный ремонт регулирующей плотины, предназначенной для обеспечения подпора воды. Общая стоимость работ составила 10, 9 млн руб.
Таким образом, существующие на территории Республики Коми гидротехнические сооружения в настоящее время не предназначены для выработки электроэнергии. Хотя в 1920-1930-х гг. на базе существовавших плотин на притоках рек Сысолы и Вычегды было начато строительство ГЭС. В довоенный период на территории республики было создано еще три небольших ГЭС (на реках Нювчим, Чов-Ю и Соп-Ю). После Великой Отечественной войны, в период с 1946 по 1970 гг., в республике действовало 15-20 малых ГЭС, сосредоточенных в основном в административных районах южной части республики [2]. Затем малые ГЭС оказались нерентабельными и были закрыты.
В середине прошлого века Гидроэнергопроектом были определены гидроэнергоресурсы крупных и средних рек Республики Коми и разработаны проекты строительства ряда ГЭС (табл. 2).
Таблица 2
Гидроэнергоресурсы крупных и средних рек Республики Коми (по данным альбома Гидроэнергопроекта, 1951 г.) [6]
Table 2
Hydropower resources of the large and medium-sized rivers of the Komi Republic (according to the Hydropower Project Album, 1951) [6]
Река, пункт Среднегодовой расход, м3/сек Напор, м Мощность ГЭС, тыс. кВт Среднегодовая выработка электроэнергии, млн кВт-ч
установленная зимняя обеспеченная
1. Вычегда, Усть-Кулом 233 39 60 - 2
2. Сторожевск 265 9 20 - 98
3. Зеленец 858 12 72 - 331
4. Карабчильская ГЭС 910 11 75 - 382
5. Вымь, Гучерт 240 10 20 3 100
6. Серегово 310 12 35 5 155
7. Илыч, Усть-Илыч 130 25 40 5 190
8. Печора, Петрушино 640 45 90 12,5 354
9. Ижма, Кедва 208 25 50 30 330
10. Большое Галово 275 22 60 37 360
11. Уса, Елец 93 17 15 - 70
12. Адак 835 40 400 - 1900
13. Макариха 1060 7 70 - 315
Строительство крупных ГЭС на реках Вычегде и Печоре, данные по которым приведены в табл. 2 (пункты 1 и 8), позволило бы кроме выработки электроэнергии улучшить условия лесосплава и судоходства по Печоре, Вычегде и Каме, а дополнительное строительство ГЭС на Каме по разработкам Гидропроекта позволило бы осуществить переброску части стока Печоры и Вычегды в бассейн Каспийского моря, создав при этом огромную воднотранспортную систему.
Создание Адакского гидроузла на реке Усе сделало бы судоходной реку Воркуту от ее устья до Воркутинского угольного месторождения и позволило бы вывозить значительную часть добытого угля водным транспортом. Но при этом могла возникнуть угроза подтопления горных выработок Интинского месторождения угля.
Ни один из предложенных вариантов строительства ГЭС на территории Республики Коми не был осуществлен.
Ученые Коми филиала АН СССР доказали негативное влияние переброски стока на сельское и лесное хозяйство, нефтегазовую промышленность, рыбное хозяйство и климат. Создание Камско-Вычегодско-Печорского водохозяйственного комплекса привело бы к подтоплению сельскохозяйственных угодий, так как реки здесь имеют преимущественно равнинный характер и широкие поймы, занятые лугами. Из-за затоплений был бы нанесен существенный ущерб для нефтегазовой и угольной промышленности. Также было выявлено занижение капитальных затрат на строительство. В результате авторы предложили альтернативный вариант развития энергетики для Республики Коми с использованием тепловых электростанций, работающих на угле Интинского месторождения. Таким образом, огромный гидроэнергетический потенциал региона так и остался невостребованным.
В настоящее время на территории Республики Коми нет ни одной действующей гидроэлектростанции, а энергетический сектор представлен шестью крупными и рядом мелких тепловых электростанций [7]. Гидроэнергетический потенциал республики может быть задействован при использовании малых ГЭС на существующих водохранилищах и особенно микроГЭС в отдаленных населенных пунктах (на туристических базах, фермерских и садоводческих хозяйствах). Уточненный технический потенциал малых рек, входящих в бассейны основных рек области (Вычегды, Сысолы, Выми, Мезени, Вашки) составляет 144 МВт установленной мощности и 730 млн кВт-ч среднегодовой выработки электроэнергии [3]. Малые и микроГЭС в настоящее время могут быть рентабельными за счет упрощения схемы их управления (например, за счет балластной нагрузки) и работы в автоматическом режиме.
По принципу работы микроГЭС можно разделить на два типа: 1) использующие потенциальную энергию водного потока (к ним можно отнести микроГЭС с традиционным оборудованием — русловые, деривационные и, как разновидность последних, рукавные микроГЭС); 2) использующие кинетическую энергию потока (свободнопоточные ГЭС, гирляндные ГЭС, триплексная вертикальная ГЭС Ю. М. Новикова, штанговая плоскопараллельная и плоскоподъемная ГЭС М. И. Логинова, зарубежные гидроагрегаты роторного и капсульного типа).
Современное оборудование для малых и микроГЭС изготавливается компактным, в комплекте с гидрогенератором и системой автоматического регулирования, что позволяет станции работать в автоматическом режиме без дежурного персонала [8].
Выводы
1. Республика Коми богата гидроэнергетическими ресурсами. На ее территории насчитывается более 58 тыс. рек и более 94,5 тыс. озер и искусственных водоемов. Гидроэнергетические ресурсы распределены по отдельным районам и бассейнам рек крайне неравномерно. Среднемноголетний речной сток составляет 158 км3/год. Полный гидроэнергетический потенциал по всем средним и крупным рекам равняется 20,3 млрд кВт-ч электроэнергии, а технический — 6,5 млрд кВт-ч среднегодовой выработки.
2. В настоящее время на территории республики расположено 22 гидротехнических сооружения, ни одно из которых не работает с целью выработки электроэнергии. Использование гидроэнергетического потенциала республики возможно с помощью создания малых ГЭС при водохранилищах и микроГЭС на малых реках и ручьях для нужд туристического бизнеса, частных фермерских хозяйств и других потребителей.
Литература
1. Оценка численности населения по городским округам, муниципальным районам, поселениям и городским населенным пунктам Республики Коми // Территориальный орган Федеральной службы государственной статистики по Республике Коми: официальный сайт. URL: http://komi.gks.ru/wps/wcm/connect/ rosstat_ts/komi/ru/statistics/population/ (дата обращения: 14.06.2018).
2. Коковкин А. В., Братцев А. А. Водные ресурсы Республики Коми: их использование в прошлом, настоящем и будущем // Известия Коми научного центра УрО РАН. 2016. № 3 (27). С. 35-41.
3. Колобов Ю. И., Чайка Л. В. Малая энергетика в системе энергоснабжения Республики Коми. Сыктывкар: Коми научный центр УрО РАН, 2000. 140 с.
4. Государственный доклад «О состоянии окружающей среды Республики Коми в 2001 году» / Министерство природных ресурсов и охраны окружающей среды Республики Коми; ГБУ РК «ТФИ РК». Сыктывкар, 2002. 165 с.
5. Государственный доклад «О состоянии окружающей среды Республики Коми в 2017 году» / Министерство природных ресурсов и охраны окружающей среды Республики Коми; ГБУ РК «ТФИ РК». Сыктывкар, 2018. 176 с.
6. Производительные силы Коми АССР. М.: АН СССР, 1955. Т. II.
7. Коновалова О. Е. Энергообеспечение Республики Коми и роль возобновляемой энергетики в энергетике региона // Труды Кольского научного центра РАН. Энергетика. 2018. № 8 (9). С. 68-78.
8. Коновалова О. Е., Иванова Е. А. Возможности использования микроГЭС на Кольском полуострове // Труды Кольского научного центра РАН. Энергетика. 2013. № 4 (17). С. 132-138.
Сведения об авторе
Коновалова Ольга Евгеньевна
младший научный сотрудник лаборатории энергосбережения и возобновляемых источников энергии Центра физико-технических проблем энергетики Севера — филиала Федерального государственного бюджетного учреждения науки Федерального исследовательского центра «Кольский научный центр Российской академии наук» Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21 А эл. почта: konovalova@ien.kolasc.net.ru
