Гидроэнергетический потенциал стока рек Южного Урала Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УДК 621.311.212(470.55)

ГИДРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ПОТЕНЦИАЛ СТОКА РЕК ЮЖНОГО УРАЛА

Л.А. САПЛИН, доктор технических наук, профессор

О.С. ПТАШКИНА-ГИРИНА, кандидат технических наук, доцент

Челябинская ГАА Е-таП:д1ппа2002@таП.ги

Резюме. По результатам исследования и стохастического моделирования стоковых характеристик рек Южного Урала в пределах Челябинской области оценен их валовый и технический гидропотенциал, который составляет 2,6 млрд кВт-ч и 0,94 млрд кВт-ч соответственно. Составлена карта-схема гидроэнергетического районирования, которая позволяет определить гидроэнергетический потенциал в любом створе рек, не охваченных гидрологическими наблюдениями. Ключевые слова: валовый и технический потенциалы, насыщенность энергоресурсами, гидроэнергетическое районирование, возобновляемые источники энергии.

Одно из важнейших направлений совершенствования топливно-энергетического комплекса страны -использование возобновляемых источников энергии, к которым относятся гидроэнергетические ресурсы малых рек. Однако если потенциал крупных и средних рек изучен достаточно широко, то про малые реки этого нельзя сказать. Такая ситуация сдерживает развитие малой гидроэнергетики в России в целом и в Уральском регионе, в частности.

Территория Челябинской области - водораздел Европейской части России и Западной Сибири, район, где реки в основном начинают своё течение. Поэтому их сеть развита недостаточно и представлена рядом притоков бассейнов Камы, Тобола и Урала, 98 % которых относятся к малым рекам с мощностью менее 2 тыс. кВт. Тем не менее, на таких водоемах можно возводить малые гидроэнергетические установки [1].

Первые уральские гидроустановки появились в самом начале XVIII столетия, их интенсивное строительство для нужд промышленности продолжалось до конца XIX века, вплоть до массового распространения тепловых двигателей. Но сельскохозяйственные потребители использовали гидроустановки до середины ХХ века, когда в 1954 г. отменили ограничения по электрификации сельскохозяйственных районов и их подключению к государственным электросистемам.

В 40-х гг. ХХ века была разработана схема использования гидроэнергетического потенциала Урала, где отмечалась перспективность освоения стока горнолесной зоны Южного Урала [2].

Цель наших исследований - оценка валового и технического гидроэнергетического потенциала стока рек Южного Урала в пределах Челябинской области в зависимости от природно-климатических районов, а также разработка некоторых технических решений использования гидравлической энергии.

Условия, материалы и методы. При проведении исследований основным материалом служили наблюдения Гидрометеослужбы на реперных гидрологических постах Челябинской области. В случае отсутствия объективной информации о стоке в некоторых районах привлекали материалы экспедиционных наблюдений. Основной метод обработки материала и прогнозирования гидроэнергетического потенциала

- стохастическое моделирование выборочных рядов гидрологических наблюдений с учетом внутрирядной корреляции и выделение однородных выборок.

Определение потенциальных ресурсов крупных и средних рек, имеющих по своей длине несколько створов для наблюдения за режимом стока, проводили отдельно для каждой реки методом «линейного учета». При этом реку делили на ряд участков, для каждого из которых определяли ее мощность. Границы расчетных участков устанавливали в точках перелома профиля или в местах резкого нарастания приточности реки, то есть у устья притока. За начальный створ при составлении продольного профиля реки принимали исток.

Результаты и обсуждение. В Челябинской области насчитывается только семь рек, которые можно отнести к средним с потенциальной энергией каждой от 15 до 1000 млн кВт-ч. Поэтому их насыщенность энергоресурсами мало влияет на общую картину региона в плане энергетического потенциала стока рек, который составляет 2,5 млрд кВтч (0,1 % от общероссийского).

Для малых рек общепринятая методика не подходит, так как для них практически нет эмпирического материала из-за отсутствия наблюдений на гидроме-теопостах.

Мы разработали методику, основанную на статистическом анализе стоковых характеристик, которая позволяет выделить однородные в статистическом отношении районы и объединить отдельные выборки наблюдений на малых реках в одну анализируемую совокупность. Дифференциация региона по однородным параметрам распределения характеристик гидроэнергетического режима (норма, коэффициенты вариации и асимметрии) позволила выделить на терри-

Рисунок. Карта-схема гидроэнергетического районирования Челябинской области.

тории Челябинской области 7 однородных районов (см. рисунок) [3, 4], при этом шестой район разделили на два подрайона, так как в горной местности на стоковые характеристики влияет высотная зональность.

В каждом однородном гидроэнергетическом районе выделен речной бассейн со средними морфометрическими характеристиками (уклон, площадь, длина), стоковые характеристики которого определены по координатам сглаженной типовой районной кривой распределения среднегодовых модулей стока.

Оценка валового потенциала малых рек в зависимости от зон формирования стока (гидроэнергетического района), при подсчете площадей которых учитывали бессточные замкнутые водосборы, встречающиеся на восточных и юго-восточных равнинах области, показала, что гидроэнергетические ресурсы из-за разнообразия природных условий распределены по территории области весьма неравномерно. Наиболее перспективны для развития гидроэнергетики шестой и седьмой районы, которые относятся к горно-лесной зоне. Их удельная насыщенность энергоресурсами составляет от 107 до 260 тыс. кВт-ч/км2, что превышает величину этого показателя в первом степном районе в сотни раз (табл. 1). Предложенная методика позво-

Таблица 1. Потенциальные гидроэнергетические ресурсы малых рек Челябинской области (50 %-ной обеспеченности) в зависимости от гидроэнергетического района

Гидро- энергети- ческий район Пло- щадь, тыс. км2 Мощность, тыс. кВт Выра- ботка, млрд кВт-ч Насыщен- ность, тыс. кВт-ч/км2

1 23,8 4,5 0,04 1,7

2 1,58 7,4 0,06 41,1

3 36,0 25,9 0,23 6,3

4 4,97 3,7 0,03 6,5

5 6,26 40,8 0,36 57,0

6а 11,1 151,0 1,32 119

6б 0,46 13,4 0,12 261

7 3,74 45,6 0,40 107

ляет выявить наиболее привлекательные для развития малой гидроэнергетики территории и определить энергетические характеристики любой неизученной малой реки, зная площадь ее водосбора.

Валовой энергетический потенциал стока рек позволяет только качественно оценить энергетическую перспективу водотока. Для расчета возможной установленной мощности малой ГЭС необходимо определить технический потенциал, то есть ту часть валового потенциала, который можно использовать технически. Малые реки из-за незначительной величины стока либо перемерзают в зимний период, либо пересыхают летом, поэтому, как показали результаты исследований, в первом-четвертом гидроэнергетических районах можно использовать 17 % их валовой энергии, а в пятом-седьмом - 40 %.

Сравнение валового и технического потенциалов малых рек Челябинской области с другими регионами, сведения о которых взяты из литературных источников [5], показало более высокую насыщенность территории области гидравлической энергией (табл. 2). На наш взгляд, такое положение связано с наличием малых горных рек с большими уклонами на западе и северо-западе ее территории и естественной зарегулиро-ванностью стока карстом. Этим же можно объяснить больший средний процент использования (36 %), тогда как в других регионах он не превышает 17 %.

Гидравлическую энергию стока рек нельзя использовать непосредственно для получения электрической

Таблица 2. Потенциальные гидроэнергетические ресурсы малых рек

Регион Пло- щадь, тыс. км2 Мощ- ность, млн кВт Насы- щен- ность, тыс. кВтч/ км2 Гидроэнергетический потенциал, млрд кВт ч

вало- вой техни- ческий

Россия 17075,4 44,5 23 389,9 66,3

Уральский 2115,7 3,04 12 26,6 4,52

Челябин-

ская обл. 87,9 0,26 29 2,6 0,94

энергии, так как в природе крайне редко имеются сосредоточенные расходы и напоры. Поэтому для энергетиков представляют интерес различные гидротехнические сооружения неэнергетического назначения (водосбросы напорных гидроузлов, перепады каналов, тракты переброски стока и др.), которые можно использовать путем пристройки малых ГЭС. Их потенциал в Челябинской области составляет около 200 млн кВтч в год [6], или около 8 % валового потенциала гидроэнергоресурсов территории.

Одним из примеров использования гидроэнергетических ресурсов может стать трасса переброски стока из р. Уфа в бассейн р. Миасс для водоснабжения Челябинского промрайона. В ее системе созданы четыре напорных гидроузла: Долгобродский, Кыштымский, Аргазинский и Шершневский (Долгобродское и Арга-зинское - водохранилища многолетнего регулирования, Кыштымское и Шершневское - водоподъемные водохранилища). Установленная мощность насосной станции, подающей воду (4,12 м3/с) из Долгобродского водохранилища в канал трассы, составляет 2,7 МВт, что делает проект очень энергоемким и потребует в год около 20,5 млн кВтч электроэнергии. В современных ценах это больше 80 млн руб.

Кроме того, непрерывный рост стоимости электроэнергии ставит под сомнение целесообразность переброски стока в постоянном режиме (круглогодично), как предусматривалось проектом, а использование системы только в маловодные годы приведет к неоправданным затратам на содержание неработающих сооружений и их разрушению.

Наши расчеты показали, что суммарная установленная мощность всех четырех гидроузлов системы переброски может составить около 3 МВт [6], чего вполне достаточно для компенсации энергетических затрат. Проблема состоит в том, что гидроузлы расположены на значительном расстоянии от насосной станции и один от другого. Это затрудняет непосредственно подачу электроэнергии на насосную станцию. Для решения такой задачи на предлагаемых малых ГЭС нужно установить современные системы регулирования режима работы агрегатов, обеспечивающие возможность получения качественной электроэнергии для подключения к системам электроснабжения. Это позволит компенсировать затраты электроэнергии потребляемой насосной станцией. После вступления в силу поправок к закону об электроэнергетике малая возобновляемая энергетика становится полноправным участником рынка, и ее использование становится вполне реальным.

Выводы. В результате анализа пространственной и временной вариации характеристик стока, входящих в подсчет энергетического потенциала, составлена карта-схема удельной насыщенности, которая позволяет определить гидропотенциал любого створа реки не имеющего стационарных наблюдений. Средний многолетний теоретический гидроэнергетический потенциал малых

рек Челябинской области составляет 2,6 млрд кВтч, а тех- гидроэнергоресурсов территории. Предложенная схема

нически возможный к использованию- 0,94 млрд кВтч. использования гидроэнергетического потенциала трассы

Энергетический потенциал напорных гидроузлов и других переброски стока рек в системе водоснабжения про-

гидротехнических сооружений, имеющих сосредоточен- мрайона г. Челябинска позволит компенсировать затраты

ные напоры и расходы равен 8 % от валового потенциала необходимые для ее эксплуатации.

Литература.

1. Энергетические ресурсы СССР. Гидроэнергетические ресурсы. /Под ред. Вознесенского А.Н. - М.: Наука, 1967. — 599 с.

2. Лаврищев А.Н. Экономика Урала и строительство малых и средних ГЭС. - М.: Госпланиздат, 1945. - 112 с.

3. Саплин Л.А. Энергоснабжение сельскохозяйственных потребителей с использованием возобновляемых источников: Автореф. дисс.докт.техн. наук. - Челябинск, 1999.

4. Саплин Л.А., Шерьязов С.К., Пташкина-Гирина О.С., Ильин Ю.П. Энергоснабжение сельскохозяйственных потребителей с использованием возобновляемых источников: Учебное пособие /Под общ. ред. д-ра техн.наук, проф. Саплина Л.А. - Челябинск: ЧГАУ, 2000. - 194 с.: ил.

5. Малая гидроэнергетика /Под ред. Л.П.Михайлова. - М.: Энергоиздат, 1989.- 180 с.

6. Пташкина-Гирина О.С., Гусева О.А. Гидроэнергетический потенциал напорных гидроузлов Челябинской области //Достижения науки и техники АПК. - 2011. - №8. - С. 66-68

THE HYDROPOWER POTENTIAL OF THE SOUTH URAL RIVERS RUNOFF L.A. Saplin, O.S. Ptashkina-Girina

Summary. According to the results of research and stochastic modeling of runoff characteristics of the South Ural rivers within Chelyabinsk area, their gross and technical hydropotentials, which are 2, 6 billion kWh and 0, 94 billion kWh respectively, are estimated. A map - scheme of hydropower zoning, which allows to define the hydropower potential in any rivers alignment which are not covered by hydrological observations is made up.

Key words: gross and technical potentials, saturation by energy resources, hydropower zoning, renewable energy sources.

УДК 622.765.46

ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ЭЛЕКТРОФЛОТАЦИИ СТОЧНЫХ ВОД

Л.А. САПЛИН, доктор технических наук, профессор

В.В. СТАРШИХ, кандидат физико-математических наук, доцент

Челябинская ГАА E-mail: [email protected]

Резюме. Приведены результаты экспериментальных исследований процесса электрофлотации, показано влияние его длительности и температуры на эффективность очистки сточных вод Троицкого жирового комбината.

Ключевые слова: электрофлотация, длительность процесса электрофлотации, температура.

Флотация - это процесс, основанный на слиянии отдельных частиц примесей под действием молекулярных сил с пузырьками тонкодиспергированного в воде воздуха и всплывании образующихся при этом агрегатов [1].

Обработку воды флотацией рекомендуется применять при ее мутности до 150 мг/л и цветности до 200 град.

Различают три вида флотации: пенная (безнапорная), напорная и электрофлотация.

Электрофлотацией называют процесс выделения из жидкости взвешенных частиц путем их флотации газовыми пузырьками, получаемыми при электролизе воды. Его преимущество заключается в том, что обеспечивается генерация газовых пузырьков весьма тонкой дисперсности (от 10 до 200 мкм), причем доля малых пузырьков от 25 до 40 мкс превышает 50 % от их общего содержания [2]. Поверхность пузырьков

малого размера обладает значительной свободной энергией и создает более благоприятный гидродинамический режим в зоне флотации, что увеличивает эффект очистки.

Кроме того, при электрофлотации можно в широком диапазоне изменять дисперсность и гранулометрический состав пузырьков, что имеет большое значение в достижении оптимальных условий для извлечения жировых частиц. Наличие солей в сточной воде обеспечивает ее необходимую электропроводность и делает процесс экономически целесообразным.

Исследования, выполненные с целью выяснения возможности применения электрофлотации для обезжиривания сточных вод [2...6], показали, что на эффективность этого процесса влияют продолжительность обработки, температура сточной жидкости и некоторые другие факторы. Причем оптимальная продолжительность обработки и температура жидкости зависят от конкретного состава сточных вод.

Цель наших исследований - изучение эффективности обезжиривания сточных вод Троицкого жирового комбината с помощью процесса электрофлотации.

Условия, материалы и методы. Исследования проводили на лабораторной установке из оргстекла. Она представляет собой резервуар размером 15,3x13,5x55 см, с рабочим объемом 3 л и горизонтально расположенными пластинчатыми электродами. Анод изготовлен из графита, катод из металлической нержавеющей сетки размером 100x100 мм с размером ячейки 2x2 мм. При проведении экспериментов ис------------------------------------------- 69