CC BY
111
интеллектуальной автоматизации этапов жизненного цикла авиационных двигателей: - Запорожье: ОАО “Мотор Сич”, 2009. - 468 с.
11. Hemanshu R. Pota, Germane Xavier Athanasius, Li Li, Valery Ugrinovskii. Output Feedback Control Design for Interconnected Power Systems with OLTCs via Robust Decentralized Control / School of Information Technology and Electrical Engineering,
The University of New South Wales at Australian Defence Force Academy, Canberra, ACT 2006, Australia. Р. 1-19.
12. Винокур В. М., Кавалеров Б. В., Петроченков А. Б. Программный комплекс для математического моделирования автономных мини-электростанций // Электричество. - 2007. №
3. С. 2 - 7.
13. Оре О. Теория графов. М.: Наука, 1980. - 336 с.
УДК 556.1.18
А. Ф. Константинов
ПЕРСПЕКТИВЫ МАЛОГО ГИДРОЭНЕРГОСТРОИТЕЛЬСТВА В БАССЕЙНЕ Р. ЯНЫ
Проведены уточненные расчеты водных и гидроэнергетических ресурсов бассейна р. Яны и намечены предварительные пути их использования с помощью малых ГЭС. Расчеты показали, что за счет этих станций можно ежегодно сэкономить до 25 тыс. т жидкого топлива, что значительно облегчит проблему северного завоза топлива в этот регион.
Ключевые слова: малые реки, модуль стока, малая ГЭС, себестоимость электроэнергии, потенциальная мощность и энергия, технические ресурсы, установленная мощность, экономия топлива.
A. F. Konstantinov
Prospects of small hydropower construction work in the basin of the Yana River
There have been conducted corrected calculations of water and there are planned hydropower resources of the basin of the Yana River and preliminary ways of their use with the help of small hydropower stations.
Calculations have shown that at the expense of these stations it is possible to save annually 25 thousand tons of liquid fuel, that will simplify problem of the North import considerable quantity of the fuel in this region.
Key words: small rivers, the modul of a drain, Small Hydropower Station, cost value of electricity, fuel economy, potential capacity and energy, technical resources, adjusting capacity, fuel economy.
Бассейн р. Яны имеет весьма развитую речную сеть, где на площади 227,5 тыс. км2 протекает более 37 тыс. рек и речек, отличающихся высокими энергетическими возможностями благодаря наличию ряда высокогорных систем с абсолютными отметками до 1500-1700 м над уровнем моря.
В связи со сложным строением бассейн р. Яны разделен на три крупных физико-географических района, по которым был подсчитан гидроэнергетический потенциал малых рек. Первый район включает бассейн р. Адычи с притоками Борулах, Туостах, Нелгесе, Чаркы и Дербеке общей площадью 89,8 тыс км2; второй охватывает бассейны Дулгалаха и Сартанга площадью 45,1 тыс. км2 и третий бассейн Яны с притоками Бытан-тай и Олдьо площадью 92,6 тыс. км2.
КОНСТАНТИНОВ Агит Федотович - к. г. н., доцент кафедры электроснабжение ФТИ СВФУ им. М. К. Аммосова. E-mail: pau 777@mail.ru
Река Яна в среднем выносит в Северный Ледовитый океан около 31 км3 воды ежегодно; расчетный среднемноголетний расход реки в устье составляет 982,5 м3/с при среднем модуле стока 4,3 л/с^км2 [1]. Средняя густота речной сети в бассейне - 0,6 км на каждый км2 площади.
Сложность рельефа региона сказывается и на водности отдельных рек: в горных местностях модуль стока доходит до 8-9 л/с^км2 (верховья Дулгалаха, Чаркы, Куйги и др.), а в ряде рек Верхоянской впадины модули падают до 1 л/с^км2 и менее.
Внутригодовое распределение речного стока в бассейне, как и у всех рек Севера, крайне неравномерно: наибольший объем годового стока проходит в период с июня по август, а за весь длительный зимний период (ноябрь-апрель) - менее 1%. Это обстоятельство серьезно затрудняет работу небольших гидроузлов. Неравномерность речного стока видна даже на самой р. Яне, где максимальный наблюдаемый рас-
Рис. 1. Распределение модулей среднего стока рек и предварительная схема размещения МГЭС на территории Верхоянского улуса (бассейн р. Адычы)
~ \ изолинии модулей среднего стока рек, л/с км2 * ■ створ МГЭС и его порядковый номер
ход доходит до 13000 м3/с (п. Джанг-кы - площадь водосбора 216 тыс. км2), а зимой река в этом месте зачастую полностью перемерзает и стока не имеет. Следует отметить, что явление перемерзания стока наблюдается повсеместно на большинстве рек бассейна. Данное явление затрудняет организацию водоснабжения объектов производства и населенных пунктов.
Характер распределения изолиний модуля речного стока по выделенным бассейнам показан на рис. 1, 2 и 3 (по данным карты среднего стока Якутского Управления Госкомгидромета) [1].
Из огромного количества водотоков было выделено 313 рек, подпадающих под градацию «малых», согласно методике, принятой для рек Севера [2], которые были охвачены подсчетом потенциальной и технически возможной их мощности и энергии.
Методика подсчета была изложена в опубликованных работах [2, 3].
Согласно этим расчетам, общий гидроэнергопотенциал малых
рек бассейна Яны выразился в 2,2 млн КВт и почти 20 млрд КВт^ч энергии в средний по водности год; технический потенциал этих рек оценивается в 0,7 млн КВт и 6,1 млрд КВт^ч средневодной энергии (табл. 1).
Одним из важных показателей энергетических возможностей рек является величина удельной мощности малых водотоков. Результаты расчетов показывают, что наибольшие их показатели наблюдаются в бассейне р. Адычи. Так, на р. Няньдельга (длина 87 км) удельная мощность составила 448,1 КВт/км; на р. Солония (длина 80 км) - 380,8 КВт/км и т. д. Средняя энергетическая плотность бассейна р. Яны составляет 9,82 КВт/км2.
Возможности использования гидроэнергии Янского бассейна интересовали гидроэнергетиков России давно. Наибольшее значение для энергоснабжения олово- и золотодобывающей промышленности и ряда населенных пунктов огромного региона имело бы строительство Нижне-Адычанской ГЭС мощностью 500 МВт. К сожалению, начатое строительство этой станции было остановлено в начале 90-х гг. прошлого века движением сторонников охраны природы. Однако данный вопрос
еще не потерял своей актуальности и на сегодняшний день.
В настоящее время энергоснабжение небольших потребителей на Севере Якутии осуществляется, главным образом, за счет дизельных электростанций (ДЭС), требующих бесперебойного завоза жидкого топлива. Из-за значительного износа оборудования этих станций, а также исключительно сложной транспортной схемы доставки топлива потребители испытывают частые перебои с электроснабжением. В связи с этим для надежности решения задачи необходим дополнительный бестопливный источник энергии. Одним из таких источников являются малые ГЭС, отличающиеся высокой надежностью, коротким сроком строительства
Рис. 2. Распределение модулей среднего стока рек и предварительная схема размещения МГЭС на территории Верхоянского улуса (бассейны р.р. Дулгалах и Сартанга)
- ~ — изолинии модулей среднего стока рек, л/с-км2
тУ'
створ МГЭС н его порядковый номер
и минимальным воздействием на окружающую среду. Сегодня к малым ГЭС в России относятся станции, гидрогенераторы которых имеют мощность от 100 до 30000 КВт при диаметре гидроагрегата не более 3 м [4].
Существенным недостатком малых ГЭС в условиях Крайнего Севера является короткий срок функционирования в течение года, однако за этот период они экономят до 30% использования жидкого топлива. Опыт эксплуатации таких станций на северо-западе России и в Канаде показывает на достаточно заметную их экономическую эффективность.
Как указывалось в работе [5], расчетная формула мощности МГЭС с учетом КПД агрегатов пред-
ставляется как:
Р = ™ Qср• НГЭС КВт.
При этом за Qср принимался средне -сезонный расход воды в выбранном створе станции, рассчитанный по данным карты нормы стока [1]. Фрагменты этой карты схематично приводятся на рис. 1, 2 и 3 для Верхоянского и Эвено-Бытантайс-кого улусов, по которым можно судить о характере распределения нормы стока рек. Напор НГЭС устанавливался на основе анализа топографических характеристик створа МГЭС, но ограничивался величиной 10-15 м за некоторыми исключениями.
Выработка электроэнергии на МГЭС задавалась в соответствии с числом часов использования установленной мощности станции в пределах 2-3 тыс. часов в год в зависимости от водности конкретного водотока.
На основе анализа гидроэнергетических и топографических условий на территории Верхоянского и Эвено-Бытантайского улусов были намечены возможные створы МГЭС, привязанных к населенным пунктам региона.
Верхоянский улус расположен в пределах таких крупных бассейнов рек, как Адыча, Дулгалах и Сартанг и обладает хорошими гидроэнергетическими возмож-
ностями.
Согласно гидрологическому районированию [1], бассейн Яны относится к IV району, для которого границы сезонов приняты как: весна-лето (май-август), осень (сентябрь-октябрь) и зима (ноябрь-апрель), поэтому для малых рек период открытого русла следует ожидать порядка 4-4,5 месяцев с учетом весенне-осенних ле-дообразований.
Из рассмотренных многочисленных населенных пунктов территории только на 9-и из них можно организовать энергоснабжение за счет малых ГЭС. Причем, по двум поселкам - Сентачан и Лазо - имеются разработки Института «Гидропроект» им. С. Я. Жука на рр. Адыча, Ирюнджа и Няньдельга, где можно установить станции мощностью 20000, 2100 и 2500 КВт соответственно (табл. 1).
Рис. 3. Распределение модулей среднего стока рек и предварительная схема размещения МГЭС на территории Эвено-Бытантайского улуса
— изолинии модулей среднего стока рек, л/с км2
-Г створ МГЭС и его порядковый номер
Вблизи г. Верхоянска можно соорудить МГЭС на р. Мангы (приток Сартанга) мощностью 900-1000 КВт при напоре воды до 20 м с выработкой электроэнергии 2,2-3,0 млн КВт^ч за сезон. Створ станции расположен в 11 км от устья этой реки и находится на расстоянии 15-17 км от города.
Возможные створы малых ГЭС у сс. Барылас, Юнкюр, Томтор (бассейн Борулаха), Бала, Томтор (бассейн Дулгалаха) и Мачаах расположены на расстоянии от 4-х (Бала) до 30 км (Томтор на р. Олдьо) от населенных пунктов, на которых можно соорудить малые ГЭС от 310 до 1200 КВт при напорах воды до 20 м. Большинство створов позволяет повысить напор воды, поэтому при необходимости можно увеличить установленную мощность станций, если позволяет водность реки. Достаточно широкие долины на этих реках приводят к довольно длинным плотинам - от 700 до 2000 м. Размещение возможных створов МГЭС на территории Верхоянского улуса иллюстрируется на рис. 1 и 2. Следует отметить, что нумерация створов на этих рисунках соответствуют порядковым номерам, приведенным в табл. 2.
Помимо указанных створов МГЭС имеются условия для сооружения станций еще у с. Бетенкес на р. Силиилээх (бассейн Адычи) и у с. Суордаах на р. Екюччи (бассейн р. Дулгалах), по которым подробных исследований ещё не проводилось.
Таким образом, на территории Верхоянского улуса можно установить около десятка МГЭС, на которых возможно выработать более 50 млн КВт^ч электроэнергии за теплый сезон года.
Эвено-Бытантайский улус, в основном, размещается в бассейне р. Бытантай, являющейся левым крупным притоком Яны. Река Бытантай имеет площадь водосбора 40,2 тыс км2 со средним модулем стока 3,48 л/с^км2; расход воды в устье в среднем составляет 140,2 м3/с, а потенциальная ее мощность - более 400 тыс КВт.
Из четырех населенных пунктов улуса условия для сооружения МГЭС имеются только на трех. Административный центр района с. Бата-гай-Алыта имеет возможность энергоснабжения за счет МГЭС на р. Аччы-гый Саккырыр, протяженностью 123 км и площадью водосбора 1840 км2. Средний расход воды в створе станции оценивается в 17,1 м3/с за сезон, за счет чего при напоре до 20 м мощность ее составит порядка 2700 КВт и выработка -до 8 млн КВт^ч энергии за сезон (рис. 3).
Для энергоснабжения с. Дьаргалаах обнаружен створ на р. Кибэччик (левый приток Бытантая) со среднесезонным расходом воды 3,8 м3/с, где можно получить мощность около 600 КВт и 1,5 млн КВт^ч электроэнергии (рис. 3).
У с. Кустуур на р. Мандыйа также возможно построить станцию мощностью порядка 800 КВт (табл. 3).
Таблица 1
Гидроэнергетический потенциал малых рек бассейна Яны
Райо- ны Площадь водосбора, тыс. км2 Потенциальная Техническая
мощность, тыс КВт энергия, млрд КВтч в год мощность, тыс КВт энергия, млрд КВтч в год
I 89,98 1016,7 8,91 334,2 2,97
II 45,10 427,2 4,13 137,8 1,22
III 92,60 791,2 6,92 222,8 1,95
Всего 227,5 2235,1 19,96 694,8 6,09
Таблица 2
Малые ГЭС на территории Верхоянского улуса
№№ п/п Населенный пункт Река(бассейн) Средне-сезонный расход воды, м3/с Установл. мощность, КВт Выработка эл.энергии, млн КВтч/ сезон
1 Сентачан Ирюнджа (Адыча) - 2100 3,7
2 Сентачан Няньдельга (Адыча) - 3500 8,6
3 Лазо Адыча (Яна) - 20000 30,0
4 Верхоянск Мангы (Сартанг) 5,63 900 2,2
5 Барылас Улахан-Чайдаах (Сартанг) 4,18 670 1,5
6 Юнкюр Хоттуун (Сартанг) 2,77 450 0,9
7 Томтор Орто-Салаа (Борулах) 1,94 310 0,6
8 Бала Силээннээх (Сартанг) 3,35 540 1,2
9 Томтор Олдьо (Дулгалах) 4,0 640 1,6
10 Мачаах Ааллаах (Дулгалах) 7,3 1200 3,0
ИТОГО - - 29310 53,3
Таблица 3
Малые ГЭС на территории Эвено-Бытантайского улуса
№№ п/п Населенный пункт Река(бассейн) Средне-сезонный расход воды, м3/с Установл. мощность, КВт Выработка эл.энергии, млн КВтч/ сезон
1 Батагай-Алыта Аччыгый-Саккырыр (Бытантай) 17,1 2700 6,5
2 Дьаргалаах Кибэччик (Бытантай) 3,8 600 1,5
3 Кустуур Мандыйа (Бытантай) 4,0 800 1,6
ИТОГО - - 4100 9,6
Как видно из табл. 3, на территории Эвено-Бытантайского улуса можно построить три МГЭС общей мощностью до 4 тыс. КВт со среднесезонной выработкой порядка 10 млн КВт^ч энергии.
Таким образом, использование малых рек бассейна Яны с помощью небольших гидроэнергетических установок, расположенных вблизи ряда населенных пунктов, может сэкономить завоз дорогостоящего дальнепривозного жидкого топлива для многочисленных ДЭС в количестве до 25 тыс. т ежегодно. Кроме того, эксплуатация малых ГЭС в летнее время даст возможность проводить регулярные ремонтные и профилактические работы на ДЭС, что послужит более надежному и бесперебойному энергоснабжению потребителей в течение всего года.
Еще более благоприятными условиями энергоснабжения на Севере следует считать комплексное использование возобновляемых источников энергии с помощью малых ГЭС, ветроустановок и ДЭС. При совместной работе этих энергоисточников неизменно возникают периоды с избыточной энергией, которую с успехом можно использовать, например, для выработки водорода из воды и накоплением его в искусственных хранилищах. Водород широко используется в мире в качестве топлива в двигателях внутреннего сгорания, как в чистом виде, так и в виде добавки. При таком
комплексном использовании возобновляемой энергии расходы на завоз топлива резко сократятся.
С другой стороны, строительство альтернативных источников энергии также потребует немалых затрат, поэтому для решения этого вопроса потребуются тщательные оптимизационные технико-экономические расчеты. Как показывает мировой опыт, развитие нетрадиционной энергетики зависит от финансового участия энергетических структур, частного капитала и государственной поддержки.
Л и т е р а т у р а
1. Ресурсы поверхностных вод СССР // Лено-Индигирский район. Т. 17. - Л.: Гидрометеоиздат, 1972. - 651 с.
2. Константинов А. Ф. Проблемы водохозяйственного освоения Южной Якутии. - Якутск: Изд-во ЯФ СО АН СССР, 1986. - 136 с.
3. Константинов А. Ф. Нетрадиционные энергоисточники Якутии. - Якутск: Изд-во ЯНЦ СО РАН, 2006. - 212 с.
4. Фельдман Б. Н. Современное состояние и перспективы развития малой гидроэнергетики в России // Г идроэнергетичес-кое строительство. - 2000. № 8, 9. - С. 53-55.
5. Константинов А. Ф. Гидроэнергетические ресурсы Северо-Западной Якутии и некоторые пути их использования // Вестник Якутского государственного университета им. М. К. Аммосова - 2010. Т. 7. - С. 84-88.
