CC BY
37
УДК 620.98
ВОЗМОЖНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ГИДРОАККУМУЛИРУЮЩИХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ НА ТЕРРИТОРИИ ВОЛГОГРАДСКОЙ ОБЛАСТИ
© 2015 г. Н.М. Веселова
Целью работы является рассмотрение во зможности использования гидроаккумулирующих энергетических систем на территории Волгоградской области.
На основе гидрографии Волгоградской области выявлены потенциальные места накопления паводковых вод. Рассмотрены способы регулирования электрической нагрузки за счет гидроаккумулирования в периоды паводков путем применения наземных и подземных водохранилищ. Использование поверхностной воды в паводковые периоды путем нагнетательных скважин для поземного гидроаккумулирования методом, предложенным А.Д. Елисеевым, в значительной мере позволяет уменьшить объем паводковых вод и дополнительно получить электроэнергию при помощи скважин но го электрогенератора в часы пика эле ктро потребления.
Для реализации подземных гидроаккумулирующих электростанций поставлены задачи, которые необходимо решить в ходе проектирования. Решение задач при помощи мониторинга гидрологии подземных вод Волгоградской области и прогноза ожидаемых паводковых вод позволит сократить затраты на проектирование в три-пять раз.
Ключевые слона: гидрология Волгоградской области, регулирование стока реки, использование гидроаккумулирующих энергетических систем.
The aim of the work is lo examine Ihe possibilily of using hydro accumulating energy systems in the Volgograd region.
On the basis of the hy drography of the Volgograd region it is identified potential sites of floodwatcr accumulation. It is examined the methods ofclcctrical load regulation due hydro accumulating during flood periods through the surface use and underground water reservoirs. The use of surface water in the flood periods, through injection wells for underground of hydro accumulating method proposed AD Elisccv, greatly reduces the amount of flood water and additionally get electricity by means downholc electric generator power consumption at peak times.
To implement the underground hydro accumulating power station there arc set task I ha I must be addressed in the design. It may be solve problems by means hydrology groundwater monitoring in the Volgograd region and by means forecasting of flood waters would reduce the design costs in three to five times.
Key words: hy drology of Volgograd region, regulation of the river flow , the use of hydro accumulating energy systems.
По территории Волгоградской области протекает около 200 рек различной величины. Они относятся к бассейнам Азовского и Каспийского морей, к Прикаспийскому и Сарпинскому бессточным бассейнам. Большая часть территории региона дренируется Доном с его притоками; Хопром,
Медведицей, Иловлей, Чиром, Донской Царицей, Мышковой, Аксаем, Курмо-ярским Аксаем — всего 165 рек. Волжский бассейн занимает узкую полосу вдоль долины Волги и включает 30 водотоков. На обширной территории Прикаспийского бес-сточного района (22172 км") рек мало, они впадают в озеро Эльтон (Сморогда, Хара, Ланцуг). Реки, относящиеся к Сарпинскому бессточному бассейну, стекают с восточного склона Ергенинской возвышенности и впадают в озера С ар па и Цаца. Общая протяженность рек, протекающих по территории Волгоградской области, составляет 7981 км, 9 из них имеют протяженность более 200 км, их суммарная длина в пределах области - 1947 км (рисунок 1).
Таким образом, наибольшее количество талых вод наблюдается в районе протекания Дона и его притоков, которые формируют до 80% годового стока.
Река Волга в пределах Волгоградской области имеет протяженность 60,2 км. В питании Волги основную роль играют талые снеговые воды, которые формируют в среднем около 65% ее годового стока, остальные 35% идут за счет дождевого и грунтового питания. Во время весеннего половодья в области наблюдаются большие разливы (до 30 км). Внешним фактором, определяющим сегодня гидрологиче-
ский режим реки Волги, является режим пропусков воды на Волжской ГЭС.
Волжская ГЭС является среднена-порной гидроэлектростанцией руслового типа, входит в Волжско-Камский каскад ГЭС, а также является филиалом ОАО «Рус-Гидро». Установленная электрическая мощность ГЭС равна 2592,5 МВт, а ее среднегодовая выработка составляет 11,1 млрд кВт-ч. В основном здании Волжской ГЭС установлены 22 гидроагрегата с поворотно-лопастными турбинами, работающими при напоре 20 метров. 15 из них имеют мощность 115 МВт, 3 - 125,5 МВт, 4 - 120 МВт. Кроме того, здесь же установлен агрегат рыбоподъемника, мощность которого равна 11 МВт. Максимальная пропускная способность гидроузла равна 25 тыс. м3/с.
Регулирование нагрузки на ГЭС осуществляется путем пропускания водного потока в часы пиков нагрузки Огэс > Оо (бытовой расход) за счет накопленного избыточного притока. Однако это не сопровождается значительным увеличением выработки электроэнергии, и выработка энергии при суточном регулировании меньше, чем та, которая могла быть получена при естественном режиме стока (без регулирования). Средний за сутки уровень воды в нижнем бьефе при неустановившемся режиме будет всегда выше, чем при постоянном расходе. Решением этого вопроса может стать использование гидроаккумулирования водного потока в часы провалов, когда Огэс > Об, перекачиванием насосами воды из нижнего бьефа в верхний.
Рисунок 1 - Гидрография Волгоградской области
Так как Волжская ГЭС имеет свое водохранилище, то можно использовать поверхностный способ гидроаккумулирования.
Недостатком известного способа гидроаккумулирования является то, что при сооружении плотин на реках появляется сложность их эксплуатации в условиях резко континентального климата, так как приходится сталкиваться с сезонными изменениями - перемерзанием рек, их разливом в период паводков и т.п.
Известен также способ искусственного регулирования запасов подземных вод путем восполнения их [1]. Способ включает работы по искусственному восполнению запасов подземных вод и предназначен для увеличения эксплуатационных запасов при различных видах водопотребления, для компенсации повышенного локального от-
бора подземных вод в отдельные периоды за счет вод подземных емкостей, играющих роль регулирующих водохранилищ, а также для взаимного регулирования подземного и поверхностного стоков и др.
Прогноз стока реки за период половодья определяется на основе уравнения водного баланса речного бассейна:
0=Х-I -ип
1-ехр
X-I
где Оп - сток за период половодья;
X - сумма запасов воды в снежном, ледяном покрове и в весенних осадках (перед началом снеготаяния);
/ - инфильтрация во время снеготаяния и выпадения дождей;
(/о - количество воды, задержанной на поверхности бассейна при заполнении всех бессточных углублений.
Как видно из выражения, наиболее трудно определяемой величиной является IIо, так как она зависит от множества факторов: геологии почвы, прихода солнечной радиации, температур грунта и окружающего воздуха, величины снежного и ледового покрова и др., в отличие от X и /, которые являются измеряемыми величинами.
Так как на таяние снежного покрова приходится около 33,5 кДж/мм талой воды, а в период таяния снега суммарная солнечная радиация составляет около 40 кДж/см"
[2], то снежный покров, например Волго-Ахтубинской поймы (16 тыс. га, высотой 0,5 м) растает за 3,2 суток и даст водоток высотой 8 см.
При большем накоплении снега в паводковые периоды высота задержанной на поверхности воды в некоторых местах достигает уровня 50 см.
Наиболее сильные паводки встречаются на реках Терса, Бузулук, Кумылга, Ольховка и других реках Волгоградской области (рисунок 2).
Рисунок 2 - Разлив реки Терса в р.п. Елань в 2012 году
Использование для гидроаккумулирования поверхностной воды в паводковые периоды, например, путем сообщения емкости подземного гидроаккумулирования нагнетательными скважинами с поверхностными водоемами, позволяет уменьшить объем паводковых вод и связанных с этим отрицательных последствий от их воздействия, что характерно для Волгоградской области.
В настоящее время известно много способов подземного аккумулирования. Так, например, в своей работе А.Д. Елисеев
[3] предлагает выполнить гидроаккумулирование следующим образом (рисунок 3).
Бурят нагнетательные скважины до сообщения с источником воды, производят наполнение посредством нагнетательной скважины емкости подземного гидроаккумулирования водой либо за счет давления, возникающего при свободном, т.е. безнапорном, движении воды в скважине, либо при ее закачивании. Бурят являющуюся водоводом гидроэнергетическую скважину до стока воды, например, до штольни или зоны ее ухода или поглощения.
Трассу гидроэнергетической скважины выбирают такой, чтобы ею выше стока воды была пересечена емкость подземного гидроаккумулирования либо сообщена с ней. Уровень воды в гидроэнергетической скважине обеспечивают выше стока воды, например кровли штольни или зоны ее ухода или поглощения. Гидроэнергетическую скважину выполняют с возможностью установки в ней ниже уровня воды гидроэнергоагрегата либо установки его, например, в штольне с подсоединением его к выходу скважины. В гидроэнергетической скважине либо в штольне устанавливают электрокабель или трубопровод для транспортирования выработанного энергоресурса от гидроэнергоагрегата к энергопотребителю.
Для аккумулирования может быть использована поверхностная вода, образующаяся в паводковые периоды, например, путем сообщения нагнетательных скважин с поверхностными водоемами в эти периоды.
В требуемые периоды может быть прервано сообщение емкости подземного гидроаккумулирования с зоной стока воды, например, с использованием извлекаемого пакера, устанавливаемого в гидроэнергетической скважине ниже места ее сообщения с емкостью подземного гидроаккумулирования.
В районах разлива рек и половодий Волгоградской области преобладает тяжелосуглинистая почва, которая имеет низкий уровень водопроводимости (примерно 0,001 м/сут.). В то же время в непосредственной близости располагаются подземные источники воды, которые можно использовать в качестве накопительных емкостей.
Все это позволяет осуществить подземное гидроаккумулирование, которое решает две глобальные задачи: избавление от затопления местности в период паводков и дополнительную выработку электроэнергии.
1 — емкость подземного гидроаккумулирования; 2 - земля; 3 - поверхностный источник воды; 4 - нагнетательная скважина, «обсаженная» трубой, перфорированной в верхней и нижней части; 5 - поворотный перфорированный цилиндр; 6 - гидроэнергетическая скважина; 7 - перфорационные отверстия в нижней части нагнетательных скважин; 8 - перфорационные отверстия в нижней части гидроэнергетической скважины; 9 — скважинный электрогенератор, якорь которого соединен с ротором гидротурбины 10; 9.1 — электрокабель, посредством которого скважинный электрогенератор 9 соединен с формировательно-распределительным устройством 9.2; 10 - скважинная гидротурбина; 11- ступенчато расширенный участок гидроэнергетической скважины в месте установки
скважинного гидроагрегата; 12 - захватное приспособление (наконечник) для спуска-подъема скважинного гидроагрегата; 13 - зона стока воды (зона поглощения)
Рисунок 3 — Схема гидроаккумулирования
Такая идея достаточно перспективна и требует на сегодняшний день по разным оценкам небольших капитальных затрат около 45-80 евро за 1 кВ, но при ее реализации требуется решить следующие задачи:
1) определить глубину и объем во-довмещающих пород, их минералогический состав, состав подземных вод;
2) определить количество нагнетательных скважин и их месторасположение;
3) определить местоположение гидроэнергетической скважины;
4) произвести технико-экономичес-кое обоснование строительства малого подземного гидроэлектросооружения.
На сегодняшний день мониторинг гидрологии подземных вод в Волгоградской области и прогнозов ожидаемых паводковых вод никто не проводил, поэтому наряду с основными задачами появляется еще одна важная задача - проведение мониторинга, - которая примерно в три-пять раз увеличивает первичные затраты на проектирование подземных гидроаккуму-лирующих энергетических систем.
Литература
1. Головин, В.Л. Способ пополнения подземных вод / В.Л. Головин, Б.В. Леонов / Патент РФ по а.с. СССР № 1638274,
МКИ6 Е03В 3/32 - № 4604080/33; заявлено 09.11.88; опубл. 30.03.88; Бюл. № 12.
2. Энергоэффективность Волгоградской области: реалии и перспективы/ П.Л. Секретов, Ю.А. Попов, В.А. Меща-нинцев, ИВ. Юдаев, Н.М. Веселова // Энергетическая политика: общественно-деловой, научный журнал. - Вып. 5. -Москва: Институт энергетической стратегии, 2009.-С. 69-72.
3. Елисеев, А.Д. Способ гидроаккумулирования. Патент РФ Е02В9/00 -№2341618, заявлено 23.10.2006; опубликован 20.12.2008, Бюл. №5.
References
1. Golovin, V.L., Leonov, B.V. (1988), "Method groundwater recharge" ["Sposob popolnenija podzemnyh vod"], RU, 4604080/33.
2. Sekretov, P.L., Popov, Ju.A., Meshhanincev, V.A., Judaev, I.V., Veselo-va, N.M. (2009), "Volgograd region energy efficiency: realities and prospects" ["Jenergo-jeffektivnost' Volgogradskoj oblasti: realii i perspektivy"], Social and business, scientific journal "Energy Policy", No. 5, pp. 69-72.
3. Eliseev, A.D. (2006), "The method of hydro accumulation" ["Sposob gidroakku-mulirovaniya"], RU 2341618.
Сведение об авторе
Веселова Наталья Михайловна - канд. техн. наук, доцент кафедры электроснабжения сельского хозяйства и теоретических основ электротехники, ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный аграрный университет» (Россия). E-mail: nata.vesnal971@mail.ru.
Information about the author Veselova Natalia Mikhailovna - Candidate of Technical Sciences, assistant professor of Electrical agriculture and theoretical electrical engineering basics department, FSBEI HPE «Volgograd State Agrarian University» (Russia). E-mail: nata.vesnal971@mail.ru.
