автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.02, диссертация на тему:Использование энергии малых рек для энергоснабжения сельскохозяйственных потребителей в зоне Южного Урала

ПРаВаХ РУКОПИСИ

ПТАШКИНА- ГИРИНА Ольга Степановна

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ МАЛЫХ РЕК ДЛЯ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ В ЗОНЕ ЮЖНОГО УРАЛА

05.20.02. - электрификация сельскохозяйственного производства

АВТОРЕФЕРАТ, диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Челябинск-1998

Работа выполнена на кафедре "Электроснабжение сельского хозяйства" в Челябинском государственном агроинженерном университете.

Научный руководитель - кандидат технических наук, профессор

Саплин Л А

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Байрамгулов Ю.Ж.

кандидат технических наук, профессор Кабанов И.Д.

Ведущая организация - Уральский филиал ВИЭСХ (г.Челябинск)

Защита состоится "27" мая 1998г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 120.46.02 Челябинского государственного агроинженерного университета по адресу: 454080, г.Челябинск-80, пр.им.В.И.Ленина, 75.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан "А/? " СеАСреяЬЛ 998г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук,

профессор Л.А.Саплин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Агропромышленный комплекс является энергоемкой отраслью народного хозяйства. В России для бытовых и производственных нужд села расходуется более 1/3 добываемого топлива. По исследованиям ВИЭСХ суммарная потребность сельского хозяйства в 2000 году в энергоресурсах составит около 130 млн. т.усл.топлива, в том числе в электроэнергии 120-130 млрд.кВт ч.

По причине кризисных явлений в энергетике и с появлением различных форм собственности научными организациями АПК разработаны энергетические программы, одной из задач которых является постепенное замещение сложившегося централизованного энергоснабжения в сельском хозяйстве децентрализованным на основе развития малой энергетики, использующей местные как традиционные виды топлива, так и возобновляемые нетрадиционные - энергию ветра, солнца, стока малых рек и др. Интерес к возобновляемым источникам энергии вызван не только истощением топливных ресурсов, но и экологическими причинами. По прогнозам ВИЭСХ в 2000 г. нетрадиционные источники в структуре энергоносителей будут составлять около 6 млн.т.усл. топлива. Для Челябинской области учеными ЧГАУ оценены потенциальные ресурсы ветра, солнца.

В России, как и в других странах, гидроэнергетика основывается на до-:таточно богатом опыте исследования и использования энергии крупных рек. К :ожаленига, в стороне остаются малые реки, которые в 50-е годы после под-:лючения сельскохозяйственных районов к государственным энергосистемам )ыли отнесены к неперспективным. Вместе с тем опыт зарубежных стран пока-ывает, что малые гидроэлектростанции, эксплуатирующие сток средних и ма-!ых рек, стали вновь объектом всеобщего внимания, включая и развитые стра-

1Ы.

Развитие малой гидроэнергетики в России и в Уральском регионе, в частости, сдерживается недостаточным исследованием гидроэнергетического по-енциала речного стока малых рек. По этой причине остается невостребован-ым серийно выпускаемое оборудование для малой гидроэнергетики.

Работа выполнялась в соответствии с перечнем республиканских целевы: программ; п.29 "Разработать основные направления долгосрочной федераль ной технической политики, систему энергетического обеспечения, развитие ав томатизации производства и экономии энергетических ресурсов в сельскохо зяйственном производстве России" (приказ N 10 от 17.03.95 г. по главном; управлению высших учебных заведений Минсельхозпрод России).

Цель работы. Снизить потребление органического топлива за счет исполь зования энергии малых рек в энергоснабжении сельскохозяйственного произ водства.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи

1. Выполнить гидроэнергетическое районирование Челябинской области.

2. Разработать статистические модели годовых и среднемесячных удель ных гидроэнергетических характеристик малых рек.

3. Составить гидроэнергетический кадастр малых рек и водохранилищ Че лябинской области.

4. Разработать методику определения установленной мощности малы гидроэнергетических установок.

5. Разработать методику оценки энерго-экономических показателей гидре энергетических ресурсов Челябинской области.

Объект исследования. Энергетические ресурсы малых рек Челябинско области.

Предмет исследования. Установление в вероятностной форме лростраь ственных и временных изменений энергетических характеристик малых ре! составление энергетического кадастра малых рек и водохранилищ неэнергеп ческого назначения.

Научная новизна. В работе впервые оценены возможности использовани гидроэнергетического потенциала стока малых рек и водохранилищ неэнерп тического назначения Челябинской области.

Исследованы пространственные изменения параметров распределена стока малых рек и на этой основе произведено районирование территории лябинской области по энергопотенциалу.

Исследованы экономическая и энергетическая эффективность установок малой гидроэнергетики в зависимости от водности района и стоимости заменяемого органического топлива.

Практическая ценность работы. Подсчитанный технический потенциал энергии малых рек и водохранилищ служит резервом для решения задач энергоснабжения автономных сельскохозяйственных потребителей.

Результаты теоретических исследований, представленные в виде карт, таблиц и графиков, могут быть использованы при проектировании гидроэнергетических установок в любом гидрологическом створе, не освещенном длительным рядом наблюдений.

Внедрение. "Методика гидроэнергетического районирования и моделирования обобщенных районных кривых обеспеченности стока" принята к внедрению в отделе гидрологии Челябинского Центра по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды. Методика "Определение номинальной мощности гидросиловых установок для малых рек и водохранилищ" принята к внедрению в Уральском филиале ВИЭСХ. Результаты исследования внедрены в учебный процесс ЧГАУ по дисциплине "Гидроэнергетические установки".

Апробация работы. Основные положения работы обсуждались на научных конференциях в ЧГАУ (г.Челябинск, 1994-1997гг.); международной научно-технической конференции БАТУ "Повышение эффективности использования топливно-энергетических ресурсов в АПК" (г.Минск, 1997г.).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 6 работ. Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы (126 наименований, из них 6 на иностранном языке) и приложения. Содержание работы изложено на 255 страницах машинописного текста, из них 169 страниц основного текста, 33 рисунка, 41 таблица и 86 страниц приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ В первой главе приведен анализ структуры энергопотребления сельскохозяйственного производства, возможности энергоснабжения его от нетрадици-

онных возобновляемых источников энергии (ветра, солнца) и состояние мало| гидроэнергетики на сегодня.

Челябинская область по своему географическому положению являете водоразделом трех бассейнов (рр.Камы, Тобола и Урала). По этой причин гидрографическая сеть на 98% состоит из малых рек, к которым отнесены рав нинные реки мощностью до 2 тыс.кВт и горные с мощностью 1.7 тыс.кВт.

Возникновение на уральских реках малых гидросиловых установок прихс дится на первые годы 18 столетия. Они использовались для нужд промышлее ности и сельского хозяйства. В промышленности они просуществовали до кон ца 19 века, а для нужд сельского хозяйства до середины 20 века. С середин! 70-х годов, вследствие мирового энергетического кризиса, малая гидроэнерге тика начинает привлекать все большее внимание. Наряду с повышением стон мости органического топлива этому способствовало:

- ужесточение требований к охране окружающей среды;

- освоение отдаленных труднодоступных районов;

- исчерпание возможностей освоения крупных водотоков;

- стремление к комплексному использованию водных ресурсов;

- совершенствование проектирования, технологии строительства.

Однако, развитие малой гидроэнергетики сдерживается недостаточным

исследованиями гидроэнергетического потенциала речного стока малых ре Что в настоящее время не позволяет использовать энергию малых рек да» при наличии серийно выпускаемого технического оборудования.

В настоящее время на территории области работают две малые ГЭ (МГЭС): Порожская (№уст=1445 кВт) и Верхнеуральская (N^=1000 кВт).

Основой гидроэнергетических расчетов являются данные гидрометрич! ских наблюдений, охватывающие короткий период времени (2-3 десятилетия В этой связи прогноз работы гидроэнергетической установки при любых изм' нениях в режиме водотока возможен только на основе моделирования проце са формирования стока. При этом возможны три направления:

- детерминированное определение интересующих величин. При этом и пользуют связи стока с обусловливающими его факторами;

- использование статистических закономерностей, проявляющихся в рядах гидрологических величин;

- совместное использование детерминированных и статистических закономерностей, свойственных речному стоку и определяющих его факторов.

С учетом развития исследований условий формирования речного стока Южного Урала наиболее обосновано статистическое моделирование.

Во второй главе "Теоретические исследования гидроэнергетических ресурсов малых рек зоны Южного Урала" дается теоретическое обоснование применения статистических методов моделирования стоковых характеристик и приведены результаты исследования гидроэнергетических ресурсов в различных районах Челябинской области.

В качестве важного элемента оценки достоверности статистического обобщения выступает выяснение статистической однородности изучаемых совокупностей и случайности формирования выборок. Особенно это важно для малых рек, "чутко" реагирующих на азональные факторы.

При анализе выборок на случайность их формирования лучший результат дал критерий Неймана (критерий последовательных разностёй), который не только устанавливает случайность, но и количественно оценивает её величиной коэффициентом внутрирядной корреляции (п.м). Критерий Неймана (5) определяется как отношение величин оценивающих дисперсию выборок разными способами

6=4. о)

а

где -ф

В результате преобразований получаем связь 5 с коэффициентом корреляции

=- Ю'+(х. - *)' - - *Хх. - *)] =

= {(о;+о;-2гм,|а;) = ст;(1-г,1.1). отсюда следует, что

6 = ^ = 1-г1№, . (2)

ст;

Для малых рек Челябинской области в рядах среднегодовых расходов пс расчетам коэффициент корреляции (г,,¡+1) составляет 0.20-0.70, что объясняет ся цикличностью гидрологических величин. Это необходимо учитывать пр1< статистическом моделировании рядов и по возможности оперировать объемол/ независимой информации.

Оценка гидроэнергетического потенциала малых рек области и его рас пределение по территории затруднена из-за ограниченности объема данны> наблюдений (обычно 20-30 лет), к тому же пункты наблюдений сосредоточень в основном на средних реках. Поэтому необходима дифференциация регион; (области) на ряд районов, имеющих однородные характеристики стока.

В отличие от традиционных методов районирования, которые основаны нг совокупной оценке распределения рассматриваемой характеристики и факто ров ее определяющих, в работе предложено районирование на анализе зако номерностей распределения по территории параметров распределения из учаемых характеристик. Это-позволило охарактеризовать закономерности ка чественно, дать количественную оценку их внутри однородных районов и ин терполировать параметры на весь однородный район. Правомерность объеди нения средних выборок в одну совокупность проверялась параметрическиг. критерием Стьюдента (1) и комлексирующим с ним непараметрическим крите рием Вилкоксона (\Л/). В качестве критерия однородности дисперсий использо ван параметрический критерий Бартлетта (В) и комплексирующий с ним непа раметрический критерий Сиджела-Тьюки (Я).

Дифференциация региона по однородным параметрам распределения ха рактеристик гидроэнергетического режима, позволила на территории Челябин ской области выделить восемь однородных гидроэнергетических районсм (таблица 1).

Таблица 1

Результаты статистической проверки гипотезы о равенстве средних и дисперсий многолетних характеристик

стока рек различных зон Челябинской области

Проверка гипотезы о среднем Проверка гипотезы о дисперсиях

Номер Ландшафтная характеристика Критерий Стьюдента Критерий Вилкоксона Критерий Бартлетта Критерий Сиджела-Тьюки

района района Статистика 1 ( я=0.05 ) Статистика \Л/ Ьпреобра зование Статистика В хг (0.01,к) Статистика Я <-преобразование

1 2 3 4 5 6 7 3 9 10

1 Степи 0.48 1.96 3230 1.90 19.21 11.3 3081 -0.15

2 Смешанные леса 0.54 1.96 1363 1.96 9.91 9.20 1655 -0.15

3 Лесостепи 0.68 1.96 6543 1.05 55.67 16.8 6003 0.89

4 Смешанные и хвойные леса 0.29 1.96 1200 1.45 8.66 9.2 1034 0.56

5 Хвойные леса карст - 1.96 - - - - - -

6а Горно-лесная 1.30 1.96 4200 1.97 21.55 11.3 4568 0.87

66 растительность 1.45 1.96 654 0.87 9.11 11.3 768 -0.56

Хвойные и ши-

7 роколиственные леса 0.24 1.96 706 1.31 0.34 6.66 798 -0.09

Гидроэнергетическое районирование позволило в каждом выделенном районе конструировать из нескольких временных рядов наблюдений одну генеральную совокупность, на основании которой построена обобщенная районированная кривая распределения в интегральной форме (кривая обеспеченности). Обобщенная районная кривая обеспеченности увеличивает точность и надежность расчетных характеристик и распространяет свои координаты на неизученные реки района.

При объединении рядов, кроме качественной однородности, учитывалась стохастическая связь между объединенными совокупностями. Междурядная корреляция учитываемая при оценке устойчивости окончательного решения. Поэтому за основу построения обобщенных районных кривых обеспеченности взят метод независимых годопунктов Г.А.Алексеева. Согласно этому методу несколько I. однородных частных временных рядов объединяются в один. И объективной мерой эффективности объединения в сравнении с частным ]-тым временным рядом является величина, показывающая во сколько раз уменьшается среднеквадратическая ошибка вероятностей, определенных по объединенному ряду

1=1.2.....1, (3)

V

где пмз- число независимых наблюдений в объединенном ряду, определяемое по интерполяционной формуле

пнз=п, +п2(1-К,) + п,(1 - К,)к..+п, (1-К1), (4)

где И ¡- полный коэффициент множественной корреляции между ]-тым временным рядом и предшествующим Н временным рядом, занумерованными в порядке убывания наблюдений П1 > ... >П|..

Полные коэффициенты множественной корреляции определены по симметричной матрице коэффициентам парной корреляции

Коэффициент парной корреляции О» вычисляется для рядов предварительно нормированных исходных величин за совместный период наблюдений П;к в ]-том и к-том пунктах между соответственными членами обоих рядов. Полные коэффициенты множественной корреляции Кг, Р?з, ... , вычислены по формуле

= j = 2,3,...,L,

(6)

где й,- определитель ]-того порядка, минор определителя симметричной матрицы. При вычислении исключали ряды, дублирующие друг друга, т.е. при

г,к >0.95.

Эмпирические районные кривые распределения сглажены и экстраполированы теоретической кривой трехпараметрического гамма-распределения (рис.1).

300

2.50

200

1 50

100

050

000

м , л/с <мг

Í* О

\< о о \ ... 1

S. 5 X 2 3

ч в ч ■ а в о о о о"-*

+ -Г* 102 Р. ^ I

0 00 0 03 0 17 0 26 0 34 0 43 0.52 0.60 0БЗ 0.77 0.8Б 035

Рис. 1. Кривые обеспеченности частных и объединенного рядов

характеристик стока первого гидроэнергетического района. 1 - теоретическая кривая обеспеченности; 2,3 - верхняя и нижняя 95%-ные до-зерительные границы; а в ■ - р. Тогузак - ст. Тогузак; ООО - р.Б.Караганка - пос. Измайловский; ооо - р.Карталы-Аят - г.Карталы; +++ - р-Гумбейка - с. Наварин-<а; ххх - эмпирическая обобщенная кривая.

Другие аналитические распределения (Пирсона III типа, Э.Гумбеля, Р.Гуд-рича, логнормальное), отвечающие основным требованиям распределений гидрологических величин (одномодальность, положительная асимметрия), показали меньшее соответствие эмпирическим распределениям по критерию %2.

По алгоритму вышеприведенной методики составлена программа для ЭВМ, позволяющая получить координаты сглаженной районной кривой обеспеченности для любого числа однородных выборок.

В таблице 2 приведены параметры районных кривых обеспеченности для всех гидроэнергетических районов Челябинской области.

Таблица 2

Параметры типовой районной кривой обеспеченности и их оценка

Гидроэнергетический район М л/с-км2 С, Cs п ПСр Пм*Н п« R f,% 7сР Ума»

1 0.57 0.85 1.39 122 30 20 60 0.86 5.0 1.41 1.7

2 2.71 0.56 1.10 85 28 23 50 0.79 2.5 1.34 1.4

3 1.26 0.77 1.60 221 32 16 83 0.84 3.2 1.61 2.2

4 1.45 0.54 1.29 107 36 23 75 0.87 5.2 1.44 1.8

5 6.00 0.37 0.00 46 46 46 40 - - 1.00 1.0i

6а 9.21 0.36 0.65 210 30 20 48 0.93 5.4 1.26 1.5,

66 15.2 0.28 0.22 57 28 28 35 0.80 - 1.12 1.1:

7 12.0 0.30 0.67 66 33 24 44 0.90 - 1.15 1.3

В третьей главе представлен гидроэнергетический кадастр малых рек и водохранилищ неэнергетического назначения Челябинской области.

Теоретические исследования закономерностей распределения характеристик гидрологических ресурсов по территории и во времени, проведенные во второй главе, позволили оценить в вероятностной форме энергетический потенциал малых рек и многочисленных водохранилищ.

Валовый энергетический потенциал малых рек определен через его удельные характеристики различной обеспеченности. Удельная насыщенность гидроэнергоресурсами определенной обеспеченности каждого района оценена по зависимости

Ыр%= 0.0049- Мр%- ДН, (7)

где Ыр%- удельная насыщенность р%-ной обеспеченности, кВт/км2; Мр%- модуль стока р%-ной обеспеченности, определенный по координатам районной кривой обеспеченности стока, л/скм2; АН- падение продольного профиля по высоте, определенный по средним морфометрическим характеристикам каждого района, м.

Соответственно, удельные годовые запасы гидроэнергии определены как ЭР%= 85.94 - Мр%- ДН. (8)

где Эр%-потенциальные запасы гидроэнергии р%-ной обеспеченности, кВт-ч/км2.

Приведенные расчеты позволили оценить валовый теоретический потенциал малых рек в зависимости от зоны формирования стока. При этом учтены бессточные замкнутые водосборы, характерные для восточных и юго-восточных районов области.

Таблица 3

Потенциальные гидроэнергетические ресурсы малых рек Челябинской облас-

ти (50%-ой обеспеченности) по гидроэнергетическим районам

Гидроэнергетический район Площадь рай- 2 она, тыс.км Мощность, тыс.кВт Выработка, млрд.кВт ч Насыщенность , 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 1.32 119

66 0.46 13.4 0.12 261

1 3.74 45.6 0.40 107

Часть валового энергетического потенциала, который технически возмо-кен к использованию, является техническим потенциалом. Технический потенциал - величина переменная и состоит из постоянной величины (потери на гид-юузле) и переменной величины (потери, зависящие от природных условий формирования стока реки). По результатам исследований для рек Челябинской

области, входящих в 1-4 гидроэнергетические районы, процент использования валового потенциала равен 0.17, а для рек 5-7 районов - 0.40.

Внутригодовое распределение энергетических ресурсов малых рек определяется распределением стока, поэтому при анализе годовой неравномерности потенциала взяты стоковые характеристики. Типовое внутригодовое распределение рассчитано путем осреднения ординат годовых гидрографов изученных малых рек каждого гидроэнергетического района с учетом особенностей формирования стока (озерность, карст и т.п.)

На территории области эксплуатируются около 392 прудов и водохранилищ с суммарным полным объемом более 3360 млн.м3 и полезным объемом более 2600 млн.м3, только два из них имеют в своем комплексе МГЭС. Сле-' дует отметить, что готовые напорные фронты представляют собой интерес для малой гидроэнергетики.

Небольшие водохранилища с объемом менее 1 млн.м3 (60% от общего числа) сбрасывают в нижний бьеф только санитарный попуск, равный минимальному летнему стоку 85%-го по обеспеченности года. Установленная мощность для этой группы водохранилищ составляет менее 10 кВт, а потенциал при 2500 часах использования составляет 1.5 млн.кВтч.

Водохранилища с объемом 1-10 млн.м3 (35% от общего числа) могут использоваться энергетическими установками до 100 кВт и имеют энергетический потенциал около 6 млн.кВт ч. Немногочисленную, но достаточно перспективную группу водохранилищ (около 7%) составляют водохранилища емкостью более 10 млн.м3. Суммарная установленная мощность составляет 24.2-4.6 Мвт. Верхний предел определен по полной сработке полезного объема, а нижний - по полезной водоотдаче.

Теоретические исследования позволили получить графическую зависимость мощности МГЭС от зарегулированного объема водохранилища (рис.2). Данная зависимость может помочь на первых этапах проектирования МГЭС, пристраиваемой к существующему водохранилищу.

200 160 120 80 40

О 20 40 60 80 100 120 140

Рис. 2. Зависимость мощности ГЭС от полезного объема водохранилища и расчетного напора (при времени годового использования 2 500 часов).

В четвертой главе предложена методика определения установленной мощности гидроэнергетической установки на естественном стоке малой реки и на вновь создаваемом на ней регулирующем бьефе.

В отличие от общепринятых, предложенная методика расчета установленной мощности МГЭС основана на определении максимального коэффициента использования водотока, величина которого зависит от характера режима водотока, т.е. только от гидрологических факторов. Экономические соображения и характер нагрузки должны быть учтены дополнительно. Такая методика применима для расчета МГЭС, работающей на малой реке местного (локального) энергопотребителя.

Установленная мощность МГЭС с к.п.д. 0.7, работающей без регулирующего бьефа, может быть определена

1Чует=70оКр%Н, (9)

или при наличии бьефа с суточным регулированием

Муст=7С!0кр%Ну, (10)

где Ыуст- установленная мощность, кВт; 00- норма стока, м3/с; кр%- расчетный модульный коэффициент р%-ной обеспеченности; Н - напор, м; Т - число часов работы станции в сутки.

Расчетный модульный коэффициент (кр%) определен по максимальному коэффициенту использования водотока (<рс). Поскольку в проводимых исследованиях объектом изучения являются гидроэнергетические районы, а не конкретные реки, то под фс подразумевается коэффициент использования суммарного стока. Для расчета фс необходимо иметь следующие гидрологические характеристики районов:

- площади кривой обеспеченности месячных расходов или площади типового гидрографа до расчетного кр% (V);

- средние продолжительности расчетного расхода ( Р)

Первая характеристика рассчитывается по типовым гидрографам каждого гидроэнергетического района, полученных в предыдущих главах, и служит характеристикой гидросиловой мощности стока или выработки энергии

V = <| Т ■ <3(2, (11)

и

или через модульный коэффициент

к„.„

4>»1к)= ¡Р-с5к. (12)

о

Вторая характеристика может быть выражена величиной

Р=Ф.(К)= ^ (13)

Кр*.

и соответствует кривой выработки энергии на единицу установленной мощ ности. Обе характеристики в исследовании выражены в долях от единиць (года). Произведение этих двух функций дает третью функцию, которая и равн; коэффйциенту использования стока

4>=(к) = <рУ(к)-(р,(к). (14)

Максимальное значение <рс(к) и соответствует расчетному расходу при определении установленной мощности в формулах (9),(10). Максимум <рс(к) находится по первой производной

= [Ф,(к)-Ф,(к)] =

л.

Jp.dk

/рак 2Р • кр - | Рак

о, или

2Рк = Г Р(5к, ИЛИ Р =-• [ Рак,

' 1 2к„ '

и, учитывая (13)

Р='Р. 2

(15)

Из (15) следует, что расчетная обеспеченность, соответствующая расчетному модульному коэффициенту (кр%), равна 1/2 средней длительности Р расходов, равных и ниже данного.

Рис. 3. Кривые суммарного коэффициента (фс) энергетического

использования стока: 1, 2, 3 ... - номера гидроэнергетических районов; К-модульный коэффициент стока.

\ о

Теоретические исследования позволили для каждого гидроэнергетическо го района построить функции (рс(к),по которым можно определить их макси мумы и соответствующие им расчетные кр% (рис.3). Для практического приме нения эти же характеристики сведены в таблицу 4.

Таблица *

Гидроэнергети-. ческий район Максимальный коэффициент использования СТОКа, фе тах Оптимальный модульный коэффициент стока, кр% Расчетная обеспеченность, в месяцах Р(кр%)

1 0.11 0.40 4

2 0.22 1.25-0.50 3-6

3 0.21 0.40 6

4 0.45 0.60 6

5 0.42 0.60 6

6а 0.26 0.60 6

66 0.27 0.70 6

7 0.51 1.00 6

В пятой главе исследована энерго-экономическая эффективность мало1 гидроэнергетики.

Основным методом оценки экономической эффективности сооружени: малых ГЭС, как и для обычных гидроэнергетических объектов, является мето, сравнительной эффективности. Альтернативным вариантом для МГЭС обыч№ является тепловая электростанция. Сравнение вариантов электроснабжени: от ТЭС и ГЭС произведено в соответствии с общепринятой методикой по при веденным затратам. Коэффициент вытеснения выработки энергии принят расчетах 1.00.

Использование МГЭС будет эффективным в том случае, если приведен ные годовые затраты на ГЭС будут равны или меньше стоимости вытесняв мого топлива на ТЭС и может быть выражено

ЕнК2 + И2 = С,рЭ2. (16)

где К2- единовременные капитальные вложения, руб.; И2- годовые эксплуата ционные издержки, руб./год; Ен- нормативный коэффициент эффективност капиталовложений, 1/год; Сг стоимость используемого топлива, руб./т; р

удельный расход топлива, т/кВт, Эг - вырабатываемая ГЭС электроэнергия, кВт-ч.

Если выразить Эг через установленную мощность (ИУст) и время ее использования (1), а Иг - через сумму норм отчислений на амортизацию, текущий ремонт и т.п., то выражение (16) можно записать

(Ен+ХЕ.Ж^С,^^ (17)

Тогда экономически целесообразные удельные капиталовложения на сооружение одной МГЭС будут равны

кУД= ,С|!:'Г аз)

Из (18) видно, что удельные капиталовложения зависят от времени использования установленной мощности (№уст) гидроэнергетической установки. В свою очередь время использования Муст при равных мощностных характеристиках установки зависит от водности района размещения МГЭС.

Предыдущие исследования позволяют по кривым обеспеченности среднемесячных расходов для каждого гидроэнергетического района определить время использования в течение года установок различной мощности. Зависимость эффективных удельных капиталовложений Куд в функции от стоимости С1 вытесняемого органического топлива для наиболее характерных значений установленной мощности МГЭС по всем районам представлены на рис.4. При фиксированном значении стоимости органического топлива для всех гидроэнергетических районов построены зависимости экономически целесообразных удельных капиталовложений в функции от мощности установки (рис.5). Эти зависимости позволяют решить следующие задачи:

- по проектным удельным показателям МГЭС определить, при какой стоимости органического топлива экономически выгодно ее сооружение;

- по стоимости органического топлива установить мощность МГЭС экономически оправданной в рассматриваемом районе.

Разработанная методика позволяет определить экономическую целесообразность строительства МГЭС в любом по водности районе Челябинской области.

800

400

150

Рис. 4. Зависимость предельных величин удельных капитальных вложений в МГЭС, обеспечивающая эффективное их использование в различных гидроэнергетических районах Челябинской области от стоимости органического топлива ( М=4 л/с - км2).

Рис. б. Зависимость эффективных удельных капиталовложений МГЭС от установленной мощности для разных гидроэнергетических районов Челябинской области при фиксированной стоимости органического топлива. С1 = 500 тыс.руб./т. (83 $ США/т)

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Проведенный в работе анализ гидроэнергетического потенциала Челябинской области показал, что одной из перспективных мер по повышению электроснабжения сельских потребителей является сооружение на малых реках и водохранилищах МГЭС.

2. В результате анализа закономерностей распределения на территории области статистических параметров характеристик стока, входящих в подсчет энергетического потенциала, было выделено восемь гидроэнергетических районов. Наиболее энергонасыщены районы 5,6,7, имеющие среднемного-летнюю удельную мощность малых рек 6,5-30 кВт/км2, в то время как в первом районе - 0,19 кВт/км2.

3. Получены статистические модели среднегодовых характеристик водных ресурсов малых рек во всех гидроэнергетических районах, позволяющие определить в вероятностной форме энергоресурсы любого неизученного речного бассейна в различные по водности годы.

4. Разработано внутригодовое распределение энергетических характеристик для каждого гидроэнергетического района и по типовому распределению построены кривые обеспеченности среднемесячных стоков, позволяющие определить годовую и месячную выработку энергии в любом неизученном гидроствсре Челябинской области.

5. Составлен гидроэнергетический кадастр малых рек Челябинской области. Среднемноголетний теоретический гидроэнергетический валовый потенциал малых рек области составляет 2.6 млрд.кВт-ч, а возможный к использованию технический - 0,94 млрд. кВт-ч (около 3% от вырабатываемой в области электроэнергии).

6. Определены потенциальные гидроэнергетические ресурсы водохранилищ неэнергетического назначения Челябинской области. Для небольших водохранилищ объемом до 10 млн.м3 потенциал составляет 7.5 млн. кВт-ч. Энергетическая мощность крупных водохранилищ с объемом более 10 млн.м3 составляет 4.6 - 24.2 Мвт.

7. Разработана методика определения установленной мощности для не изученных створов малых рек без регулирования и с суточным регулированиел стока. Расчетный модульный коэффициент стока определен по максимальном; коэффициенту использования стока и соответствует для всех гидроэнергети ческих районов шестимесячной обеспеченности, кроме первого засушливое района, где расчетная обеспеченность равна четырем месяцам.

8. Предлагаемая методика определения предельных экономически эф фективных удельных капитальных вложений позволяет на этапе проектирова ния МГЭС' оценить целесообразность ее сооружения в любом гидроэнергети ческом районе в зависимости от стоимости сэкономленного топлива и мощ ности МГЭС.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Пташкина О.С., Саплин Л.А. Оценка гидроэнергетического потенциал; речных стоков Уральского региона. //Повышение надежности систем электро снабжения: Сб. науч.тр.//АлтГТУ, Барнаул,1995.

2. Пташкина-Гирина О.С., Саплин Л.А. Оценка пространственной однород ности гидрологических характеристик малых рек Челябинской обласп (гидроэнергетическое районирование). Челябинск, Вестник ЧГАУ, 1996, т.16.

3. Пташкина-Гирина О.С. Оценка возможности использования гидроэнер гетического потенциала существующих водохозяйственных объектов. Челя бинск, Вестник ЧГАУ, 1997, т.19.

4. Пташкина-Гирина О.С., Шерьязов С.К. Гидроэнергетический потенциа) малых рек Челябинской области. Челябинск, Вестник ЧГАУ, 1997, т.21.

5. Пташкина-Гирина О.С., Саплин Л.А. Использование энергии малых рек i водохранилищ для энергоснабжения сельскохозяйственных потребителей Че лябинской области. Тез. докл. науч.-техн. конф. Повышение эффективност! использования топливно-энергетических ресурсов в АПК. Минск, 1997.

6. Пташкина-Гирина О.С., Саплин Л.А. Методика определения установлен ной мощности гидроэнергетических установок на малых реках.//Наука, технике образование: Межвуз.сб.науч. тр.//АлтГТУ, Барнаул, 1998.

Подписано к печати 06.04.93. Формат 60x84/16. Заказ N 95. Тираж ЮС УОП ЧГАУ.