автореферат диссертации по строительству, 05.23.07, диссертация на тему:Обоснование параметров селективных водозаборных устройств ГЭС

На правах рукописи

ЛАДЕНКО

Светлана Юрьевна

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ СЕЛЕКТИВНЫХ ВОДОЗАБОРНЫХ УСТРОЙСТВ ГЭС

Специальность 05 23 07 — Гидротехническое строительство

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2007 г

003069499

ота выполнена в ОАО «Всероссийский научно-исследовательский институт гидротехники им Б Е Веденеева»

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ

доктор технических наук, профессор В Н Жгшенков

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ

доктор технических наук, профессор Н В Арефьев кандидат технических наук И Н Шаталина

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ

Филиал ОАО «Инженерный центр ЕЭС» институт - «Ленгидропроект»

на заседании диссертационного совета Д512 001 01 в ОАО «ВНИИГ им Б Е Веденеева» (195220, Санкт-Петербург, Гжатская ул , д 21)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОАО «ВНИИГ им Б Е Веденеева»

Автореферат разослан « » апреля 2007 г

ченый секретарь диссертационного совета, андидат технических наук,

Защита состоится «25» мая 2007 г в

часов

гарший научный сотрудник

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Эксплуатация высоко- и средненапорных ГЭС в условиях Сибири и Дальнего Востока наряду с экономическими и хозяйственными выгодами приводит к ряду негативных экологических последствий, к числу которых относится изменение термического режима в нижнем бьефе - летом вода становится значительно холоднее, а зимой — теплее, чем до строительства ГЭС Это влечет за собой ухудшение микроклимата прибрежной территории и оказывает негативное влияние на речную флору и фауну, условия проживания населения В настоящее время экологические проблемы строительства гидроэлектростанций в Сибири и на Дальнем Востоке стоят достаточно остро вследствие накопленного неблагоприятного опыта эксплуатации крупных ГЭС Отсутствие обоснованных и практически приемлемых решений термического сопряжения бьефов может приводить к затруднениям при принятии решений о размещении гидроузлов в этих районах, что негативно скажется на развитии экономики региона

Исследования изменений ледового и термического режима водотока после строительства ГЭС проводились в институте «Гидропроект», Государственном гидрологическом институте, Красноярском университете и других организациях По этим вопросам известны работы Ю И Подлипс-кого, В В Пиотровича, К И Российского, Я Л Готлиба, Н М Сокольникова, В М Жидких, С Н Назаренко, И В Космакова и др

Проблемы выявления, анализа и учета экологических факторов при выборе режимов работы ГЭС исследовались в Санкт-Петербургском государственном политехническом университете М П Федоровым, Н В Арефьевым, Н И Хрисановым и др При проектировании и выборе режимов эксплуатации ГЭС эти факторы принято делить на управляемые, опосредованно управляемые и неуправляемые Так, параметры гидротермического режима относятся к опосредованно управляемым факторам, поскольку их регулирование в сторону улучшения ситуации зависит, главным образом, от температуры воды на входе в водоприемник, что определяется условиями водозабора

Исследования, выполненные в рамках диссертационной работы, направлены на определение таких условий при селективном водозаборе, когда гидротермический режим в нижнем бьефе был бы максимально приближен к природному, и обоснованию конструкций, которые могут обеспечить эти условия Диссертационная работа является продолжением многолетних исследований по разработке селективного поверхностного

водозабора гидроузлов, проводившихся во ВНИИГ им Б Е Веденеева учеными и специалистами института - В Е Ляпиным, ГА Трегуб, И Н Шаталиной, А Г Василевским, И И Макаровым, К Я Кинд, Е Л Разговоровой, А Г Авер-киевым, В Н Карновичем, В Н Жиленковым и др

Цель II задачи работы. Цель данной работы заключалась в получении новых, более эффективных решений экологически приемлемого регулирования термического режима водотоков в нижних бьефах ГЭС, намечаемых к строительству на реках Сибири и Дальнего Востока

В соответствии с этим были поставлены и решены следующие задачи

1 Проведение анализа зарубежного и отечественного опыта по регулированию термического режима в нижнем бьефе ГЭС с целью определения наиболее перспективных решений

2 Выявление характера температурной стратификации, а также изменения ее во времени на основе систематического анализа и обобщения результатов натурных наблюдений за гидротермическим режимом водохранилищ эксплуатируемых ГЭС на реках Сибири и Дальнего Востока

3 Установление по данным натурных наблюдений оптимальной глубины поверхностного забора воды из водохранилищ, а также эффективного периода работы селективного водозаборного сооружения

4 Разработка рекомендаций по оптимальной глубине водозабора для водохранилищ ГЭС Сибири или расположенных в аналогичных климатических условиях

5 Анализ существующих расчетных методик определения условий сохранения устойчивости (несмешиваемости) слоев с различной температурой и выбор критерия устойчивости слоев при водозаборе

6 Обоснование предлагаемого критерия устойчивости слоев по данным натурных наблюдений и экспериментальных исследований

7 Разработка расчетной методики определения параметров селективных водозаборных устройств ГЭС

Методы исследовании

Обзор ранее предложенных технических средств и расчетных методик определения гидравлических критериев для проектирования поверхностного селективного водозаборного устройства

Анализ и обобщение материалов натурных наблюдений за гидротермическим состоянием водохранилищ высоко- и средненапорных ГЭС

Натурные наблюдения за условиями формирования разноплотностных течений

Экспериментальные исследования на модели разноплотностных течений

Достоверность результатов. Анализ существующих предложений по регулированию термического режима в нижнем бьефе ГЭС подтвердил, что в настоящее время наиболее перспективным решением для ГЭС мощностью свыше 300 - 500 МВт является конструкция берегового селективного водозабора, позволяющая за счет увеличения водоприточного фронта снизить удельный расход

Методика расчета параметров селективного водозаборного устройства ГЭС, разработанная в диссертации, подтверждена результатами экспериментальных исследований и расчетов, выполненных на основании натурных данных

Научная новизна работы заключается-

1 В обосновании конструкции деривационного селективного водозаборного сооружения берегового типа как наиболее перспективной для ГЭС мощностью от 300 - 500 МВт и выше, позволяющей за счет увеличения водоприточного фронта сооружения уменьшить удельные расходы воды, что дает возможность обеспечить устойчивость разделения слоев при селективном водозаборе и поддерживать термический режим нижнего бьефа близким к природному Если установленная мощность средненапорной (//< 50 м) ГЭС не превышает 300 - 500 МВт, возможным и более приемлемым по технико-экономическим показателям может оказаться вариант селективного водозаборного устройства не деривационного, а пристанционного (прямоточного) типа

Таким образом, предлагаются две принципиально разных по компоновке схемы водозаборных устройств селективного типа прямоточная и деривационная, каждую из которых следует выбирать в зависимости от гидрологических, гидрогеологических характеристик, топографии в створе гидроузла, напора и мощности ГЭС

2 В разработке методики расчета параметров селективных водозаборных устройств ГЭС и подтверждении ее натурными и экспериментальными данными В результате анализа наступления периодов темпе-ратурно-плотностной стратификации в водохранилищах на реках Сибири получена характерная глубина, при которой осуществляется забор воды из поверхЕЮСтного слоя В качестве показателя устойчивости селективного забора воды предлагается использовать плотностное число Фруда, критическое значение которого, подтвержденное результатами исследований, равно 0,28.

Практическая ценность и реализация работы. Практическая ценность работы заключается в том, что разработанная в диссертации методика расчета параметров селективного водозаборного устройства позволит обосновать внедрение селективных водозаборных сооружений берегового

типа на проектируемых гидроэлектростанциях Сибири и Дальнего Востока (в районах с резко выраженными сезонными циклами), тем самым снизить экологическую напряженность в нижнем бьефе ГЭС и сделать более комфортными условия проживания населения на этих территориях

При технико-экономическом обосновании строительства гидроэлектростанций в составе Южно-Якутского энергокомплекса будут рассмотрены варианты компоновки сооружений гидроузлов с береговыми селективными водоприемниками, расчет параметров которых будет выполняться по предлагаемой в диссертации методике

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на научно-технической конференции «Гидроэнергетика Новые разработки и технологии», 7-9 декабря 2005 г, проведенной ОАО «ВНИИГ им Б Е Веденеева» совместно с ОАО РАО «ЕЭС России», ОАО «ГидроОГК», НП «Гидроэнергетика России», а также на секциях Ученого совета ВНИИГ им Б Е Веденеева в 2006 и 2007 гг

Публикации. По теме диссертационной работы автором опубликовано 4 статьи

На защиту выносятся:

1 Методика проведения лабораторных экспериментов с разделением разноплотностных слоев и полученные в ходе эксперимента результаты

2 Методика расчета параметров поверхностного селективного водозаборного устройства ГЭС

3 Научно обоснованные критерии проектирования поверхностных селективных водозаборных устройств - рекомендуемая глубина водозабора и критическое плотностное число Фруда как показатель устойчивости слоев воды с разной температурой

4 Новое техническое решение - селективное водозаборное устройство деривационного типа, имеющее в определенных топографических условиях преимущества по сравнению с ранее разработанными конструкциями

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность диссертационной работы, ее научная новизна и практическая ценность, формулируются цель и задачи исследований

Первая глава посвящена обзору ранее предложенных решений проблемы оптимизации термического режима водотока в нижнем бьефе ГЭС Рассмотрены два направления в поиске решений данной проблемы 1 Осуществление компенсационных схем воздействия на гидро-тсрмическое состояние водотока в нижнем бьефе, из которых более подробно

рассмотрен наиболее перспективный способ - создание котррегули-рующего гидроузла в нижнем бьефе основной ГЭС, что позволяет при определенных условиях приблизить температуру воды в ее нижнем бьефе к бытовой, а также обеспечить равномерный уровенный режим бьефа при работе основной ГЭС с изменением турбинных расходов в широких пределах 2 Создание селективных водозаборных устройств, которые используются в мировой гидротехнике с 50-х годов В качестве примеров приводятся основные типы селективных водозаборных устройств, построенных на водохранилищах США, Японии, Канады - навесные, многоярусные и шторные, в основном они используются для рыбохозяйственных целей Сведения о применении селективного водозабора для целей регулирования на отечественных гидроузлах в литературе отсутствуют

Исследования селективного водозабора из водоемов начали проводиться в нашей стране в 60-х годах в связи с широким строительством мощных гидроэлектростанций на реках Сибири и Дальнего Востока Однако соответствующие разработки и предложения не находили должного внедрения в практику строительства гидроузлов

Подчеркивая важность решения задачи нормализации термического режима в нижнем бьефе ГЭС, необходимо отметить, что только за последние десять лет было подано в патентное ведомство России 26 заявок на различные конструкции селективных водозаборных устройств, которые, по мнению авторов предложений, должны обеспечить экологически приемлемые условия водотока

Все эти предложения можно разделить на две группы

1 Забор воды из различных по глубине слоев водохранилища

2 Забор воды из поверхностных слоев водохранилища

В диссертации рассматриваются типичные примеры предложенных ранее конструкций. Все они в основном представляют собой затворы различной формы, чаще всего в виде ковшовых водоприемников, расположенных перед турбинными водоводами и перемещающимися по мере сработки водохранилища В связи с тем, что такие устройства имеют сравнительно небольшую длину водоприемного фронта, при пропуске турбинного расхода крупной ГЭС в приточной зоне водозаборного устройства формируется депрессионная воронка, при которой неизбежно возникает восходящий поток воды, приводящий к нарушению заданных условий работы такого водозаборного устройства

Эффективность работы поверхностного селективного водозабора высоконапорных ГЭС при расходах порядка 1000 м3/с может быть обеспечена лишь при выполнении следующих условий

поступления в водозаборное сооружение воды из поверхностного слоя,

сохранения при этом устойчивости слоев воды с различной температурой

С учетом этого, во ВНИИГ им Б Е Веденеева В Н Жиленковым разработана и запатентована принципиально новая конструкция деривационного селективного водоприемника Предлагаемое решение заключается, прежде всего, в отказе от расположения водоприемного устройства в пределах здания ГЭС, так как при нахождении его на береговом склоне устраняются ограничения в выборе длины водоприточной части и, тем самым, появляется возможность уменьшить удельный водоприток до такой величины, при которой обеспечивается устойчивость положения слоев с различной температурой Водоприемный коллектор (деривационный канал) устройства должен располагаться в выемке, выполненной на береговом склоне (рис 1)

водозаборного устройства I - плавучие затворы-ширмы, 2 - пазы в бычках, 3 - лебедка, 4 - блоковые системы для подъема и опускания затворов, 5 - температурно-стратифнцированный верхний слой в водохранилище, 6 - деривационный канал, 7 - разделительная стенка 8 -шандорные пазы, 9 - козловой кран, 10 - ригетьные балки

Плавучие шиберные затворы /, находящиеся в пролетах водосливного фронта и перемещающиеся по вертикали в пазах бычков 2, устанавливают с помощью силовых приводов и блоковых систем 4 на глубине, обеспечивающей переток из верхнего слоя 5 водохранилища воды (с характерной д ля этого слоя температурой) во вдольбереговой деривационный канал-коллектор 6, подводящий воду к зданию ГЭС или водосбросу Нижняя часть канала отделена от водохранилища разделительной стенкой 7, высоту которой и скользящего по ней затвора определяют в зависимости от глубины сезонной сработки водохранилища, а также по условию пропуска через деривационный канал заданного расхода воды

Вариант возможной компоновки сооружений гидроузла с береговым селективным водоприемником схематично показан на рис 2

Рис 2 Схема компоновки сооружений гидроузла с боковым селективным устройством 1- водосбросная часть плотины, перекрывающей русло реки, 2 - глухая часть плотины, 3 - береговой селективный водоприемник, 4 - деривационный канал,

5 - здание ГЭС

Такая компоновка, с учетом современных технологических возможностей, имеет явные преимущества, особенно, в условиях строительства на Севере, поскольку такие водоприемники, благодаря конструкции бычков,

обладают большой ледостойкостью Также, в частности, при береговом размещении здания ГЭС решается ставшая весьма серьезной на ряде гидроузлов (Красноярской и Саяно-Шушенской ГЭС) проблема защиты турбинных водоводов от промораживания и разрушения бетона При этом также имеется возможность включения в данную компоновочную схему дополнительного, расположенного на том же береговом склоне, водосливного сооружения, как это осуществляется сейчас на Саяно-Шушенской ГЭС

В гидротехнической практике подобные компоновки встречаются (например, на Колымской ГЭС, Боулдер ГЭС на р Колорадо в США и др ) Они, с учетом современных технологических возможностей, имеют явные преимущества, особенно, в условиях строительства на Севере

Водозаборное устройство такой конструкции позволит обеспечить поверхностный селективный водозабор на крупных ГЭС, что конкретно подтверждается опытом эксплуатации Колымского гидроузла с береговым расположением водоприточного коллектора и водосброса По данным натурных наблюдений в нижнем бьефе Колымской ГЭС вода имеет температуру зимой не выше +1°С, а протяженность незамерзающей полыньи в нижнем бьефе не более 12 - 17 км

В то же время, если установленная мощность средненапорной (Я<50 м) ГЭС не превышает 300 - 500 МВт, возможным и более приемлемым по технико-экономическим показателям может оказаться вариант селективного водозаборного устройства не деривационного, а пристанционного (прямоточного) типа

На основании выполненного анализа предлагаются две принципиально разных по компоновке схемы водозаборных устройств селективного типа прямоточная и деривационная, при этом основным условием выбора компоновочного решения является обеспечение разделения раз-ноплотностных потоков на входе в водозаборное сооружение

В соответствие с вышеизложенным, автором настоящей работы ставится задача обосновать расчеты параметров наиболее перспективных конструкций водозаборных сооружений селективного типа, разработанных во ВНИИГ им Б Е Веденеева в прямоточной или деривационной компоновке, а именно - глубину водозабора и условия, при котором слои с разной температурой не смешиваются на подходе к водозаборному устройству Во второй главе рассматриваются особенности формирования тем-пературно-плотностной стратификации водохранилищ с сезонным циклом, которые необходимо знать при проектировании селективного водозаборного устройства При этом важной задачей является исследование условий формирования термического режима в конкретном водохранилище, в связи с чем на предварительной стадии данной работы автором был выполнен

анализ сведений, содержащихся в публикациях и нормативно-методических материалах по данной тематике

В годовом термическом цикле водохранилища выделяется пять периодов весеннее нагревание до 4°С, летнее нагревание от 4°С и выше, в этот период формируется слой температурного скачка, или "термоклин", ниже которого при прямой температурной стратификации температура воды остается постоянной, около 4°С, осеннее охлаждение до 4°С, пред-ледоставное охлаждение ниже 4°С, зимний режим под ледяным покровом с обратной температурной стратификацией, который начинается с установления ледостава на водохранилище Когда температура воды под ледяным покровом близка к нулю, а по глубине повышается, свободная конвекция отсутствует, наличие же ледяного покрова изолирует водную толщу от атмосферы и исключает ее ветровое перемешивание В самом начале этого периода вертикальные градиенты температуры невелики, затем они возрастают В водохранилищах средне- и высоконапорных ГЭС температура глубинных и придонных слоев воды практически не изменяется и остается близкой к 4° С Для таких водохранилищ также характерно образование зоны температурного скачка (термоклина) при обратной стратификации зимой Это связано с тем, что в результате расслоения находящейся в движении стратифицированной водной толщи образуются две области верхняя, быстро текущая и нижняя, застойная Верхняя область, где вода находится в движении, быстро остывает, в то время как нижняя сохраняет температуру, близкую к температуре наибольшей плотности воды Холодная вода как бы скользит по более плотным и теплым нижним слоям, а с подходом в водохранилище холодной речной воды ко времени ледостава транзитное перетекание воды в поверхностном слое заметно усиливается Такие процессы наблюдались как в глубоких водохранилищах высоконапорных ГЭС, так и в водоемах глубиной 8 - 9 м

Таким образом, на основании опубликованных материалов можно сделать следующие выводы

в водохранилищах средне- и высоконапорных ГЭС температурно-плотностная стратификация формируется аналогично естественным водоемам, причем сопровождается возникновением температурного скачка (термоклина), ниже которого температура воды остается одинаковой (около 4°С) в течение года,

имеющиеся материалы по термическому состоянию водоемов при обратной температурной стратификации позволяют получить исходные данные для исследования гидротермических процессов, происходящих в водохранилищах высоко- и средненапорных ГЭС, с целью установления критериев проектирования селективного водозабора

Исходя из этого, в рамках настоящей работы были проведены натурные наблюдения, направленные на выявление особенностей температурной стратификации в Кавшловском озере и Рощинском водохранилище, имеющих водозаборные сооружения Натурные наблюдения показали, что при обратной стратификации в водозаборные сооружения при небольших удельных расходах, которые были зафиксированы во время наблюдений, вода поступает из тех слоев, на уровне которых расположен водозабор

Для определения положения верхней границы термоклина в водохранилищах ГЭС на реках Сибири и Дальнего Востока в работе были использованы многолетние натурные данные измерений температуры воды по глубине, проводившиеся специалистами институтов «Ленгидропроект» и «Гидропроект», а также службой эксплуатации ГЭС (табл 1)

Используя эту информацию, как характерную для водохранилищ, расположенных в аналогичных климатических условиях, можно узнать минимальную и среднюю глубину верхней границы термоклина, то есть рекомендуемую при проектировании глубину, в пределах которой будет осуществляться водозабор из поверхностного слоя

Анализируя наступление периодов температурно-плотностной стратификации в водохранилищах, было определено эффективное время работы селективного водозабора, которое составило для рассматриваемых водохранилищ в среднем 9-10 месяцев в году

При анализе этих данных натурных наблюдений выяснилось, что в период наполнения некоторых водохранилищ выполнялось условие разделения слоев воды на подходе к водозабору Примерами осуществления

Таблица 1

Глубина забора воды, м

Водохранилище период прямой стратификации период стратш збратной жкации

мин сред мин сред

Колымское 4,5 20 4 7

Вилюйское 4 9 4 5,5

Саяно-Шушенское 4 19 4 6,5

Красноярское 5 18 4,5 7,5

Зейское 4 11 4 5,5

Братское 4,5 15 4,5 9

Усть-Илимское 4,5 10 4 5,5

Серебрянское 4 15 4 9

Рекомендуемое значение 4 10 4 6

при проектировании

такого селективного поверхностного водозабора могут служить водо-подводящие каналы с высокими порогами на Вилюйской ГЭС-1 и Сереб-рянской ГЭС-1. При этом наибольший эффект селективного отбора воды во время наполнения водохранилищ наблюдался в летний период при устойчивой прямой стратификации и значительном температурном расслоении по глубине и несколько меньший - в переходные периоды и зимой

В третьей главе автором выполнен обзор существующих методов расчета характеристик потока при селективном водозаборе Рассмотрены известные аналитические и экспериментальные зависимости, предложенные А Краем, Р Смутеком, А Шлагом и др

Более подробно рассмотрена формула, предложенная Р Смутеком для определения толщины слоя воды, участвующего в водозаборе, вошедшая в «Справочное пособие к СНиП 2 04 02-84 «Водоснабжение Наружные сети и сооружения» Проектирование сооружений для забора поверхностных вод»

3/5 1 5 2/5

где к - толщина слоя воды, подсасываемой в водозабор (транзитный поток в канале) из области, расположенной ниже его порога, м, q — удельный расход воды на водозаборном отверстии ( пороге водослива), м2/с, V - средняя скорость течения потока на подходном участке, м/с, р - плотность воды на нижней границе подсасываемого слоя, кг/м3, Ар - разность плотностей на уровне порога водозабора (водослива) и на нижней границе подсасываемо1 о слоя, кг/м3, g-ускорение силы тяжести, м/с2

Однако, сопоставление данных натурных наблюдений на водохранилищах Красноярской, Зейской и Вилюйской ГЭС-1 с расчетами, выполненными в институте «Ленгидропроект», показало, что эта формула имеет ограниченную область применения, и не всегда расчеты по ней приводят к правильным результатам, а дают лишь ориентировочные значения

Рассмотрен метод расчета температуры воды в водохранилище при селективном водозаборе, разработанный во ВНИИГ им,Б Е Веденеева (В Е Ляпин, Г А Трегуб и др ), который позволяет определить ход линий тока, распределение скоростей и температур по длине водохранилища при поверхностном селективном водозаборе, а также температуру воды, поступающей в нижний бьеф Проведенные исследования на экспериментальной установке Красноярской ГЭС показали, что с помощью этого метода можно определить температуру воды в верхнем и нижнем бьефах водохранилища при селективном водозаборе, однако он не определяет условий, при которых такой водозабор осуществим Удельный расход воды в экспериментах не превышал 8 м2/с, при этом разноплотностные слои разделялись, ив водо-

забор поступала вода из поверхностного слоя Однако, при удельных расходах ГЭС, превышающих экспериментальные, на подходе к водозабору неминуемо образуется депрессионная воронь а и происходит смешивание слоев Рассмотренная методика может быть применена для расчета в том случае, когда заранее установлено, что поверхностный водозабор осуществим, и слои с различной температурой в данных условиях не смешиваются на подходе

В диссертации также рассмотрены способы определения степени устойчивости разноплотностных слоев, предложенные разными авторами, и отмечено, что в настоящее время нет конкретных методов, позволяющих выяснить, смешиваются ли слои воды с разной температурой на подходе к водозабору ГЭС в условиях температурно-плотностной стратификации или нет

В результате анализа имеющихся сведений из литературных источников в качестве критерия устойчивости слоев было выбрано плотностное число Фруда

где д - удельный расход воды, /г - общая глубина, р0 - плотность воды у дна, Др - разность плотностей между поверхностью и дном, £ - ускорение свободного падения

Чиа-Шун Уи теоретически доказал возможность расслоения объема жидкости на два слоя, в одном из которых жидкость движется к водозабору, а другой неподвижен Он определил критическое значение плотностного числа Фруда, меньше которого будет происходить расслоение стратифицированной жидкости Рг" = 1 / 71 = 0,318, при этом возможен водозабор из любого слоя, а Уолтер Деблер экспериментальным путем для условий глубинного водозабора установил, что расслоение стратифицированной жидкости происходит в тех случаях, когда плотностное число Фруда будет не более 0,28 В четвертой главе приводятся результаты исследования процесса селективного отбора воды из температурно-стратифицированного водохранилища по натурным и экспериментальным данным

Для определения зависимости устойчивости слоев при поверхностном водозаборе от плотностного числа Фруда автором был проведен анализ натурных данных, содержащихся в материалах института «Ленгидропроект» по водохранилищам Зейской ГЭС, Вилюйской ГЭС-1 и Серебрянской ГЭС-1 во время их наполнения

Зейская ГЭС имеет русловую компоновку сооружений При водозаборе к турбинам рассчитанные по данным натурных наблюдений плот-ностные числа Фруда были более 0,48, при этом водозабор осуществлялся со всей глубины водохранилища

(2)

На Вилюйской ГЭС-1 и Серебрянской ГЭС-1 имеются подводящие каналы, и поэтому можно было предположить, что условия работы водозаборов этих ГЭС в первые годы эксплуатации, при небольших удельных расходах, вполне сопоставимы с условиями работы берегового селективного водозабора

Сопоставляя рассчитанные средневзвешенные значения глубины слоя, участвующего в водозаборах Вилюйской ГЭС-1 и Серебрянской ГЭС-1, и глубины подводящих каналов ГЭС, удалось установить, что при докритичес-ких плотностных числах Фруда (меньше 0,28) водозабор происходил с глубины, соизмеримой с глубиной подводящего канала При увеличении плотностного числа Фруда отмечался захват нижележащих слоев Аналогичным образом отмечалось, что на водозаборе Вилюйской ГЭС-1, вследствие инертности водных масс при изменении условий устойчивости слоев (чисел Фруда) равновесие (отсутствие захвата слоев или захват с определенной глубины) устанавливалось лишь через некоторое время, порядка одного месяца. В некоторых случаях основной забор воды происходил из слоев, расположенных выше дна канала Это связано с более активным течением воды в этих слоях. Однако, летом в водохранилище Вилюйской ГЭС, при значительном увеличении плотностного числа Фруда, забор воды осуществлялся почти из всей толщи водохранилища Из семи наблюдений на Серебрянской ГЭС-1, дважды рассчитанные плотностные числа Фруда превышали критические Именно в это время зафиксирован забор воды из слоев, расположенных ниже дна подводящего канала

Цель экспериментальных исследований, выполнявшихся в рамках диссертационной работы в лабораторных условиях, заключалась в определении критериального значения плотностного числа Фруда, при достижении которого нарушаются условия перетекания воды через водослив с тонкой стенкой из верхнего слоя температурно-стратифицированного водоема, а также в уточнении характерных особенностей формирования разноплотностных потоков на участке подхода к поверхностному водозаборному устройству Расчетная схема моделирования изучаемых процессов показана на рис 3

К р'

о

о

РисЗ Схема эксперимента

В диссертации приводится методика проведения эксперимента и ее обоснование, а также сведения об апробации этой методики

Исследования проводились на модели водозаборного устройства, находящейся в рабочей камере гидравлического лотка, схема которого представлена на рис 4,'при выполнении условий плоской задачи

В концевых частях рабочей камеры длиной 80 см, глубиной 37,0 см и шириной 26,5 см были установлены водосливной порог в виде диафрагмы высотой 17 см и козырек шириной около 10 см для разделения потока на входе потока в лоток. Расходы воды измерялись с помощью электромагнитного расходомера «Взлет ЭР» с погрешностью измерения согласно паспортным данным 1 -2%

Основным исходным условием моделирования процесса селективного отбора воды являлось обеспечение разности плотностей воды, находящейся в нижнем отсеке рабочей камеры лотка, и в текущем сверху транзитном потоке, скорость которого, а также устойчивость к перемешиванию с нижним отсеком (слоем) оперативно контролировалась Для выполнения данного условия нижний отсек рабочей камеры предварительно заполнялся подкрашенным индикатором раствором поваренной соли (с кон-

Рис 4 Схема экспериментальной установки селективного водоприемного

устройства

I - рабочая камера лотка с прозрачными боковыми стенками, 2 - торцевые стенки с сетчатыми накладками, 3 - верховая камера (форкамера), 4 - низовая камера, 5 - электромагнитный расходомер, 6 - регулируемое водосливное устройство, 7 - козырек, 8 - нижний отсек, заполненный солевым раствором до отметки гребня диафрагмы, 9 - транзитный поток воды, 10 - порог моделируемого водоприемного

устройства

центрацией, соответствующей характерной разности плотностей слоев водохранилища) Нижний отсек изолировался пленочной мембраной и наполнялся в спокойном режиме водой до заранее установленной отметки, после чего пленочную мембрану извлекали, обеспечивая, тем самым, гидравлически свободный контакт между сформированными разноплот-ностными слоями Затем включалась система подачи воды, поступавшей через расходомер в камеру "верхнего бьефа", откуда, через успокоительный сетчатый фильтр," в рабочую камеру" потока, где и формировался транзитный поток, также через сетчатый фильтр, перетекавший в камеру "нижнего бьефа" и далее - в водосливное устройство

В это время регистрировались расходометрические, колориметрические и температурные характеристики транзитного потока с целью определения, по мере увеличения его скорости, начальной стадии перемешивания Полученные таким образом сведения об условиях обеспечения селективности (автономности) транзитного потока использовались затем для вычисления плотностных чисел Фруда, соответствующих стадиям развития процесса смешивания слоев

Таким образом в процессе эксперимента удалось выделить режимы устойчивого равновесия (когда разноплотносткые слои разделяются и не смешиваются) при Рг" < 0,22, неустойчивого равновесия (с частичным захватом нижнего слоя воды) при 0,22 < Рг" < 0,28 и нарушения устойчивости при Рг" > 0,28

В пятой главе приводятся выводы, методика расчета параметров селективных водозаборных устройств ГЭС, а также описание предлагаемого в работе нового технического решения — селективного водозаборного устройства

Учитывая характерные особенности формирования гидротермических режимов водохранилищ ГЭС, построенных на реках Сибири и Дальнего Востока, проектирование селективных водозаборных сооружений для будущих электростанций рекомендуется осуществлять в предлагаемой ниже последовательности

1 Определяют проходящий через все турбины расход воды <2 ~ №'(8-10) Н , м3/с - по заранее установленным энергетическим параметрам ГЭС - мощности N, кВт и напору //, м

2 Находят критический удельный расход а , при котором плотност-

кр

ное число Фруда меньше критического Рг"< 0,28

(3)

где Др = рн - р0, /г - глубина перед плотиной, м

При этом задаются предварительно определяемой расчетной температурой верхнего и нижнего слоев (например, для зимних условий температуре поверхностного слоя воды 0° С соответствует плотность р = 999,87 кг/м\ для летних условий такую плотность вода имеет при температуре 8°С, температура нижнего слоя 4°С, при этом ее плотность рн= 1 ООО кг/м\ Др = рн - рв = 0,13 кг/м3)

3 Для определения положения гребня затвора водозаборного устройства используют рекомендуемую глубину забора воды из поверхностного слоя водохранилища, приведенную в табл 2, среднюю для периодов прямой и обратной стратификации Если необходимо соблюдение более жестких экологических требований по приближению термического режима водотока в нижнем бьефе к природному, в расчетах принимают минимальную глубину водозабора

Таблица 2

Рекомендуемая глубина забора воды из поверхностного слоя

водохранилища

Глубина забора воды, м

период прямой стратификации период обратной стратификации

мин сред мин сред

4 10 4 6

В том случае, если необходим расчет глубины поверхностного водозабора по месяцам, используют известные методики (например, Рекомендации по термическому расчету водохранилищ П 78-79/ВНИИГ) с уточнением по аналогам распределения температуры по глубине в годовом разрезе По построенным эпюрам находят глубину слоя для получения необходимой температуры

4 По известному критическому удельному расходу д^ (3) определяют в первом приближении суммарную ширину подводящего канала или водозаборного отверстия при прямоточной с хеме

£=е/<?кр (4)

5 Исходя из оптимальной ширины каждого пролета, перекрываемого шиберным затвором (в случае необходимости), находят общее число пролетов в водозаборном сооружении, после чего выбирают наиболее подходящую для данных конкретных условий схему конструктивного обустройства сооружения (прямоточного или деривационного типа) При этом также решают вопрос о целесообразности использования данного сооружения как дополнительного эксплуатационного водосброса, который наиболее удачно вписывается в схему селективного водозаборного сооружения деривационного типа

В качестве примера использования данной методики приводится расчет параметров селективного поверхностного водозабора для Мокской ГЭС В диссертационной работе предложено новое техническое решение сечективное водозаборное устройство Данная разработка (приоритет «Роспатент» от 01 03 2007 г) может быть использована в целях поддержания близкого к природному гидротермического режима водотока в нижнем бьефе ГЭС, расположенной в климатической зоне с резко выраженными сезонными циклами, например, на реках Сибири, Дальнего Востока или Кольского полуострова (рис 5)

Селективное водозаборное устройство с деривационными каналами, ступенчато расположенными на затопленной водохранилищем бере-

Нижний бьеф

ЧТ-Л-ГН

ООО

I! \ ! I l I 1 I I -Г^М

Рис 5 Схема селективного водозаборного устройства с подводными деривационными каналами 1 - затогпенный водохранилищем участок береговой террасы 2 и 3 ~ подводные деривационные каналы, 4 - затворы в устьевых участках каналов, с помощью которых регучнруется водоприток в распределительный кочлектор 5, 6 - здание ГЭС, 7 - грунтовая плотина, § - водосливная плотина, входящая в состав водоподпорных сооружений гидро>зги, Г - запубление верхней границы термоклина

говой террасе 1 таким образом, что после наполнения водохранилища технологическая вода, направляемая в турбинные тракты здания ГЭС, притекает из поверхностных его слоев в первый, самый верхний подводный деривационный канал 2, огражденный горизонтальными бровками, находящимися на отметках заглубления характерного для данного водохранилища температурного скачка - термоклина Все это происходит при закрытых затворах другого ниже расположенного подводного деривационного канала 3 Начальный цикл работы данного устройства, продолжается до тех пор, пока вследствие постепенного опорожнения водохранилища, не исчерпывается водозахватная способность подводного деривационного канала 2 Затем путем открытия затвора в работу включается подводный деривационный канал 3, обе горизонтальные бровки которого находятся ниже бровок подводного деривационного канала 2 — на уровне опустившегося к этому времени термоклина в водохранилище

При глубокой сработке водохранилища, превышающей двойной интервал температурной его стратификации используется дополнительный деривационный канал

Суть предлагаемого селективного водозаборного устройства состоит в упрощении его конструкции и снижении стоимости сооружения, а также текущих затрат при его эксплуатации

Этого можно достигнуть, в тех случаях когда прилегающие к гидроузлу участки водохранилища представлены затопленными (даже при уровне его «мертвого объема») прибрежными террасами со ступенчато расположенными на них подводными деривационными каналами с горизонтальными бровками, через которые, с обеих сторон будет осуществляться боковой селективный водоприток в работающий канал из верхнего слоя водохранилища Далее, минуя открытое затворное устройство, находящееся в конце канала, вода из него поступает в напорный распределительный коллектор и затем в турбинные тракты, расположенные в нижнем бьефе здания ГЭС

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты диссертационной работы состоят в следующем 1 Выполнен аналитический обзор существующих предложений по регулированию термического режима в нижнем бьефе ГЭС, который показал, что в большинстве случаев наиболее эффективным средством обеспечения экологически благоприятного состояния водотока в нижних бьефах ГЭС, расположенных в климатических условиях с сезонными циклами, является селективный забор воды из находящегося выше термоклина слоя водохранилища (кроме отдельных случаев устройства контрбьефа)

2 Установлено, что селективный забор воды из температурю) стратифицированных водохранилищ возможен лишь при удельных расходах не превышающих 5-7 м2/с, в связи с чем соответствующие водозаборные устройства можно разместить в пристанционном (прямоточном) варианте, если суммарная мощность агрегатов ГЭС не превосходит 300 - 500 МВт Если удельные расходы при водозаборе превышают 5-7 м2/с, рекомендуется применять деривационное селективное водозаборное устройство, конструкция которого ранее разработана во ВНИИГ им Б Е Веденеева, и соответственно, береговую компоновку гидротехнических сооружений ГЭС

3 Проведены экспериментальные и натурные исследования для подтверждения эффективности работы предлагаемого водозаборного устройства, причем для экспериментального изучения процесса поверхностного селективного водозабора из температурно-стратифицированного водохранилища была разработана соответствующая методика

4 Показана целесообразность использования плотностного числа Фруда для оценки устойчивости слоев воды при поверхностном водозаборе на основе экспериментальных и натурных исследований. Подтверждено, что критическое значение плотностного числа Фруда равно 0,28

5 Получена рекомендуемая глубина для проектирования поверхностных водозаборных сооружений на реках Сибири и Дальнего Востока

6 Разработана методика расчета параметров поверхностных селективных водозаборных устройств ГЭС

7 Разработано в новой модификации селективное водозаборное устройство деривационного типа, имеющее в определенных топографических условиях явные преимущества по сравнению с известными конструктивно более сложными устройствами аналогичного назначения

В задачу настоящей работы не входили вопросы взаимодействия селективного водозабора и конкретного водохранилища, связанные с рассмотрением гидравлического и теплового сопряжения водохранилища с водозабором, а именно

будет ли поддерживаться температура выбранного слоя с течением времени,

как отреагирует водохранилище на работу водозабора

Решение вопросов адаптации селективного водозаборного устройства к гидрологическим и морфометрическим условиям будущего водохранилища, включая оценку зоны термического влияния проектируемой ГЭС со стабильно работающим селективным водозаборным устройством -задача дальнейших исследований

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1 Ладенко СЮ Учет особенностей формирования температурно-плотностной стратификации при конструировании селективных водозаборов ГЭС//Известия ВНИИГ им БЕ Веденеева 2006 'Г 245 С 233-236

2 Жиленков В Н, Ладенко С Ю. Концептуальные аспекты решения проблемы регулирования термического режима водотока в нижнем бьефе высоконапорного гидроузла (Применительно к строительству ГЭС на реках Сибири) // Труды научно-технической конференции «Гидроэнергетика Новые разработки и технологии» С-Пб 2005 Т2 С 485-498

3 Жиленков В Н , Ладенко С Ю, Регулирование термического режима водотока в нижнем бьефе ГЭС на реках Сибири // Гидротехническое строительство 2007 №4 С 10-17

4 Жиленков В Н, Ладенко С Ю О некоторых особенностях формирования разноплотностных течений в проточных водоемах (к решению проблемы селективных водозаборных устройств ГЭС) // Известия ВНИИГ им Б Е Веденеева 2007 Т 246 С 128-135

Типография ОАО "ВНИИГ им Б Е Веденеева" Объем 1,0 п л Тираж 100 Заказ 6

ПРЕДИСЛОВИЕ.

ВВЕДЕНИЕ.

1. КРАТКИЙ АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР РАНЕЕ ПРЕДЛОЖЕННЫХ РЕШЕНИЙ

ПРОБЛЕМЫ ОПТИМИЗАЦИИ ТЕРМИЧЕСКОГО РЕЖИМА ВОДОТОКА В НИЖНЕМ БЬЕФЕ ГЭС.

1.1. Общие сведения.

1.2. Предложения по оценке эффективности регулирования термического режима водотока компенсационными мероприятиями.

1.3. Примеры водозаборных устройств и предложения, основанные на принципе селективности.

1.4. Обобщения, выводы и постановка задачи исследований.

2. ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРНО-ПЛОТНОСТНОЙ

СТРАТИФИКАЦИИ ВОДОХРАНИЛИЩ С СЕЗОННЫМ ЦИКЛОМ.

2.1. Анализ сведений, содержащихся в публикациях.

2.2. Натурные наблюдения на водохранилищах Ленинградской области.

2.3. Исследования термического режима водохранилищ Сибири и Дальнего Востока за многолетний период для определения глубины поверхностного слоя

2.4. Исследование изменений термического режима в нижних бьефах эксплуатируемых ГЭС Сибири и Дальнего Востока.

3. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ РАСЧЕТА

СЕЛЕКТИВНОГО ВОДОЗАБОРА.

3.1. Определение положения границы раздела разноплотностных слоев при поверхностном водозаборе.

3.2. Определение степени устойчивости разноплотностных слоев при водозаборе

4. ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА СЕЛЕКТИВНОГО ОТБОРА ВОДЫ ИЗ

ТЕМПЕРАТУРНО-СТРАТИФИЦИРОВАННОГО ВОДОХРАНИЛИЩА ПО НАТУРНЫМ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫМ ДАННЫМ.

4.1. Исследования процесса селективного водозабора по натурным данным.

4.2. Экспериментальные исследования процесса селективного отбора воды из температурно-стратифицированного водохранилища.

Цель данной работы заключалась в поиске новых, более эффективных, решений актуальной для отечественной гидроэнергетики проблемы экологически приемлемого регулирования термического режима водотоков в нижних бьефах ГЭС, намечаемых к строительству на реках Сибири и Дальнего Востока.

Исследования по обоснованию предлагаемых решений выполнялись в течение последних трех лет в двух лабораториях ОАО «ВНИИГ им.Б.Е.Веденеева»: Проблемной и Фильтрационных исследований под руководством доктора технических наук, профессора В.Н.Жиленкова, которому автор выражает свою признательность. За поддержку в работе автор благодарен заведующему Отделом оснований и подземных сооружений ОАО «ВНИИГ им.Б.Е.Веденеева» к.т.н. С.В. Сольскому, а за техническое обеспечение лабораторных экспериментов - В.М.Князеву, Л.И.Ладенко.

Неоценима помощь в подборе исходных материалов зав. группой ледотермических расчетов Комплексного Отдела Изысканий института «Ленгидропроект» Л.И.Сулимовой, в критическом рассмотрении полученных результатов - зав.лабораторией ледотермики ОАО «ВНИИГ им.Б.Е.Веденеева» к.т.н. Г.А.Трегуб, ведущего научного сотрудника, к.т.н., И.Н.Шаталиной, главного научного сотрудника, д.т.н. В.И.Климовича, ведущего научного сотрудника, к.т.н., Т.Б.Ищук. Также благодарю всех, проявивших интерес к этой работе.

Личный вклад автора

• Подборка, систематический анализ и обобщение результатов натурных наблюдений за гидротермическим состоянием водохранилищ эксплуатируемых ГЭС на реках Сибири.

• Составление аналитического обзора существующих предложений по регулированию термического режима водотока в нижнем бьефе ГЭС.

• Участие в разработке новых подходов к решению рассматриваемой проблемы на основе выбранной модели селективного водозабора.

• Проведение натурных наблюдений за условиями формирования разноплотностных течений в проточных водоемах с целью определения критериальных значений плотностного числа Фруда.

• Участие в разработке методики и проведении лабораторных экспериментов.

• Анализ и обобщение результатов исследований, а также подготовка их к опубликованию.

ВВЕДЕНИЕ

В декларированной экологической политике РАО «ЕЭС России» [178] определены принципы, задачи и основные направления деятельности Компании в области охраны окружающей среды и обеспечения экологической безопасности, в числе которых:

- учет приоритета экологической безопасности как составляющей части национальной безопасности;

- научная обоснованность экологической политики и развитие научных исследований в области охраны окружающей среды в электроэнергетике;

- приоритет принятия предупредительных мер над мерами по ликвидации экологически негативных воздействий.

Представленные исследования, выполненные с целью разработки эффективных средств регулирования термического режима водотоков в нижних бьефах ГЭС на реках Сибири и Дальнего Востока (в регионах с резко выраженными сезонными циклами), в полной мере соотносятся с этими принципами, а также - с тематикой «Проблемы управления воздействиями в нижних бьефах при эксплуатации гидроузлов», входящей под номером Q.85 в перечень вопросов, обсуждаемых на конгрессах Международной комиссии по большим плотинам (ICOLD) с самого начала ее деятельности.

Эксплуатация высоко и средненапорных ГЭС в условиях Сибири и Дальнего Востока наряду с экономическими и хозяйственными выгодами приводит к ряду негативных экологических последствий как в верхних, так и в нижних бьефах гидроузлов: повышение испарения в водохранилище из-за задержки теплового стока, цветение синезеленых водорослей, ухудшение качества воды в верхнем бьефе, существенное изменение температурного и ледотермического режима реки в нижнем бьефе. Это влечет за собой ухудшение микроклимата прибрежной территории и оказывает негативное влияние на речную флору и фауну. Степень такого влияния зависит от мощности ГЭС, размеров и проточности водохранилища, и это необходимо учитывать при выборе оптимальных решений для проектирования и эксплуатации ГЭС.

Исследования изменений ледового и термического режима водотока после строительства ГЭС проводились в институте «Гидропроект», Государственном гидрологическом институте, Красноярском университете и других организациях. Известны работы Ю.И.Подлипского, В.В.Пиотровича, К.И.Россинского, Я.Л.Готлиба, Н.М.Сокольникова, В.МЖидких, С.Н.Назаренко, И.В. Космакова и др.

Проблемы выявления, анализа и учета экологических факторов при выборе режимов работы ГЭС исследовались в Санкт-Петербургском государственном Политехническом университете М.П.Федоровым, Н.В.Арефьевым, Н.И.Хрисановым и др. Н.В.Арефьев [172] подразделяет экологические факторы на управляемые, опосредованно управляемые и неуправляемые. Управляемыми факторами являются, в частности, расход воды, поступающей в нижний бьеф, уровни воды в водной системе. Параметры гидротермического режима относятся к опосредованно управляемым факторам, поскольку регулирование значений этих параметров в сторону улучшения ситуации зависит, в основном, от температуры воды на входе в водоприемник, что определяется условиями водозабора.

Как известно, одной из причин изменения температурного режима водотока в нижнем бьефе гидроузла, является забор воды к турбинам из глубоких слоев стратифицированного водохранилища. Это обусловлено тем, что, с учетом сработки водохранилища в зимний период, водоприемники турбинных трактов ГЭС располагают на низких отметках, где температура забираемой воды обычно не превышает 4+5 °С и не опускается ниже 3°С. По этой причине зимой в реке ниже гидроузла образуется многокилометровая полынья, и в морозные дни над рекой наблюдается густой туман. Летом на том же участке вода в реке оказывается более холодной, что вызывает глубокое угнетение всей экосистемы.

Предусмотреть и минимизировать возможные негативные воздействия строительства ГЭС на изменение температуры в нижнем бьефе необходимо еще на стадии проектирования. В последнее время, как показано в работе Н.В.Арефьева [172], с появлением предложений конструкций селективных водоприемников диапазон управления экологическими факторами ГЭС, в частности созданием приемлемого гидротермического режима в нижнем бьефе, существенно расширился. Однако в настоящее время возможности ГЭС по управлению гидротермическим режимом водотока еще недостаточны.

Конкретно, разработанные средства регулирования термического режима водотока эксплуатируемого гидроузла должны обеспечить поступление в турбинные тракты воды из поверхностных слоев водохранилища, прогретых в летний период и наиболее холодных зимой, тогда условия формирования термического режима водотока в верхнем и нижнем бьефах гидроузла будут близки к природным. Прежде всего, появляется возможность уменьшить протяженность незамерзающей полыньи и тем самым предотвратить образование в сильные морозы плотного тумана, оказывающего на больших по площади участках прибрежных территорий неблагоприятное воздействие на окружающую среду, главным образом - на условия проживания населения, а также на животный и растительный мир [35,97,99,101,172].

Протяженность полыньи в нижнем бьефе и, соответственно, масштаб воздействий иллюстрируется данными, приведенными в табл. 1.

Таблица 1

Минимальная и максимальная наблюденная длина полыньи в нижнем бьефе (ВНИИГ им.Б.Е.Веденеева, РД 153-34.2-02.409-2003, [108])

ГЭС Минимальная длина полыньи, (холодная зима), км Максимальная длина полыньи, (теплая зима), км

Рыбинская 0,5 90

Нижегородская 0,7 50

Новосибирская 1 110

Иркутская 4,2 53

Братская 20 95

Усть-Илимская 3 52

Зейская 22 52

Цимлянская 0,2 83

Актуальность работы

Не имеющая приемлемого решения проблема регулирования гидротермики нижнего бьефа проектируемых гидроузлов, часто являлась «камнем преткновения» при обосновании целесообразности их строительства. Тем более, данная проблема приобретет особую остроту в будущем, когда возобновится строительство крупных гидроузлов на реках Сибири.

Чтобы представить себе актуальность исследований в этом направлении, приведем лишь одну выдержку из решения комиссии Сибирского отделения АН СССР, рассматривавшей технико-экономическое обоснование проекта Туруханской ГЭС [47], где в категоричной форме сказано, что «.последствия создания высоконапорных плотин (точнее, по сути, гидроузлов, - авт.) так ужесточают микроклимат, так угнетают экосистему реки, так резко ухудшают условия жизни человека на ее берегах, что дальнейшее строительство плотин этой конструкции, образующих незамерзающую полынью в нижнем бьефе на сотни километров, следует считать недопустимым».

В настоящее время экологические проблемы строительства гидроэлектростанций в Сибири и на Дальнем Востоке стоят достаточно остро вследствие накопленного неблагоприятного опыта эксплуатации крупных ГЭС, изменяющих климат на прилегающей территории. Отсутствие обоснованных и практически приемлемых решений может привести к отказу от размещения ГЭС в этих районах, что негативно скажется на развитии экономики региона, где необходимо строительство электростанции. В связи с этим, на сегодняшний день возникла необходимость разработки более эффективных средств (способов), используя которые можно подойти к решению вопросов, затрагивающих экологию, экономику и социальную среду.

Можно утверждать, что избирательный, или, как принято говорить, селективный отбор «рабочей» воды из температурно стратифицированного водохранилища является в большинстве случаев наиболее эффективным средством обеспечения приемлемого по экологическим показателям температурного режима водотока в нижнем бьефе эксплуатируемого гидроузла(исключая отдельные случаи устройства контрбьефа).

Однако, селективной отбор воды при значительных ее расходах, характерных для большинства ГЭС, находящихся на крупных реках, осуществить не так просто. Особенно, при «традиционной» компоновке сооружений гидроузла, когда здание ГЭС размещают в общем створе напорного фронта, а водоприемники турбинных трактов заглубляют, с учетом сработки водохранилища, до отметок где, вследствие плотностной стратификации, температура воды существенно отличается от температуры в поверхностных слоях.

В связи с этим во многих случаях (ориентировочно, при напорах до 100 м и установленной мощности станции более 500 МВт) ширина водозаборного устройства, расположенного в пределах участка перед зданием ГЭС, может оказаться недостаточной по условию ограничения удельных расходов, при которых обеспечивается селективный водо-приток из поверхностных слоев водохранилища.

Также можно указать на недостаточный, в целом, опыт наших предшественников [3,5,6,7,8 и др.], пытавшихся разработать в пристанционном варианте конструктивно очень сложные водозаборные устройства селективного типа для высоконапорных ГЭС, но оказавшиеся совершенно не приспособленными к условиям эксплуатации, в частности, воздействию ледовых полей.

В такой ситуации явственно обозначилась необходимость поиска новых схем компоновки сооружений гидроузла, в состав которого должно самостоятельно входить селективное водозаборное сооружение, расположенное на берегу водохранилища или на затопляемой им береговой террасе.

Для обеспечения селективного водозабора в реальных условиях при расходах высоко и средненапорных ГЭС порядка 1000 м3/с эффективность работы водозаборного сооружения может быть обеспечена лишь при выполнении условий:

- поступления в водозаборное сооружение воды из поверхностного слоя,

- сохранения в водохранилище условия устойчивости слоев с различной температурой.

Цель и задачи работы

Цель данной работы заключалась в поиске новых, более эффективных, решений экологически приемлемого регулирования термического режима водотоков в нижних бьефах ГЭС, намечаемых к строительству на реках Сибири и Дальнего Востока. В соответствии с этим были поставлены и решены следующие задачи.

1. Проведение аналитического обзора зарубежного и отечественного опыта в области разработок средств по регулированию термического режима в нижнем бьефе ГЭС с целью определения наиболее перспективных решений.

2. Выявление характера температурной стратификации, а также изменения ее во времени на основе систематического анализа и обобщения результатов натурных наблюдений за гидротермическим состоянием водохранилищ эксплуатируемых ГЭС на реках Сибири.

3. Установление по данным натурных наблюдений оптимальной глубины поверхностного забора воды из водохранилищ, а также эффективного периода работы селективного водозаборного сооружения.

4. Разработка рекомендаций по оптимальной глубине водозабора для водохранилищ ГЭС рек Сибири.

5. Критический обзор известных по литературным источникам расчетных методик определения условий сохранения устойчивости (несмешиваемости) слоев с различной температурой и выбор критерия устойчивости слоев при водозаборе.

6. Обоснование предлагаемого критерия устойчивости слоев по данным натурных наблюдений и экспериментальных исследований.

7. Разработка расчетной методики определения параметров селективных водозаборных устройств ГЭС.

Методы исследований

- Обзор рекомендуемых технических средств и расчетных методик определения гидравлических критериев для проектировании селективного водозаборного устройства.

- Анализ и обобщение материалов натурных наблюдений за гидротермическим состоянием водохранилищ высоко и средненалорных ГЭС.

- Натурные наблюдения за условиями формирования разноплотностных течений.

- Экспериментальные исследования на модели разноплотностных течений.

Достоверность результатов

Аналитический обзор существующих предложений по регулированию термического режима в нижнем бьефе ГЭС подтвердил, что в настоящее время наиболее перспективным решением для ГЭС мощностью свыше 300-500 МВт является конструкция берегового селективного водозабора, позволяющая за счет увеличения водоприточного фронта снизить удельный расход.

Методика расчета параметров селективного водозаборного устройства ГЭС, разработанная в диссертации, подтверждена результатами экспериментальных исследований и расчетов, выполненных при анализе натурных данных.

Научная новизна работы заключается:

1. В обосновании конструкции деривационного селективного водозаборного сооружения берегового типа как наиболее перспективной для ГЭС мощностью от 300-500 МВт и выше, позволяющей за счет увеличения водоприточного фронта сооружения уменьшить удельные расходы воды, что дает возможность обеспечить устойчивость разделения слоев при селективном водозаборе и поддерживать термический режим нижнего бьефа близким к природному. В том случае, если установленная мощность средненапорной (Н<50 м) ГЭС не превышает 300-500 МВт, возможным и более приемлемым по технико-экономическим показателям может оказаться вариант селективного водозаборного устройства не деривационного, а пристанционного (прямоточного) типа.

Таким образом, предлагаются две принципиально разных по компоновке схемы водозаборных устройств селективного типа: прямоточная и деривационная, каждую из которых следует выбирать в зависимости от гидрологических характеристик и топографии в створе гидроузла, мощности ГЭС, напора и других менее значимых параметров, какие обычно учитываются при ее проектировании и эксплуатации.

2. В разработке методики расчета параметров селективных водозаборных устройств ГЭС и подтверждении ее натурными и экспериментальными данными. В результате анализа наступления периодов температурно-плотностной стратификации в водохранилищах на реках Сибири получены исходные данные для проектирования селективного водозаборного сооружения, а именно рекомендуемая глубина, при которой осуществляется забор воды из поверхностного слоя. В качестве показателя устойчивости селективного забора воды предлагается использовать плотностное число Фруда, критическое значение которого, подтвержденное результатами наших исследований, равно 0,28.

Практическая ценность и реализация работы

Практическая ценность работы заключается в том, что разработанная в диссертации методика расчета параметров селективного водозаборного устройства позволит обосновать внедрение селективных водозаборных сооружений берегового типа на проектируемых гидроэлектростанциях Сибири и Дальнего Востока (в районах с резко выраженными сезонными циклами) и тем самым снизить экологическую напряженность в нижнем бьефе ГЭС и сделать более комфортными условия проживания населения на этих территориях.

При технико-экономическом обосновании строительства гидроэлектростанций в составе Южно-Якутского энергокомплекса будут рассмотрены варианты компоновки сооружений гидроузлов с береговыми селективными водоприемниками, расчет параметров которых будет выполняться по предлагаемой в диссертации методике.

Апробация работы

Основные положения диссертации докладывались на научно-технической конференции «Гидроэнергетика. Новые разработки и технологии», 7-9 декабря 2005 г., проведенной ОАО «ВНИИГ им.Б.Е.Веденеева» совместно с ОАО РАО «ЕЭС России», ОАО «ГидроОГК», НП «Гидроэнергетика России», а также на секциях Ученого совета ВНИИГ им. Б.Е.Веденеева в 2006 и 2007 гг.

Публикации

По теме диссертационной работы автором опубликовано 4 статьи.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из предисловия, введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 210 наименований и четырех приложений. Работа изложена на 125 страницах, содержит 46 рисунков и 18 таблиц.

Направление диссертационной работы является продолжением многолетних исследований по проблеме обеспечения селективного поверхностного водозабора высоко- и средне-напорных ГЭС с целью обеспечения экологически приемлемого режима в нижнем бьефе гидроузлов, проводившихся во ВНИИГ им.Б.Е.Веденеева учеными и специалистами института -В.Е.Ляпиным, Г.А.Трегуб, И.Н.Шаталиной, А.Г.Василевским, И.И.Макаровым, КЛ.Кинд, Е.Л.Разговоровой, А.Г.Аверкиевым, В.Н.Карновичем, В.Н.Жиленковым и др. Работа выполнялась в рамках НИОКР Проблемной лаборатории ОАО «ВНИИГ им.Б.Е.Веденеева» в течение 2005-2006 гг. по теме «Определение экспериментальными и расчетными методами гидравлических критериев проектирования селективных водоприемников высоконапорных гидроэлектростанций».

Следует отметить, что в процессе выполнения данной работы удалось найти новые подходы к решению рассматриваемой экологической проблемы, являющейся сдерживающим фактором в дальнейшем развитии гидроэнергетического строительства в России.

Конкретно, имеется в виду установленная нами возможность осуществления селективного водоотбора путем устройства на соответствующих отметках затопленной водохранилищем береговой террасы подводных деривационных каналов, сообщающихся через регулирующие водоприток затворы с турбинными трактами ГЭС. В настоящее время данное техническое решение изобретательского уровня представлено к защите патентом (приоритет «Роспатент» от 01.03.2007 г.).

На защиту выносятся:

1. Методика проведения лабораторных экспериментов с разделением разноплотност-ных слоев и полученные в ходе эксперимента результаты.

2. Методика расчета параметров поверхностного селективного водозаборного устройства ГЭС.

3. Научно обоснованные критерии проектирования поверхностных селективных водозаборных устройств - рекомендуемая глубина водозабора и критическое плот-ностное число Фруда как показатель устойчивости слоев воды с разной температурой.

4. Новое техническое решение - селективное водозаборное устройство деривационного типа, имеющее в определенных топографических условиях преимущества по сравнению с ранее разработанными конструкциями.

Основные результаты диссертационной работы состоят в следующем.

1. В работе выполнен аналитический обзор существующих предложений по регулированию термического режима в нижнем бьефе ГЭС, который показал, что в большинстве разместить в пристанционном (прямоточном) варианте, если суммарная мощность агрегатов ГЭС не превосходит 300-500 МВт.

3. Если удельные расходы при водозаборе превышают 5-7 м2/с, рекомендуется применять деривационное селективное водозаборное устройство, конструкция которого ранее разработана во ВНИИГ им.Б.Е.Веденеева, и соответственно, береговую компоновку гидротехнических сооружений ГЭС.

4. Для подтверждения эффективности работы данного водозаборного устройства в процессе диссертационной работы были проведены экспериментальные и натурные исследования, причем для экспериментального изучения процесса поверхностного селективного водозабора из температурно-стратифицированного водохранилища была разработана соответствующая методика.

5. На основе экспериментальных и натурных исследований показана целесообразность использования плотностного числа Фруда для оценки устойчивости слоев воды при поверхностном водозаборе. Подтверждено, что критическое значение плотностного числа Фруда равно 0,28.

6. В результате анализа наступления периодов температурно-плотностной стратификации в водохранилищах на реках Сибири получены исходные данные для проектирования селективного водозаборного сооружения, а именно - эффективное время работы селективного водозабора и рекомендуемая глубина, в пределах которой осуществляется забор воды из поверхностного слоя.

7. Разработана методика расчета параметров поверхностных селективных водозаборных устройств ГЭС.

8. Разработано в новой модификации селективное водозаборное устройство деривационного типа, имеющее в определенных топографических условиях явные преимущества по сравнению с известными конструктивно более сложными устройствами аналогичного назначения

В задачу настоящей работы не входили вопросы взаимодействия селективного водозабора и конкретного водохранилища, связанные с рассмотрением гидравлического и теплового сопряжения водохранилища с водозабором, а именно:

- будет ли поддерживаться температура выбранного слоя с течением времени,

- как отреагирует водохранилище на работу водозабора.

Решение вопросов адаптации селективного водозаборного устройства к гидрологическим и морфометрическим условиям будущего водохранилища, включая оценку зоны термического влияния проектируемой ГЭС со стабильно работающим селективным водозаборным устройством - задача дальнейших исследований.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Ас. (РФ) 94015124 А1 6 Е 02 В 9/04 Способ регулирования температурного режима воды в нижнем бьефе гидротехнического сооружения/Кореньков В.А., Ягин В П // Б.И. 1996 №20. С. 124

2. А. с (РФ) 95100350 А1 6 Е 02 В 9/04 Способ получения природных температурных режимов воды с выхода Красноярской и иных ГЭС, компрессорный водоприемник/Вербицкий А.П//Б И. 1999 №9 С 101.

3. Ас (СССР) 1158668 А Е 02 В 9/04 Водоприемник для забора воды из поверхностных слоев водохранилища/ Григорьев ЮА., Колосов М.А, Ларионов С В.//Б И 1985. №20. С 12

4. А. с. (СССР) 1788138 А1 Е 02 В 9/04 Способ сохранения естественного ледового и термического режимов гидротехнических объектов/ Карнович В.Н. Василевский А Г , Дебольский В.К., Михайлов Л П и др.//Б.И. 1993. №2 С 118

5. А. с. (СССР) 1588835. А1 Е 02 В 9/04. Водозаборное сооружение/ Пахомов В А Пахомова З.А //Б И. 1990. №32 С 121.

6. А. с (СССР) 1700136 А1 Е 02 В 9/04 Водоприемник для забора воды из поверхностных слоев водохранилища/ Ушаков Г.Г.//Б.И. 1983. №26.

7. А. с. (СССР) 1701813 А1 Е 02 В 9/04 Водозаборное устройство/ Осадчий С.Д Га-лат В.В //Б И 1991. №48. С. 104

8. А. с (СССР) 1789590 А1 Е 02 В 9/04. Водоприемник бетонной плотины/ Броди-лов А.С.//Б И. 1993. №3. С.75.

9. Ас (СССР) 1798427 А1 Е 02 В 9/04. Способ регулирования температурного режима воды в нижнем бьефе гидротехнического сооружения/ Никитин В.В , Каган А.А.//Б.И 1993 №8 С 96

10. А. с. (СССР) 1808904 А1 Е 02 В 9/04. Способ селективного водозабора водохранилища со стратификацией температуры по глубине и устройство для его осуществления/ Ляхтер В М //Б И. 1993. №14. С. 102

11. А. с. (СССР) № 1807158 А1 Е 02 В 9/04 Водозаборное устройство для регулирования температуры воды в нижнем бьефе водохранилища/ Галат В В. Осадчий С.Д//Б И 1993. №13 С.99

12. А с (СССР) 1555420 А1 Е 02 В 9/04 Водоприемник для забора воды из поверхностных слоев водохранилища/Скрыльников В.А //Б И 1990 №13. С 137.

13. А с. (СССР) 1028766 А1 Е 02 В 9/04 Водоприемник для забора поверхностных вод/Григорьев Ю.А , Ляпин В Е., Придорогин В.М //Б И 1983. №26. С.91

14. А.с №417574 А1 Е 02 В 9/04 Водоприемник/ Куркчьян В А., Жуковский В Ф., Неровный М.Т., Юрков В.Е //Б И 1976. С.96.

15. Ас (СССР) №746029 А1 Е 02 В 9/04 Водоприемник турбинного водово-да/Стеганцев В.П.//Б.И. 1980. №25. С 150.

16. А.с. (СССР) 1686067 А1 Е 02 В 9/04 Водоприемник для селективного водозабора/Иванов Н А., Ляхтер В.М., Синявский С В //Б И 1991 №116.

17. Ас (СССР) 1167264 А Е 02 В 9/04 Водоприемное устройство/Воронин Е.А., Масликов В И., Федоров М.П.//Б И. 1985. №26 С.123.

18. Ас (СССР) 1749368 А1 Е 02 В 9/04 Водоприемник бетонной плотины для забора воды из поверхностных слоев водохранилища/ Евстратов Ю.И., Бычков В В , Екимов Ю.Ф.//Б.И 1992. №27. С. 100

19. А.с. (СССР) 1761860 А1 Е 02 В 9/04 Способ регулирования температуры воды в нижнем бьефе ГЭС и теплообменное устройство для его осуществле-ния/И.Ф.Савченко//Б.И. 1992. №34. С.121.

20. Авакян А Б., Шарапов В А Водохранилища гидроэлектростанций СССР. М.: Энергия. Изд 3. 1977 399 с.

21. Аверкиев А Г , Макаров И.И , Синотин В И . Бесплотинные водозаборные сооружения. Л • Энергия 1969. 163 с.

22. Анисимов Н И. Водохранилищные плотины. М.:ОГИЗ-ГОСТРАНСИЗДАТ. 1931 344 с.

23. Арефьев Н.В., Добрынин С Н., Тихонова Т.С. Информационно-аналитическое обеспечение безопасности энергетических объектов. Учеб. пособие, СПб : Изд-во СПбГТУ. 2004. 260 с.

24. Арефьев Н.В. Обоснование режимов работы энерго-водохозяйственных комплексов/В кн.: Экология использования возобновляющихся источников Л Изд-во ЛГТУ. 1991. С. 196-204

25. Беленький Ф.Л. Монтаж экспериментальной установки для селективного забора воды// Гидротехническое строительство. 1993. №6. С.20-23.

26. Белолипецкий В.М , Кореньков В А , Костюк В.Ю. Исследование гидротермического режима в приплотинной части водохранилища Красноярской ГЭС (натурные наблюдения, математические модели). Препринт ВЦ СО АН СССР №20 Красноярск. 1983 36 с.

27. Белолипецкий В М., Кореньков В.А., Туговиков В.Б Исследование гидротермического режима нижнего бьефа Красноярской ГЭС (натурные наблюдения, численный эксперимент) Препринт ВЦ СО АН СССР №17. Красноярск. 1986 32 с.28.