ГЛАВА 36
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ
ПРОЕКТИРОВАНИЕ КАСКАДОВ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ
Использование водотоков каскадами гидроузлов наилучшим образом отвечает задаче комплексного использования и охраны водных ресурсов. Однако нахождение оптимальной разбивки водотока на ступени, т. е. составление схемы его использования представляет сложную технико-экономическую задачу. На размещение гидроузлов и установление их параметров решающее влияние оказывают топографические, инженерно-геологические условия, плотность населения и расположение городов и населенных пунктов, развитие промышленности, структура сельского хозяйства в бассейне реки и другие факторы.
Рис. 36.1. Варианты энергетического использования реки:
а — одноступенчатый вариант по плотинной схеме; б — комбинированная плотинно-деривационная схема; а — трехступенчатый вариант; 1 — плотина; 2 — здание ГЭС; 3 — холостой водосброс; 4 — водоприемник; 5 — уравнительный резервуар; 6 — турбинный водовод; 7 — напорный деривационный туннель
Существенное воздействие на выбор схемы оказывают проблемы охраны природной среды, причем основное внимание должно быть уделено созданию крупных водохранилищ, поскольку они затопляют большие площади и способны вызывать негативное воздействие на экологическое состояние района. Выбор наиболее благоприятных решений основывается на сопоставлении различных вариантов с учетом отмеченных выше факторов.
На рис. 36.1 показаны три варианта размещения гидроузлов на водотоке. Одноступенчатый вариант по приплотинной схеме (рис. 36.1,а) позволяет создать один гидроузел с большим водохранилищем длительного регулирования речного стока. Препятствием к созданию такого гидроузла может служить затопление ценных земель, населенных пунктов и промышленных объектов, требующих дорогостоящего обвалования. Вариант комбинированной схемы (рис. 36.1,б) может существенно уменьшить затопление территории, но имеет ограниченное регулирование речного стока, а также значительные потери напора ввиду наличия напорной деривации большой протяженности. Выработка электрической энергии по сравнению с первым вариантом будет немного меньше за счет дополнительных гидравлических потерь. Трехступенчатый вариант размещения гидроузлов с приплотинными зданиями ГЭС (рис. 36.1,0) по маневренности в энергосистеме и выработке электроэнергии не уступает первому варианту, но из-за разнотипных сооружений усложняется ведение строительно-монтажных работ. Очевидно, ущербы от затоплений территорий и необходимые компенсационные затраты в третьем варианте будут меньше, чем в первом.
При рассмотрении этих вариантов энергетического использования реки определяются капиталовложения в сооружения гидроузлов, энергетические показатели, трудовые ресурсы, эксплуатационные показатели, которые позволяют сделать экономическую оценку по каждому из вариантов и определить наиболее перспективный из них.
При разбивке падения водотока на ряд ступеней статические напоры и нормальные подпорные уровни на каждом гидроузле назначаются так, чтобы сумма статических
Рис. 36.2. Фрагмент каскада с выклиниванием кривой подпора при различных отметках НПУ
напоров на каскаде была возможно большей. Это достигается сокращением потерь напора на кривых подпора каждой ступени. Рассмотрим два варианта расположения кривых подпора от гидроузла I к гидроузлу II (рис. 36.2). Первый вариант соответствует выклиниванию кривой подпора в точке А сразу за плотиной гидроузла II. При заданном НПУ у гидроузла II статический напор Н достигает максимума, а потери напора на кривой подпора для первого гидроузла будут наибольшими при минимальном статическом напоре на гидроузле. Во втором варианте в целях уменьшения потерь напора на кривой подпора для гидроузла I, повышаем НПУ на гидроузле I до такой отметки, чтобы выклинивание кривой подпора вошло в водохранилище II гидроузла (точка Б). В этом случае уменьшится hкпБ и статический напор на гидроузле II, но повысится напор на гидроузле I.
На основании сказанного можно записать:
где Н0 — статический напор на двух гидроузлах.
Поскольку суммарный статический напор будет больше для второго варианта при выклинивании кривой подпора в точке Б за пределами первого водохранилища. Такое сопряжение кривых подпора надо выполнять по возможности на всех гидроузлах каскада, и тогда будет достигнуто максимальное энергетическое использование падения на всем водотоке.
В целях лучшего регулирования речного стока предпочтение отдается схемам, в которых створы ГЭС с большими объемами водохранилищ располагаются в верхней части каскада. При этом зарегулированный верхними водохранилищами сток улучшает энергетические и водохозяйственные показатели по всем расположенным ниже ступеням каскада. Примером такого размещения водохранилищ может служить каскад ГЭС на р. Нарыне (рис. 36.3). Верхние гидроузлы Токтогульский и Камбаратинский № 1 имеют полезные объемы водохранилищ 14,0 и 2,2 км3, что дает высокую ступень регулирования стока (коэффициент объема в створе Токтогульской ГЭС составляет β=1,2) для всего каскада. Гидроузлы, лежащие ниже Токтогульской ГЭС, осуществляют в основном суточное регулирование, а длительное регулирование стока по каскаду выполняют две самые верхние ступени.
ПРИРОДООХРАННЫЕ МЕРОПРИЯТИЯ
Сооружение крупных гидроузлов связаны со значительными изменениями в естественной природной среде, потому при их проектировании требуется выполнение глубокого и всестороннего анализа и научно обоснованного прогноза будущего экологического состояния всего района влияния данной станции. При этом, как уже отмечалось, одним из важных вопросов при проектировании гидроэлектростанций является сокращение площади затопляемых водохранилищами территорий. Это достигается за счет строительства на равнинных реках большого числа гидроузлов с соответствующим уменьшением их напоров, сооружения дамб, ограждающих от затопления большие земельные массивы.
Рис. 36.3. Каскад ГЭС на р. Нарын:
1 — Камбаратннская ГЭС № 1; 2 — Камбаратинская ГЭС №2; 3 — Токтогульская ГЭС; IV— Курпсайская ГЭС; V — Ташкумырская ГЭС; VI— Шамалдысайская ГЭС; V11 — Уч-Курганская
Необходимо также учитывать, что водохранилища способны создавать микроклимат с повышенной влажностью воздуха, изменением розы ветров, они также изменяют температурный и ледовый режим водотока, вызывают обрушение береговой зоны и подъем уровня грунтовых вод в прибрежной зоне. Такие изменения природных условий могут вызвать ряд осложнений. На равнинных реках в результате затопления территории могут появиться мелководья, способствующие распространению инфекционных болезней. К нарушению экологического равновесия при создании гидроузлов следует отнести заболачиваемость территории и засоление почв, нарушение среды обитания диких животных, распространение малярии, ухудшение рыбоводства, ухудшение качества воды, ухудшение, санитарного состояния местности и самого водохранилища, в котором развиваются неуправляемые процессы (например, цветение воды) и другие нарушения природных условий.
В процессе проектирования все возможные нарушения природной среды в районе строительства гидроузла должны быть тщательно проанализированы и предусмотрены мероприятия по их устранению или соответствующая компенсация.
Наиболее эффективными являются методы инженерной защиты — дамбы обвалования, сокращающие площадь затопления сельскохозяйственных земель, защищающие места добычи полезных ископаемых и населенные пункты, улучшающие на мелководье санитарное состояние водохранилищ; берегоукрепительные работы по защите берегов от переработки волновыми процессами в водохранилище. Для обеспечения качества воды производится очистка чаши водохранилища от леса и другой растительности, ведется санитарная очистка ложа водохранилища перед затоплением, консервируются или переносятся кладбища и скотомогильники. Нарушения в естественном развитии рыбных запасов на водотоке компенсируется созданием искусственных нерестилищ, рыбозаводов и рыбопропускных сооружений в гидроузле.
Все затраты на осуществление природоохранных мероприятий, включая подготовку ложа водохранилища, сводку леса и другие должны быть включены в генеральную смету гидроузла, причем если в результате сооружения гидроэлектростанции создается благоприятный технико-экономический эффект для других отраслей народного хозяйства, то эти отрасли должны участвовать и в покрытии части требуемых затрат.
На многих ГЭС, таких как Кременчугская, Каховская, Горьковская, Среднеенисейская и некоторых других, расходы на создание водохранилищ достигают 50 % и более общих капиталовложений по гидроузлу. Иногда необходимость слишком больших затрат по водохранилищу может явиться основанием отказа от строительства гидроузла (например Нижнеобская ГЭС на р. Оби).
При проектировании каскадов ГЭС необходимо также учитывать вероятность затопления месторождений полезных ископаемых (нефти, газа, ценных минералов и др.), которые в перспективе могут быть использованы для промышленных разработок.
В настоящее время проекты крупных гидроэлектростанций обязательно включают специальный раздел по охране окружающей среды. Поскольку необходимые затраты на природоохранные мероприятия не могут быть достоверно определены на первых этапах проектных проработок, то в дальнейшем они уточняются и вносятся в сводный расчет стоимости технико-экономического обоснования гидротехнического объекта (дополнительно см. [80]).
