10377
.pdfМинистерство науки и высшего образования Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»
А. В. Февралев
ГИДРОТЕХНИЧЕСКОЕ СТРОИТЕЛЬСТВО ГЭС НА МАЛЫХ РЕКАХ
Учебно-методическое пособие по подготовке к лекциям, практическим занятиям
по дисциплине «Гидротехническое строительство речных сооружений и гидроэлектростанций»
для обучающихся по направлению подготовки 08.04.01 «Строительство»,
направленность «Гидротехническое строительство»
Нижний Новгород
2020
УДК 627.22
Февралев А. В. Гидротехническое строительство ГЭС на малых реках [Электронный ресурс]: учеб.-метод. пос. / А. В. Февралев; Нижегор. гос. архитектур.-строит. ун – т. – Н. Новгород: ННГАСУ, 2020. – 37 с.– 1 электрон. опт. диск (CD-RW)
В пособии описываются малые реки, история использования их гидроэнергии, даются схемы гидроузлов и типизация зданий ГЭС, приводятся конструкции зданий ГЭС на малых реках.
Предназначено для обучающихся в ННГАСУ по дисциплине «Гидротехническое строительство речных сооружений и гидроэлектростанций» для обучающихся по направле- нию подготовки 08.04.01 «Строительство», направленность «Гидротехническое строитель- ство»
Ключевые слова: малые реки, малые ГЭС, гидроузлы, здания ГЭС.
© А. В. Февралев, 2020 © ННГАСУ, 2020
2
СОДЕРЖАНИЕ
Введение………………………………………………………………………. 4
1.Малые реки: версии классификации……………………………………... 5
2.Гидроэлектростанции на малых реках…………………………………… 7
3.Использование гидроэнергоресурсов малых рек………………………... 9
4.Схемы использования гидроэнергоресурсов…………………………….. 12
5.Гидроузлы на малых реках………………………………………………... 18
6.Здания ГЭС на малых реках………………………………………………. 28
Библиография………………………………………………………………… 35
3
ВВЕДЕНИЕ
Дисциплина «Гидротехническое строительство речных сооружений и гидроэлектростанций» предназначается для обучающихся по направлению
08.04.01 «Строительство», направленность «Гидротехническое строительство».
В рамках изучения этой дисциплины предлагается настоящее пособие,
являющееся разделом названной дисциплины и призванное способствовать бо-
лее глубокого изучения раздела.
В пособии изложены названия разделов дисциплины и их краткое содер-
жание. Для расширения знаний следует прослушать лекции, изучить литерату-
ру, приведенную в пособии, использовать ресурсы Интернета.
4
1. МАЛЫЕ РЕКИ: ВЕРСИИ КЛАССИФИКАЦИИ
Понятие «малая река» имеет множественное толкование. Гидрографиче-
ские критерии, позволяющие выделять малые водотоки из совокупности рек некоторой территории, условны и недостаточны, зависят от историко-
географических традиций. Кроме того, отнесение водотоков к тем или иным категориям (малая, средняя, большая) часто связывают с видом использования их ресурсов.
Наиболее широкое применение для классификации рек имеет разделение их по гидрологическим характеристикам, в связи с чем такая классификация может быть названа гидрологической. Эту классификацию использовал С. В.
Григорьев [Григорьев, 1946]: к малым водотокам были отнесены реки длиной до 200 км для равнинных районов, до 100 км для районов предгорий и до 50 км для горных районов.
Вариант гидрологической классификации рек узаконен ГОСТ 19179-73.
Согласно этому документу, к малым водотокам причисляют реки длиной до
100 км и площадью водосбора до 2000 км2.
СП 33-101-2003 называет малыми реки с площадью водосбора от1000 до
5000 км2.
Другой ГОСТ 17.1.1.02-77 делит водотоки на категории. Малой категории соответствуют реки, площадью водосбора не более 20 тыс. км2 и расходом воды за период низкого стока не выше 5 м3/с.
Использование ресурсов рек наиболее рационально и эффективно в ком-
плексе. Комплексный подход отражен в классификации А. Н. Костякова [Ко-
стяков, 1946]. Классификация рек по совокупности параметров более полно по-
казывает возможности хозяйственного использования их ресурсов.
Интенсивное и зачастую нерациональное использование ресурсов малых рек, увеличивающееся их загрязнение, истощение и даже деградация приводят к необходимости проведения природоохранных мероприятий. Их набор, в су-
щественной степени, зависит от характера влияния хозяйственной деятельности
5
на водотоки. С этой точки зрения малые реки заметно отличаются от средних и крупных рек. Последние максимальное негативное воздействие испытывают от локальных источников загрязнения, тогда как малые реки загрязняются пре-
имущественно за счет рассредоточенных источников. Это обстоятельство мо-
жет служить еще одним критерием отнесения рек к малым.
Таким образом, малыми реками принято считать водотоки некоторой территории длиной не более 200 км, площадью водосбора до 5000 км2, с расхо-
дом до 50 м3/с, имеющие особый характер гидрологических процессов и опре-
деленные возможности хозяйственного использования природных ресурсов, а
также загрязнение которых происходит, в основном, за счет распределенных по длине реки и площади бассейна источников.
Количество малых рек по гидрологической классификации представлено в табл. 1.1.
Таблица 1.1 - Количество малых рек на территории Российской Федерации
Градация водотоков |
Территория |
Всего по РФ |
|||
|
|
||||
по длине, км |
Европейская |
Азиатская |
|||
|
|||||
|
|
|
|
|
|
Самые малые |
<10 |
427 151 |
1 988 267 |
2 415 418 |
|
|
|
|
|
||
10…25 |
17 777 |
77 208 |
94 985 |
||
|
|||||
|
|
|
|
|
|
Малые |
26…50 |
4 299 |
15 949 |
20 248 |
|
|
|
|
|
||
51…100 |
1 747 |
5 494 |
7 241 |
||
|
|||||
|
|
|
|
|
|
Всего |
450 974 |
2 086 918 |
2 537 892 |
||
|
|
|
|
|
6
2. ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИИ НА МАЛЫХ РЕКАХ
ГЭС на малых реках, в силу небольших расходов воды, имеют неболь-
шую мощность. По этой причине такие ГЭС называют малыми (МГЭС). Их Российская классификация следующая [ГОСТ Р 51238-98 ]: установленной мощностью: до 100 кВт – Микро ГЭС; до 1000 кВт – Мини ГЭС; до 30000 кВт – Малая ГЭС (при единичной мощности агрегата 5 (10) МВт.
ГОСТ различает основные виды МГЭС:
Плотинная МГЭС: |
Dam small hydroelectric pow- |
Малая ГЭС, в которой для создания напора используются |
er plant |
как плотина, так и здание ГЭС |
|
Русловая МГЭС: |
Channel-type small hydroelec- |
Плотинная малая ГЭС, в которой здание ГЭС используется |
tric power plant |
для создания напора |
|
Приплотинная МГЭС: |
Dam-type small hydroelectric |
Плотинная малая ГЭС, в которой здание ГЭС не участвует в |
power plant |
создании напора |
|
Деривационная МГЭС: |
Diversion system small hy- |
Малая ГЭС, в которой напор создается за счет естественного |
droelectric power plant |
перепада уровней водотока при напорной или безнапорной |
|
деривации |
|
Смешанная МГЭС: |
Mixed-type small hydroelec- |
Малая ГЭС, в которой напор создается как за счет плотины, |
tric power plant |
так и за счет естественного перепада уровней, реализуемого |
|
при помощи деривации |
|
Бесплотинная МГЭС (микроГЭС): |
Non-dam small hydroelectric |
ГЭС, использующая преимущественно кинетическую энер- |
power plant |
гию потока на рабочем колесе гидравлической машины |
|
Свободнопоточная МГЭС (МкГЭС): |
Free-stream small hydroelec- |
ГЭС, использующая кинематическую энергию водного пото- |
tric power plant |
ка в его естественном состоянии |
|
Плавучая МГЭС (МкГЭС): |
Floated small hydroelectric |
ГЭС, гидроагрегаты которой располагаются на плавучих |
power plant |
средствах |
|
Погружная МГЭС (МкГЭС): |
Submerged small hydroelec- |
ГЭС, в которой используются погружные, т.е. размещаемые |
tric power plant |
под водой гидроагрегаты |
|
Стационарная МГЭС (МкГЭС): |
Stationary small hydroelectric |
ГЭС, не предназначенная для перемещения в другой створ |
power plant |
водотока |
|
Мобильная МГЭС (МкГЭС): |
Mobile small hydroelectric |
|
power plant |
|
7 |
ГЭС, конструктивное исполнение которой предусматривает |
|
возможность ее перемещения на иное место установки без |
|
нарушения готовности к работе ее основных узлов |
|
Рукавная МГЭС (МкГЭС): |
Pressure intake small hydroe- |
Разновидность деривационной ГЭС, на которой в качестве |
lectric power plant |
деривации используется нестационарный сборный или гиб- |
|
кий рукав или шланг |
|
Гирляндная МГЭС (МкГЭС): |
String small hydroelectric |
Бесплотинная или свободно-поточная ГЭС, имеющая общий |
power plant |
валопровод, в которой несколько соосных гидравлических |
|
машин работают на одну или несколько электрических ма- |
|
шин |
|
Чаще всего к МГЭС относят установки мощностью до 10 МВт. В настоя-
щее время в России насчитывается примерно 300 МГЭС общей мощностью около 1,3 ГВт.
Еще отличие МГЭС от ГЭС на малых реках: малые ГЭС могут соору-
жаться в верховьях крупных рек, на сбросах технологических вод промышлен-
ных предприятий, на перепадах мелиоративных каналов, на выпусках вод очистных сооружений и т. п.
Программа развития малой гидроэнергетики РФ предполагает создание до 2020 года на территории России 275 МГЭС общей мощностью 1,86 ГВт.
8
3. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГИДРОЭНЕРГОРЕСУРСОВ МАЛЫХ РЕК
Гидроэнергоресурсы (ГЭР) малых рек являются одним из видов их при-
родного потенциала. Они представляют собой энергию поверхностного стока – склонового и руслового (речного). Наибольшее значение имеют ГЭР речного стока, поэтому далее рассматриваются именно эти ресурсы.
Использование гидроэнергии рек начиналось с устройства на них устано-
вок с водяными колесами – прообразами современных гидротурбин. Водяные колеса в России появились в X-XIII в.в. [Гидроэнергетика, 1970], они применя-
лись в основном для водяных мельниц. В XVII-XVIII вв. область использования водяных колес существенно расширилась: появились водяные крупорушки, ле-
сопильни, установки на железоплавильных заводах. В начале XX в. в России имелись десятки тысяч водяных мельниц и установок общей мощностью около
990 тыс. л. с. [Гидроэнергетика, 1970].
Первая гидроэлектростанция России была сооружена в 1892 г. на не-
большой реке Березовке для электроснабжения Зыряновского рудника (Алтай);
мощность ГЭС составила 150 кВт [Викторов, 1989]. К 1916 году в Российской империи насчитывалось 78 ГЭС, из них 24 установки, мощностью более 150
кВт каждая, имели общую мощность около 15,5 тыс. кВт. Самой крупной уста-
новкой была Гиндукушская ГЭС на р. Мургаб мощностью 1350 кВт (в царском имении в Туркестане). Общая мощность гидроэнергоустановок России к 1916
году составляла около 750 МВт (табл. 3.1); все установки утилизировали энер-
гию малых рек.
Таблица 3.1 - Мощность гидроэнергетических установок России в 1916 г.
Установка |
Количество |
Общая мощность, |
|
тыс. кВт |
|||
|
|
||
|
|
|
|
ГЭС |
78 |
16 |
|
|
|
|
|
Водяные мельницы и |
- |
≈730 (990 тыс. л.с.) |
|
установки |
|||
|
|
||
Всего |
- |
≈746 |
|
|
|
|
9
После 1917 года первой ГЭС страны явилась Ярополецкая электростан-
ция на р. Лама в Московской области, построенная в 1920 г. [Малая, 1989]. К 1932 году установленная мощность гидроэлектростанций на малых реках со-
ставила 8,8 тыс. кВт. С этого времени происходит значительный рост количе-
ства ГЭС, использующих энергию малых рек: гидроэлектростанции были ос-
новным средством электрификации колхозов и совхозов. Особенно бурно раз-
вивалось гидротехническое строительство на малых реках после Отечественной войны, в 1950-е годы.
Впечатляющую картину роста использования гидроэнергии малых водо-
токов дают сведения по Горьковской (сейчас Нижегородской) области [Смир-
нов, 1948]: так, число ГЭС всего за 2 года (с 1945 по 1947 гг.) увеличилось в 7,2
раза, а общая мощность возросла в 6,4 раза. Характеристику этих ГЭС можно проиллюстрировать табл. 3.2, составленной по архивным данным Горьковского отделения Сельэнергопроекта.
Таблица 3.2 - Развитие сельских ГЭС в Горьковской области
Год |
Число ГЭС |
Общая мощность, тыс. |
Рост мощности по срав- |
|
|
кВт |
нению с 1935 г., % |
1935 |
1 |
≈0,1 |
|
|
|
|
|
1940 |
4 |
0,45 |
450 |
|
|
|
|
1941 |
12 |
- |
|
|
|
|
|
1945 |
17 |
0,6 |
600 |
|
|
|
|
1946 |
57 |
- |
|
|
|
|
|
1947 |
123 |
3,82 |
3820 |
|
|
|
|
В начале 60-х гг. в связи с расширением строительства крупных электро-
станций (ГЭС, ТЭЦ, ГРЭС), линий электропередач и сельских электросетей значение ГЭС на малых реках уменьшается, они выводятся из эксплуатации,
сооружения гидроузлов ликвидируются, оборудование, как энергетическое, так и механическое, в основном, демонтируется; зачастую гидроузлы становятся бесхозными с соответствующими последствиями. Проектирование и строитель-
ство новых ГЭС и их гидроузлов прекращается, выпуск оборудования для них
сворачивается.
10