Использование микро-ГЭС деривационного типа для электроснабжения отдаленных населенных пунктов



В статье рассмотрено электроснабжение отдаленного населенного пункта с использованием микро-ГЭС деривационного типа. Определен гидроэнергетический потенциал реки с использованием гидрологических данных. Произведен расчет параметров и выбор оборудования микро-ГЭС.

Ключевые слова: гидрологический потенциал, микро-ГЭС, деривация, возобновляемые источники энергии, электроснабжение.

1. Местоположение и характер объекта электроснабжения

Объектом электроснабжения является курорт Умхей, который расположен в Республике Бурятия Курумканского района. Расположен курорт в 100 км от районного центра на высоте 640 метров над уровнем моря. Рядом с курортом протекает р. Баргузин (110 км от устья). Река является вторым по объему притоком озера Байкал, протяженность которого составляет 480 км. Площадь бассейна 21.1 тыс. км², судоходна на 204 км от устья. Количество притоков 223. Расход воды за год 110 м³/сек. Модуль стока 5.56 л/км3. Падение его от истока до устья составляет 1344 м, средний уклон 2,8 % [1]. Климат резко континентальный с сухим жарким летом и холодной зимой. Максимальная температура летом 38 C, зимой -45 C. Характер нагрузки коммунально-бытовой. На территории курорта находятся жилые дома, а также столовая и баня. Объект показан на рисунке 1.

Рис. 1. Курорт «Умхей»

На основе данных о суточных нагрузках, предоставленных Курумканским РЭС, построим график для нашего объекта. Максимальная мощность в сутки составляет P = 21,5 кВт, а минимальная — 7,53 кВт.

Рис. 2. График нагрузки

Общее требуемое количество электрической энергии в течение года W, определяется по формуле (1):

кВт*ч (1)

где P — суммарная мощность за сутки, кВт;

D — количество дней.

кВт*ч

2. Определение гидротехнического потенциала

Для выработки энергии на реке Баргузин предлагается строительство микро-ГЭС деривационного типа. Так, мощность станции можно оценить по формуле (2):

, (2)

где P — мощность микро-ГЭС, кВт; Q₀ — норма стока, м³/с; H — напор, м;  — коэффициент полезного действия; K_{P %} — расчетный модульный коэффициент 85 % обеспеченности.

Перепад высот местности определяем с помощью программы Google Earth (рис. 3)

Рис. 3. Рельеф местности на месте прохождения водотока

Значения среднего многолетнего стока и коэффициентов вариации и асимметрии допускается определять по картам [2], опубликованных в официальных документах Госгидромета в области гидрологии [3].

Из [2] определяем следующие данные: - средний многолетний модуль стока л/с*км² (подрайон 15б — таблица 2.6, приложения 2, приведенный на карте приложения 1, лист 3 [2]); - коэффициент вариации ; - коэффициент асимметрии . Средний годовой расход определялся для площади водосбора F = 4000 км² по формуле , м³/с. Расчет выполнялся по биномиальной кривой распределения (отклонение от среднего значения ординат распределения Пирсона III типа: ) и представлен в табл. 1

Таблица 1

Расчетные гидрологические данные

P, %	1	5	10	25	50	75	85	90	95
Ф(P,Cs)	2,61	1,75	1,32	0,63	-0,07	-0,75	-0,85	-1,04	-1,52
KP %	1,52	1,35	1,26	1,13	0,99	0,85	0,83	0,79	0,70
qP %= KP %*, л/(с*км2)	15,37	13,64	12,77	11,37	9,96	8,59	8,38	8,00	7,03
Q = *0,001*F, м3/с	60,72	53,86	50,43	44,92	39,34	33,91	33,11	31,60	27,77

При сооружении малых ГЭС принимается обеспеченность годового стока 85 %. Расчетный модульный коэффициент по данным табл. составляет K_{P %} = 0.83, расчетный модуль годового стока — л/(с*км²), среднегодовой сток Q = 33,1 м³/с.

3. Выбор оборудования

Важнейшими факторами выбора оборудования были надежность, условия эксплуатации, также стоимость и доступность. Всем этим факторам соответствует оборудование компании «МНТО ИНСЕТ». Исходя из расчета электрических нагрузок и параметров микро-ГЭС (напор, расход воды) выбираем микрогидроэлектростанцию мощностью 30 кВт (МикроГЭС — 50Пр).

Рис. 4. Диапазон эксплуатации гидротурбин в зависимости от напора и расхода воды

4. Расчет параметров микро-ГЭС

4.1 Расчет диаметра трубопровода

Для расчета необходимы следующие данные:

среднегодовой расход реки 85 % обеспеченности Q_{85 %} = 33,1 м³/с; - разность уровней воды в напорном трубопроводе; - длина трубопровода; - коэффициент полезного действия гидроагрегата —  = 0,8. Диаметр стальной трубы определим по формуле (3) в соответствии с [4]:

, (3)

где Q — допустимый расход в трубопроводе, м³/с; H — напор, м; A — расчетное значение удельного сопротивления трубы, определяемого по табл. 9.3 [4]; L — длина трубопровода, м.

Таблица 2

Допустимый расход втрубопроводе

Условный проход, мм	Удельное сопротивление A, мм2/м	Напор, м	Допустимый расход втрубе Q, м3/с
450	0,09928	10	0,6478
500	0,05784	10	0,8316
600	0,02262	10	1,3572

Для дальнейших расчетов рассмотрим трубопровод с диаметром 450 мм.

4.2 Расчет технических параметров

В таблице приведены расчеты параметров микро-ГЭС. Рассчитаны мощность и энергия водного потока, пропускаемая водоводом без ограничений по мощности и вырабатываемой энергии, создаваемых гидротурбиной и асинхронным генератором.

Таблица 3

Технические данные микро-ГЭС

Время, мес	% от годового расхода воды	Расход воды вреке, м3/с	Напор, м	Расход воды через трубу D = 450 мм, м3/с	Мощность ГЭС, кВт	Возможная вырабатываемая энергия, кВт*ч
1	4,5	17,865	8	0,5677	35,64	26518
2	4,1	16,277	8	0,5677	35,64	24807,16
3	3,5	13,895	8	0,5677	35,64	26518
4	3,2	12,704	8,5	0,5852	39,04	28107,02
5	6,8	26,996	9	0,6021	42,53	31640,48
6	12,4	49,228	9	0,6021	42,53	30619,82
7	15	59,55	10	0,6347	49,81	37059,57
8	17,1	67,887	10	0,6347	49,81	37059,57
9	13,9	55,183	9	0,6021	42,53	30619,82
10	7,8	30,966	8	0,5677	35,64	26518
11	6,3	25,011	8	0,5677	35,64	25662,58
12	5,4	21,438	8	0,5677	35,64	26518

Как показывают расчеты, данная схема микро-ГЭС покрывает пиковую нагрузку электроснабжаемого объекта.

Россия обладает огромным гидроэнергетическим потенциалом для развития микро-ГЭС. Разработка и реализация таких проектов в сфере малой гидроэнергетики, способна решить проблемы с электроснабжением удаленных объектов.

Литература:

1. Водные системы Баргузинской котловины / Б. Б. Намсараев, В В. В. Хахинов, Е. Ж. Гармаев, Д. Д. Бархутова, З. Б. Намсараев, А. М. Плюснин. — Улан-Удэ: Издательство Бурятского госуниверситета, 2007. — 154 с.

2. СНиП 2.01.14–83. Определение расчетных гидрологических характеристик / Госстрой СССР. — М.: Стройиздат, 1985. — 36 с.

3. Пособие по определению расчетных гидрологических характеристик. Л.: Гидрометеоиздат, 1984 г. — 368 с.

4. Гидравлика / А. И. Богомолов, К. А. Михайлов. 2-е изд. — М.: Стройиздат, 1972 г. — 268 с.