ЖУРНАЛЬНЫЕ СТАТЬИ

Источник: Журнал «Гидротехническое строительство»

Малая возобновляемая энергетика России, как составной элемент электроэнергетики России в целом, в настоящий момент находятся в весьма неразвитом, скорее запущенном состоянии. Укрупнённое сравнение доли электроэнергии, производимой на объектах малой энергетики (в основном это малая гидроэнергетика и, в меньшей степени, ветроэнергетика) с общей величиной вырабатываемой в стране электроэнергии, выявляет ничтожные показатели вклада указанных подотраслей малой энергетики в общий объём. При этом данная ситуация не является типичной для большого числа других стран, как экономически развитых, так и не относящихся к таковым.

Современное состояние малой энергетики России не всегда было столь удручающим. В XX веке отмечались периоды, когда как малая гидротехника, так и ветроэнергетика были востребованы и воспринимались как важные дополнительные составляющие энергетики в целом, обеспечивающие свой вклад в суммарную величину вырабатываемой в стране электроэнергии. В частности, с 30-х годов прошлого века происходил резкий рост интереса к строительству ветряных электростанций. К концу 50-х годов суммарная установленная мощность ВЭС достигала 100 МВт [1]. После окончания Великой Отечественной войны ещё большее развитие получила малая гидроэнергетика. К началу 50-х годов темпы ввода в эксплуатацию малых ГЭС в СССР достигали 100—200 в год (в 1945 г. — около 600) [2]. Необходимость в удовлетворении запросов в поставках энергетического оборудования привела к ускоренному развитию соответствующих отраслей машиностроения: велась разработка унифицированных линеек малых ветро- и гидротурбин, производилось их активное заводское освоение. Следует подчеркнуть, что в это период развитие малой возобновляемой энергетики шло параллельно с развёртыванием строительства крупнейших гидростанций будущего Волжско-Камского каскада, началом освоения гидроэнергетического потенциала Сибири, продолжением строительства крупных ТЭС как базовых составляющих энергетики страны.

К сожалению, в дальнейшем, начиная с середины 50‑хх гг., в СССР было сформировано устойчивое мнение о принципиальной экономической нецелесообразности освоения возобновляемых источников энергии. В результате начался процесс по свёртыванию проектов строительства малых ГЭС и ВЭС, выводу из эксплуатации уже построенных станций. Естественно, было закрыто и соответствующие направления в машиностроении. К началу 1970‑х годов малая возобновляемая энергетика в стране практически перестала существовать.

Нельзя утверждать, что принятое 60 лет назад решение об отказе в освоении малых источников энергии было целиком ошибочным. Скорее, его можно рассматривать как не оптимальное и не полностью отражающее реальные потребности и возможности в развитии энергосистемы большой страны. Одним из веских доводов здесь является современный зарубежный опыт. Уровень развития в Европе и других регионах малой гидроэнергетики и, особенно, ветроэнергетики показывает, что даже в условиях наличия большого числа крупных энергогенерирующих станций и высокого уровня развития передающих сетей, малые электростанции на возобновляемых источниках энергии часто сохраняют свои конкурентные преимущества и оказываются экономически эффективными и привлекательными для инвестора.

При рассмотрении современных перспектив освоения малых возобновляемых источников энергии России может быть сформулирован ряд необходимых условий (критериев), наличие которых позволяет рассматривать данные проекты как конкурентоспособные:
– благоприятные природные условия — топографические, геологические, экологические, гидрологические (для малых ГЭС) или метеорологические (для ВЭС);
– сравнительно невысокий уровень заселённости и хозяйственного освоения места расположения объекта;
– средний или низкий уровень развития местной электрической сети;
– принципиальная транспортная доступность места расположения объекта;
– благоприятные экономические и правовые условия для строительства энергогенерирующего объекта;
– заинтересованность местного населения и властей в наличии собственного источника электричества.

Опираясь на указанные условия ООО «Активити» в течение ряда последних лет осуществляет поиск и изучение перспективных мест размещения объектов малой энергетики — ветряной и гидравлической. По результатам выбора наиболее привлекательных из них по заказу инвестора разрабатывается необходимая для строительства техническая документация. Рассматривая перспективы осуществления проектов малых электростанций практически в любом административном субъекте России, наибольшее внимание, по ряду объективных причин, уделяется районам Сибири и Дальнего Востока.

В 2010—2011 г. в рамках изучения вопроса перспективы освоения экономического энергопотенциала малых водотоков юга Западной Сибири ООО «Активити» осуществило разработку «Программы строительства малых ГЭС в Алтайском крае». Настоящая работа представляет собой первый шаг по реализации проектов строительства малых ГЭС на частной основе в одном из наиболее благоприятных для подобных проектов регионе России. Программой рассматриваются возможности строительства гидростанций как на новых площадках, так и в виде встраивания в действующие гидроузлы неэнергетического назначения. По результатам разработки Программы составлен ранжированный перечень проектов малых ГЭС (всего — 14 объектов), располагающихся в основном юго-восточной части Алтайского края. Одну из первых позиций в данном перечне заняла Солонешенская МГЭС, расположенная на р. Ануй в Солонешенском муниципальном районе. Проект строительства Солонешенской МГЭС установленной мощностью 1,2 МВт признан пилотным для реализации в данном регионе. По заказу инвестора — ООО «ИК Энергия» — на начало 2012 г. по Солонешенской МГЭС была разработана проектная документация и начата разработка рабочей документации.

Настоящая статья посвящена другому проекту Программы — Сибирячихинской МГЭС.

Площадка сооружений Сибирячихинской МГЭС располагается на р. Ануй в Солонешенском районе Алтайского края (рис. 1). Расстояние от ближайшего населённого пункта — расположенного ниже по течению посёлка Ануйский — составляет 2,5 км (рис. 2). Сибирячихинская МГЭС по отношению к Солонешенской МГЭС является нижней ступенью, расположенной на расстоянии 27 км.

Рисунок 1 — Карта Алтайского края

Рисунок 2 — Схема расположения Сибирячихинской МГЭС
1 — пос. Ануйский, 2 — створ Сибирячихинской МГЭС, 3 — запроектированная Солонешенская МГЭС, 4 — с. Солонешное, 5 — Ануйский хребет, 6 — Бащелакский хребет

Река Ануй является левобережным притоком р. Обь. Длина реки составляет 327 км, площадь водосборного бассейна — 6 930 км². В рассматриваемом районе р. Ануй протекает в низкогорной долине в пределах Бащелакского и Ануйского хребтов. В месте расположения гидроузла река извивается по крутой излучине, в точке резкого поворота которой располагается створ сооружений напорного фронта. Долина реки на данном участке имеет в целом симметричный профиль, высота берегов достигает 60—100 м и более (рис. 3). Уклон русла составляет 0,0024, отметка дна в створе — 334 м.

Естественное основание представлено выветрелыми скальными породами ― глинистыми сланцами, перекрытыми маломощной толщей осадочных отложений (аллювиальные галечники в русле, делювиальные песчано-глинистые грунты по склонам). На локальных участках скала имеет выходы на дневную поверхность.

По компоновке основных сооружений и схеме создания напора Сибирячихинской МГЭС относится к приплотинным гидроэлектростанциям. Класс гидротехнических сооружений — III. Состав основных сооружений представлен (рис. 4):
– каменно-земляной плотиной;
– береговым поверхностным водосбросом;
– комплексом энергетических сооружений.

Рисунок 3 — Общий вид на створ МГЭС (в сторону левого берега)
Штриховой линией указано положение гребня земляной плотины

Рисунок 4 — План основных сооружений
1 — левобережный выход цемгалереи, 2 — гребень низовой перемычки, 3 — строительный водосброс, 4 — отводящий канал строительного туннеля, 5 — автодорога к зданию МГЭС, 6 — мостовой переезд через береговой водосброс, 7 — рисберма берегового водосброса, 8 — водобойный колодец берегового водосброса, 9 — напорные трубопроводы, 10 — быстроток берегового водосброса, 11 — автодорога к эксплуатационной площадке, 12 — подходной участок перед головным сооружением, 13 — эксплуатационная площадка, 14 — головное сооружение берегового водосброса, 15 — водоприёмник МГЭС, 16 — подводящий канал строительного водосброса, 17 — верховая перемычка.

Расположение створа в пределах речной излучины выбирается исходя из обеспечения минимизации строительных объёмов по основному подпорному сооружению — каменно-земляной плотине.

Каменно-земляная плотина (рис. 5) запроектирована максимальной высотой 29,0 м и длиной по гребню 248 м. Ширина по гребню — 5 м (отметка гребня 362,00 м), максимальная ширина в основании — 151,0 м. Материалом для верховой и низовой упорных призм служат крупнообломочные грунты, отсыпаемые с послойным уплотнением. В качестве основного материала на предварительной стадии рассматривается вопрос об использовании глинистых сланцев [3, 4], добыча которых может быть выполнена в непосредственной близи от створа. В приповерхностные зоны обеих упорных призм плотины толщиной около 2 м отсыпается прочный камень более крупной фракции, чем в основное тело. Откос верховой призмы выполняется с уклоном 1:2,25. В зоне переменного уровня откос закрепляется наброской из крупного камня (диаметром до 1 м). В основании крепления на отметке 353,0 м устраивается берма шириной 3 м. Ещё одна берма размещается ближе к основанию верхового откоса и является гребнем верховой строительной перемычки. Низовой откос выполняется с тем же постоянным уклоном 1:2,25. По высоте откос разделяется на три бермы, нижняя из которых представляет собой гребень низовой перемычки.

Рисунок 5 — Поперечный разрез по каменно-земляной плотине
1 — укреплённый низовой откос, 2 — укреплённый верховой откос, 3 — положение гребня плотины при пропуске паводка строительного периода, 4 — крепление откоса, 5 — упор крепления откоса, 6 — верховая и низовая упорные призмы, 7 — призма низовой перемычки, 8 — призма верховой перемычки, 9 — экран верховой перемычки, 10 — крепление основания торкрет-бетоном, 11 — площадная цементация, 12 — глубинная цемзавеса, 13 — цементационная галерея, 14 — цементационная галерея, 15 — центральное ядро.

В качестве противофильтрационного элемента выступает центральное ядро. Материалом для тела ядра служат дроблёные и уплотнённые глинистые сланцы, материал переходных зон — песчано-гравийные смеси (постоянной толщины 2,5 м). Ширина ядра поверху принята равной 3 м (отметка 360,8 м, заглубление под отметку гребня 1,20 м). При уклонах граней 1:0,2 ядро ближе к основанию расширяется до 12,50 м, ещё ниже (до отметки основания 332,15 м) для повышения надёжности сопряжения с основанием выполняется резкое расширение до 22,2 м. Непосредственным основанием ядра служит торкрет-бетонное покрытие котлована толщиной около 0,15 м.

Для выполнения работ по устройству цемзавесы и мониторинга за состоянием сооружения в основании ядра по его оси предусматривается цементационная галерея (внутренний габарит 2,0×3,0 м). Цементация под подошвой ядра запланирована двух видов: площадная — глубиной до 5 м, и глубинная — глубиной до 15 м.

У правого берега на отметке подошвы каменно-земляной плотины располагается строительный трубчатый водосброс, являющийся основным водопропускным сооружением на период строительства МГЭС. Длина водосброса — 190 м, включает четыре нитки размерами поперечного сечения 3×4 м.

Береговой поверхностный водосброс принимается по типу быстротока с расположением в выемке на относительно пологом правом берегу (рис. 6). Водосброс состоит из головного сооружения, быстротока и водобойного колодца. Для обеспечения нормального подвода воды к головному сооружению перед ним устраивается подходной участок на отметке 356,0 м (выемка пород правого берега на глубину до 12 м). Головное сооружение водосброса выполняется в виде шестипролётного водослива без порога, с плановыми размерами 44×20 м. Пролёты шириной по 5 м оборудуются сегментными затворами. Быстроток полной протяжённостью 192,7 м состоит из девяти секций длиной по 15,5—30 м и рабочей шириной 39 м. Трасса быстротока включает два участка. Первый участок — пологий криволинейный длиной 102,7 м и уклоном 1:20, в пределах которого осуществляется поворот трассы на угол 50° в сторону русла р. Ануй с осевым радиусом 100 м. Второй участок — крутой прямолинейный длиной 90 м и уклонами 1:3,4 и 1:6,2. Водобойный колодец, примыкающий к девятой секции быстротока, выполняется длиной 25 м с рядом гасителей. За колодцем на сопряжении с руслом реки располагается короткая рисберма. Пропускная способность сооружений поверхностного водосброса при НПУ 360 м составляет 384 м³/с.

Для комплекса энергетических сооружений принята правобережная компоновка. В состав комплекса входят (рис. 7): водоприёмник, напорные трубопроводы, здание МГЭС, отводящий канал.

Водоприёмник непосредственно примыкает к поверхностному водосбросу, располагаясь между ним и правобережным примыканием каменно-земляной плотины, на площадке, образованной выемкой на отметке 348,00 м. Водоприёмник напорный, с двумя приёмными отверстиями с плавно очерченным входом. Отверстия оборудованы сороудерживающими решётками и плоскими аварийными затворами 3×3 м. Размеры в плане — 11,6×11,5 м, полная высота — 15 м.

Две нитки напорных водоводов осреднённой длиной 104 м выполняются комбинированной конструкции из двух участков. Первый участок — горизонтальные железобетонные трубопроводы длиной 54 м на отметке 347,2 м, статический напор — 12 м. Второй участок — наклонные металлические трубопроводы длиной 50,0 м с тремя промежуточными опорами по откосу с уклоном 1:3,7, статический напор — 25,5 м. Внутренний диаметр трубопроводов на обоих участках равен 3,0 м. В пределах горизонтального участка организуется плавный поворот трассы водоводов на угол 45°.

Рисунок 6 — Продольный разрез по береговому поверхностному водосбросу
1 — подводящий канал водоприёмника, 2 — водоприёмник, 3 — глубинная цемзавеса, 4 — обратная засыпка, 5 — напорные трубопроводы, 6 — продольная стена быстротока берегового водосброса, 7 — здание МГЭС, 8 — мостовой переезд, 9 — отводящий канал.

Рисунок 7 — Продольный разрез по комплексу энергетических сооружений
1 — подходной участок перед головным сооружением, 2 — ось створа гидроузла, 3 — мостовой переезд через головное сооружение водосброса, 4 — глубинная цемзавеса, 5 — секции быстротока водосброса, 6 — мостовой переезд в концевой части водосброса, 7 — водобойный колодец.

Здание МГЭС приплотинного типа располагается между каменно-земляной плотиной (выходным порталом строительного трубчатого водосброса) и береговым поверхностным водосбросом. Подземная часть здания принимается неразрезной конструкции, включающую двухагрегатный блок и монтажную площадку. Плановые размеры подземной части составляют 32×24 м, глубина — 10 м (отметка фундаментной плиты — 326,6 м). Верхнее строение выполняется габаритами l×b×h = 32×18×16 м. Отметка машзала МГЭС — 338,0 м. В здании устанавливаются два вертикальных гидроагрегата мощностью по 3000 кВт. Турбины принимаются радиально-осевого типа диаметром рабочего колеса 1,9 м, на отметке 335,3 м, в металлических спиральных камерах. Генераторы подвесного исполнения. Перед турбинами устанавливаются дисковые затворы Ø3 м.

Сопряжение здания МГЭС с естественным руслом р. Ануй выполняется коротким отводящим каналом прямоугольного поперечного сечения длиной 27,5 м (включая восстановительный участок с обратным уклоном), шириной 22 м.

В таблице 1 приведены основные параметры водохранилища, образуемого подпорными сооружениями гидроузла. В таблице 2 — основные энергетические показатели МГЭС.

Таблица 1 — Параметры водохранилища Сибирячихинской МГЭС

Таблица 2 — Основные энергетические показатели Сибирячихинской МГЭС

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В целях развития малой гидроэнергетики Сибири подготовлена концепция проекта строительства в Алтайском крае Сибирячихинской МГЭС:

1. Выбрана площадка расположения.
2. Разработана компоновка гидротехнических сооружений, их параметры.
3. Определены основные энергетические параметры МГЭС.

Дальнейшее развитие проекта Сибирячихинской МГЭС и других малых гидроэлектростанций Алтайского края может стать важным этапом на пути возрождения малой гидроэнергетики России.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Вашкевич К. П., Маслов Л. А., Николаев В. Г., «Опыт и перспективы развития ветроэнергетики в России», «Малая энергетика», 2005 г., № 1—2.
2. Михайлов Л. П., Фельдман Б. Н., Марканова Т. К., «Малая гидроэнергетика», Энергоатомиздат, 1989 г.
3. Под ред. Недриги В. П., «Справочник проектировщика. Гидротехнические сооружения», Стройиздат, 1983 г.
4. Моисеев С. Н., Моисеев И. С., «Каменно-земляные плотины. Основы проектирования и строительства», Энергия, 1977 г.