Энергия речного водотока

Работа гидравлических станций в значительной мерс основывается на законах науки, называемой гидравликой; она включает в себя гидростатику, изучающую равновесие жидкостей, и гидродинамику, изучающую движение жидкостей.

Известно, что вода покрывает почти три четверти нашей планеты. Значительное количество воды испаряется и выпадает в виде осадков на поверхность Земли, в том числе и на отдельные участки суши, расположенные над уровнем океана. Спускаясь с более возвышенных участков на более низкие в виде больших и малых водотоков, эти, постоянно возобновляемые природой, массы воды теряют энергию, которая может быть эффективно использована. В естественном состоянии эта энергия расхо-

дуется на преодоление сил трения при взаимодействии потока с руслом, на перемещение наносов, на преодоление препятствий в руслах (пороги, перекаты и др.).

Территория, с которой стекает вода в реку, называется водосборным бассейном данной реки. Линия, проходящая по повышенным местам и отделяющая друг от друга соседние бассейны, называется водораздельной линией или водоразделителем.

К водосборному бассейну моря относят водосборные бассейны всех рек, впадающих в данное море.

Количество воды, протекающей через поперечное сечение водотока в 1 с, называется расходом воды Q (м³/с или л/с).

Хронологический график изменения расходов воды во времени называется гидрографом. Его строят по результатам регулярных измерений расходов воды в реке.

Суммарный объем воды, прошедший через поперечное сечение водотока от какого-либо начального момента времени /₀ до некоторого конечного t, называется стоком W.

к'.

Величина стока реки за сутки, месяц или любой другой промежуток времени, в течение которого расход воды Q_t м³/с, сохраняет постоянное значение, равна

где t — число секунд в данном промежутке времени.

При различном расходе воды в течение всего рассматриваемого интервала времени от /₀ до /_к (по гидрографу) объем стока определяется.

Отметим, что среднегодовой сток всех рек мира составляет 32 тыс. км³; в табл. 5.1 приведены данные о речном стоке отдельных стран мира.

Запасы поверхностного стока по территории России распределены неравномерно, что весьма неблагоприятно для народного хозяйства, в том числе и для энергетики. Более 80% речного стока российских рек приходится на еще мало освоенные территории бассейнов Северного Ледовитого и Тихого океанов.

Таблица 5.1

Данные о речном стоке отдельных стран мира.

Особенностью стока реки является его неравномерное распределение как по годам, так и в течение года.

Многолетняя неравномерность стока неблагоприятна для всех отраслей народного хозяйства и прежде всего для энергетики.

Различают: многоводные, средневодные и маловодные годы. В маловодные годы обычно значительно снижается выработка энергии на гидроэлектростанциях.

Для большинства рек России маловодный период наблюдается зимой, когда потребность в электроэнергии наибольшая.

Численное значение энергии водотока определяют следующим образом. Водоток разбивают на ряд участков, начиная от истока до устья и определяют полную энергию потока жидкости в начальном Э, и конечном Э₂ створах участка, используя известное уравнение Бернулли. Теряемая энергия на этом участке будет равна разности Э, и Э₂:

где W — объем стока воды, м³; g — ускорение свободного падения, м/с²; р — плотность жидкости, кг/м³; каждый член выражения, заключенный в скобки, представляет собой удельную энергию массы протекающей жидкости в единицах напора, м; z, и z₂ — геометрическая высота над уровнем моря или над произвольно выбранной плоскостью сравнения, м; р, и р₂ — давление, Па; и, и₂ — средняя скорость, м/с; а, и а₂ — коэффициент кинетической энергии, представляющий собой отношение действительной кинетической энергии к ее величине, полученной по средней скорости.

Разделив выражение (5.1) на время /, получим среднюю мощность водотока на данном участке

Поскольку в естественных условиях разность кинетических энергий а, и?-а₂и₂

—^L-^!-*—*? незначительна, а давление одинаково, тогда выражения (5.1).

2g.

и (5.2) принимают вид:

где = z, — z₂ — разность уровней (падение уровней) свободной поверхности водотока в пределах рассматриваемого участка, м.

Для водотоков с чистой пресной водой р = 1000 кг/м³ и npHg = 9,81 м/с² формула (5.4) приводится к удобному виду (в кВт):

9,810^. (5.5).

Формулы (5.3) и (5.5) выражают теоретическую (потенциальную) энергию и мощность на рассматриваемом участке.

Суммируя потенциальные энергетические ресурсы по участкам водотока, получаем потенциальные энергетические ресурсы реки.

Гидроэнергетические ресурсы подразделяются на теоретические (потенциальные), технические и экономические.

Теоретические гидроэнергетические ресурсы — это теоретические запасы, определяемые по формуле.

где Э — энергия, кВт ч; Q. - средний годовой расход реки на /'-м рассматриваемом участке, м³/с; Н. - падение уровня реки на этом участке, м; п — число участков.

Они подсчитываются в предположении, что весь сток будет использован для выработки электроэнергии без потерь при преобразовании гидравлической энергии в электрическую.

Мировые потенциальные гидроэнергетические ресурсы оцениваются в 35* 10³ млрд. кВт ч в год, потенциальные ресурсы России составляют 2896 млрд. кВт ч.

Технические гидроэнергетические ресурсы — всегда меньше теоретических, так как они учитывают потери:

• — гидравлических напоров в водоводах, бьефах, на неиспользуемых участках водотоков;
• — расходов воды на испарение из водохранилищ, фильтрацию, холостые сбросы и т. п.;
• — энергии в различном гидроэнергетическом оборудовании. Технические ресурсы характеризуют возможность получения энергии

на современном этапе.

Технические гидроэнергетические ресурсы России составляют 1670 млрд. кВт ч в год, в том числе по малым ГЭС — 382 млрд. кВт ч в год.

Выработка электроэнергии на действующих ГЭС России в 2002 г. составила 170,4 млрд. кВт ч, в том числе на малых ГЭС — 2,2 млрд. кВт ч.

Экономические гидроэнергетические ресурсы — это часть технических ресурсов, которую по современным представлениям целесообразно использовать в обозримой перспективе. Они существенно зависят от прогресса в энергетике, удаленности ГЭС от места подключения к энергосистеме, обеспеченности рассматриваемого региона другими энергетическими ресурсами, их стоимости, качества и т. п.