Геоэкологическая оценка комплексного воздействия мобильных пиковых газотурбинных электростанций на состояние окружающей среды

Актуальность темы

исследования. Насущной проблемой человечества в последние десятилетия в связи с развитием научно-технического прогресса, быстрым ростом экономики и, как следствие, резким увеличением антропогенной нагрузки, стало сохранение среды обитания. Энергетика, рост которой обусловливает рост экономического развития и благосостояния страны в целом, вносит значительный вклад в загрязнение атмосферы выбросами продуктов сгорания топлива, сбросами сточных вод в водные объекты, использованием больших территорий для размещения отходов.

Основная роль в производстве электроэнергии в нашей стране принадлежит тепловой энергетике [1]. Энергетическая отрасль также играет ведущую роль в производстве электроэнергии в глобальном масштабе [100, 101].

Электроэнергетика — одна из базовых отраслей российской экономики, обеспечивающая как внутренние потребности народного хозяйства и населения, так и экспорт электроэнергии в страны СНГ и дальнего зарубежья [83, 96, 97]. Одним из основных приоритетов электроэнергетики является обеспечение энергетической безопасности отдельных регионов и страны в целом.

Потребление электроэнергии в России после спада 1990;1998 гг. в 2000;2005 гг. неуклонно росло и в 2005 г. достигло уровня 1993 г. При этом пиковая нагрузка в Единой Энергетической Системе России зимой 2006 г. превысила показатели 1993 г. и составила 153.1 ГВт. При этом уже в 2005 г. выработало свой парковый ресурс оборудование мощностью 74 млн кВт, в 2010 г. — 104 млн кВт. Таким образом, в настоящее время генерирующие мощности России не могут в полной мере обеспечить потребности экономики во время пиков энергопотребления [23,25, 95].

Неравномерный рост энергопотребления в различных регионах России в 1999;2005 гг. и сохранение неравномерности его прироста в 2006;2010 и в последующие годы при практически неизменной структуре генерирующих мощностей усугубляет дефицит мощностей во время пиков энергопотребления. В настоящее время потребность в генерирующих мощностях в России оценивается в 196 ГВт, что меньше существующих мощностей энергосистемы России. В случае сохранения уровня инвестиционной активности и динамики обновления генерирующих мощностей возможно возникновение системного дефицита электроэнергии в большинстве регионов страны в период пикового энергопотребления, аналогичного ситуации 2006 г. [56].

Одним из лидеров энергопотребления в нашей стране является Московский регион, где дефицит электроэнергии составляет 8−10% при практически полном отсутствии резервных электрических мощностей. Особенно остро дефицит электроэнергии проявляется в зимний период при низких температурах воздуха, что чревато аварийными отключениями мощностей, подаваемых потребителям [8, 16]. После аварии на Саяно-Шушенской ГЭС и ее остановки значительно усложнилась ситуация и в Сибири — пострадали Красноярский край и Республика Хакасия, где расположены несколько крупных алюминиевых предприятий и ряд других энергоемких производств.

Весьма эффективным средством временного решения проблемы энергодефицита, зарекомендовавшим себя в последнее десятилетие в промыш-ленно развитых странах мира, является внедрение мобильных пиковых газотурбинных электростанций (МПГТЭС). Для реализации такой задачи в 2006 г. РАО «ЕЭС России» учредило дочернюю компанию ОАО «Мобильные ГТЭС». Первым этапом внедрения МПГТЭС с целью создания в энергосистеме оперативного резерва электрической мощности и покрытия пиковых нагрузок явилось строительство МПГТЭС в Московском регионе [8, 9]. За два года эксплуатации МПГТЭС (2006;2008 гг.) в этом регионе проект подтвердил свою целесообразность. Практика показала, что применение МПГТЭС в «критических» узлах энергосистемы Российской Федерации позволяет обеспечить надежное электроснабжение потребителей за счет перетоков электроэнергии и в ряде случаев является единственным быстрым вариантом снятия или снижения ограничений в энергоснабжении [9]. Опыт работы ОАО «Мобильные ГТЭС» оказался настолько эффективным, что в течение короткого времени стали реализовываться аналогичные проекты в других регионах страны [7].

Сеть МПГТЭС России (на начало 2012 г.), эксплуатируемых ОАО «Мобильные ГТЭС», представлена на рис. 1, 2.

Рис. 1. Сеть МПГТЭС на территории России.

Рис. 2. Сеть МПГТЭС в Московском регионе.

Оборудование МПГТЭС является передвижным аналогом стационарной электростанции, который можно перемещать с одной подготовленной площадки на другую и оперативно реагировать на возникновение дефицита электроэнергии. Выдача дополнительной мощности в момент пиковой нагрузки в энергосистеме позволяет разгрузить трансформаторные подстанции в точках подключения МПГТЭС, не допустить выхода из строя энергооборудования и повысить надежность энергоснабжения потребителей [20, 61]. Мобильные электростанции используются в качестве временного источника дополнительной мощности до окончания строительства новых генерирующих мощностей и реконструкции существующих подстанций. Режим эксплуатации МПГТЭС предусматривает их работу в пиковые часы энергопотребления — утром и вечером. При этом они используются только в аварийных ситуациях или при угрозе их возникновения.

МПГТЭС находят все более широкое применение. Они смонтированы и успешно функционирует более чем в сорока странах мира, в том числе в Канаде, Бразилии, США, Германии, Великобритании [20]. МПГТЭС использовались в 2004 г. во время летних Олимпийских игр в Афинах и в 2006 г. при проведении зимней Олимпиады в Турине [20].

Среди основных производителей оборудования для МПГТЭСэнергомашиностроительные корпорации General Electric, Rolls-Royce, Prat & Whitney Power Systems и др. Среди эксплуатируемых МПГТЭС наиболее популярны станции, производимые компанией Pratt & Whitney Power Systems. Аналогичные газотурбинные установки (ГТУ) производятся и в нашей стране. Их основные производители — ОАО «Рыбинские моторы», ОАО «Турбомоторный завод» (г. Екатеринбург), ОАО «Уральский завод гражданской авиации» (г. Екатеринбург), ОАО «Моторостроитель» (г. Самара), ОАО «Авиадвигатель» (г. Пермь), ОАО «Пермские моторы» [39]. Однако в большинстве случаев установки, выпускаемые этими предприятиями, являются стационарными.

Эксплуатация объектов тепловой энергетики сопровождается многофакторным негативным воздействием посредством выбросов (сбросов) загрязняющих веществ в атмосферу, водные бассейны, почву, а также за счет вовлечения больших площадей под строительство энергообъектов и энергосооружений (водохранилищ, золошлакоотвалов и др.). Такое воздействие вызывает необходимость защиты окружающей среды, из-за чего тепловая энергетика создает свои специфические экологические проблемы [95].

Несмотря на свою сравнительно небольшую мощность, а также незначительную нормативную продолжительность работы, которая не превышает 150 часов в год, МПГТЭС наряду с другими типами теплоэлектростанций (ТЭС) также вносят свой вклад в загрязнение окружающей среды. Однако негативное воздействие МПГТЭС становится значимым, если рассматривать количественные характеристики загрязнения, производимые станцией при выработке единицы (1 кВтч) электроэнергии [21]. Таким образом, МПГТЭС являются значимыми загрязнителями, влияющими на состояние атмосферного воздуха, поверхностных и подземных вод, почвы, геологической среды, а также оказывающими физическое воздействие (акустическое, тепловое, электромагнитное). Эти факторы создают определенные техногенные нагрузки на окружающую среду и вынуждают проводить их детальную оценку с учетом природных и техногенных условий территорий размещения МПГТЭС в процессе выполнения предпроектных и проектных работ, строительства и эксплуатации МПГТЭС при:

— обосновании предпроектной документации и подготовке материалов по оценке воздействия объекта на окружающую среду (ОВОС) [6, 60, 64];

— получении исходных данных для выполнения проектных работ, и в частности разработки раздела проекта «Перечень мероприятий по охране окружающей среды» (ПМООС) [62];

— разработке предложений по организации соответствующих природоохранных мероприятий и средств инженерной защиты окружающей среды.

Таким образом, всестороннее исследование геоэкологических аспектов строительства МПГТЭС непосредственно касается строительной отрасли, а их эксплуатация — жилищно-коммунального хозяйства.

В связи с тем обстоятельством, что МПГТЭС начали внедряться в России всего несколько лет назад, экологические аспекты их строительства и эксплуатации практически не исследовались. Можно лишь отметить наличие соответствующих предпроектных и проектных материалов по 10 объектам (на начало 2012 г.) и приблизительно 15 научных публикаций, большей частью подготовленных автором. Вопросы экологичности МПГТЭС мало исследованы и в зарубежной литературе. Кроме того, результаты зарубежных исследований ограниченно применимы в нашей стране из-за несоответствия экологических стандартов и трудностей их увязки с нормами проектирования.

Резюмируя вышесказанное, можно отметить, что актуальность настоящего исследования определяется необходимостью геоэкологической оценки многофакторного воздействия на окружающую среду нового в России типа электростанций — МПГТЭС для обеспечения экологичности их строительства и эксплуатации.

Объект исследования — геоэкологическое состояние площадок размещения МПГТЭС и прилегающих к ним территорий.

Предмет исследования — комплексная геоэкологическая характеристика компонентов природной среды территорий размещения МПГТЭС в различных регионах России.

Цель работы состоит в комплексном исследовании воздействий МПГТЭС на компоненты природной среды на основных этапах их жизненного цикла (строительства, эксплуатации, вывода из эксплуатации) и в разработке предложений по организации природоохранных мероприятий и средств инженерной защиты окружающей среды от негативного воздействия МПГТЭС.

Методика исследования построена на анализе фондовых и литературных данных, материалов инженерных изысканий с учетом технологических характеристик МПГТЭС.

Основные положения, выносимые на защиту:

— комплексная геоэкологическая характеристика территорий размещения МПГТЭС (г. Пушкино, Московская обл.- пос. Рублево, г. Москваг. Кызыл, Республика Тываг. Саяногорск, Республика Хакасияг. Кодинск, Красноярский край);

— интерпретация среднегодовых концентраций выбросов загрязняющий веществ (ЗВ) в атмосферу от нестационарного источника как критериев его воздействия на человека и окружающую природную среду;

— типовая структура предпроектных и проектных материалов ОВОС и ПМООС, учитывающая технологические особенности работы МПГТЭС;

— обоснование экологичности проектов строительства МПГТЭС в различных районах России.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются использованием современных теоретических и прикладных разработок в области строительной геоэкологии, проведением масштабных расчетов, основанных на нормативных методиках, сопоставлением результатов с данными по объектам-аналогам.

Научная новизна. Работа содержит ряд новых научных результатов. Наиболее значительные из них заключаются в том, что:

— получены результаты по оценке геоэкологического состояния территорий размещения МПГТЭС в различных регионах России;

— обоснована экологическая допустимость размещения и эксплуатации МПГТЭС с учетом действующего Российского экологического законодательства и требований нормативно-технических документов;

— дана интерпретация среднегодовых концентраций выбросов ЗВ в атмосферу от нестационарного источника как критериев его воздействия на человека и окружающую природную среду;

— установлена система приоритетов по учету факторов воздействий МПГТЭС на человека и окружающую природную среду;

— предложена типовая структура предпроектных и проектных материалов ОВОС и ПМООС, относящихся к МПГТЭС;

— показана перспективность использования SWOT-aнaлизa для обоснования намечаемого строительства МПГТЭС и достижения экологической и энергетической безопасности территорий с учетом природно-социо-культурных условий территорий размещения МПГТЭС и технологических характеристик МПГТЭС;

— разработан комплекс рекомендаций и предложений по инженерной защите окружающей среды и организации природоохранных мероприятий.

Практическое значение и внедрение результатов исследования. Результаты работы использованы в разработке проектов строительства 5 МПГТЭС.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на Международной конференции «Проблемы экологии в современном мире в свете учения В.И. Вернадского» (г. Тамбов, 2010 г.), IV Всероссийской научно-практической конференции «Мониторинг природных экосистем» (г. Пенза, 2010 г.), Международной научно-технической конференции «Автомобилеи тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию МГТУ «МАМИ» (г. Москва, 2010 г.), V Денисовских чтениях (г. Москва, 2010 г.), Всероссийской научно-технической интернет-конференции «Экология и безопасность в техносфере» (г. Орел, 2010 г.), VII Всероссийской научно-технической конференции «Современные проблемы экологии» (г. Тула, 2010 г.).

По теме диссертации опубликовано 11 работ, в том числе монография [13], 5 статей — в рекомендованных ВАК научных журналах [14, 15, 17, 91, 94] и 4 статьи — в материалах конференций [89, 90, 92, 93], 1 — в других изданиях [16]. Общий объем опубликованных работ составляет 5.5 печатных листов.

Личный вклад автора в опубликованных в соавторстве работах [13, 14, 15, 16, 17] заключался:

— в участии в анализе фондовых данных и материалов инженерных изысканий, обобщении результатов исследований геоэкологического состояния площадок размещения МПГТЭС;

— в интерпретации среднегодовых концентраций загрязняющих агентов в атмосфере как критериев нагрузки на атмосферу, создаваемой МПГТЭС;

— в разработке основы структуры материалов ОВОС и ПМООС, относящихся к МПГТЭС;

— в разработке комплекса предложений по организации природоохранных мероприятий и средств инженерной защиты окружающей среды.

Структура и объем диссертации

Работа состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы, включающего 108 наименований. Диссертация изложена на 133 страницах, содержит 4 рисунка, 34 таблицы.

Основные результаты и выводы диссертационного исследования сводятся к следующему:

1. Выполнена комплексная количественная и качественная оценка геоэкологических условий территорий размещения МПГТЭС в различных регионах России. Подобное исследование для территорий размещения 5 МПГТЭС (г. Пушкино, пос. Рублево, г. Кызыл, г. Саяногорск, г. Кодинск) выполнено впервые.

2. Впервые обоснована необходимость использования среднегодовых концентраций выбросов ЗВ в атмосферу при работе МПГТЭС как критериев их воздействия на человека и окружающую природную среду.

3. Впервые разработана типовая структура предпроектных и проектных материалов ОВОС и ПМООС, относящихся к МПГТЭС.

4. Впервые дано обоснование экологичности проектов строительства МПГТЭС в различных регионах России на основе 8\ЮТ-анализа и установлена пригодность площадок МПГТЭС для их строительства с учетом природно-социо-культурных условий территорий и технологических характеристик МПГТЭС.

5. Впервые установлена система приоритетов по учету факторов негативных воздействий МПГТЭС на человека и окружающую природную среду, позволившая разработать комплекс рекомендаций и предложений по инженерной защите окружающей среды и природоохранным мероприятиям.