Малые ГЭС для отдаленных районов Сибири и Севера

Проблема обеспечения дешевой электроэнергией как промышленных объектов, так и населенных пунктов была и остается весьма актуальной. Более 20 млн человек за Уралом живет в зонах децентрализованного энергоснабжения. Особенно значима она для отдаленных районов Сибири и Крайнего Севера, где нет развитой сети линий электропередачи, и население получает электроэнергию по 3–4 часа в сутки от ДЭС. Строительство малых ГЭС (МГЭС) может изменить условия жизни этих людей, обеспечить энергетическую безопасность регионов и способствовать развитию экономики.

Автор настоящей статьи хорошо знаком со спецификой добычи золота из россыпных месторождений. Мы не располагаем точным количеством предприятий, занимающихся этим видом деятельности, но можно уверенно заявить, что их несколько сотен. Как правило, они удалены от ЛЭП и транспортных артерий. Многие из них завозят материалы (в том числе дизельное топливо) за сотни километров по зимникам. Единственный источник получения электроэнергии в таких условиях, как сказано выше, — ДЭС. Однако известно, что для получения 1 кВт*ч электроэнергии при этом расходуется около 250 г дизельного топлива, которое постоянно дорожает. На сегодня, например, себестоимость 1 кВт*ч, произведенного на ДЭС, на одном из удаленных предприятий Магаданской области уже достигает 24 руб., а в некоторых поселках Якутии — 100 руб. При такой цене электроэнергии значительно возрастают эксплуатационные затраты, и по этой причине многие месторождения становятся нерентабельными для освоения.

Вместе с тем Сибирь и Крайний Север покрыты густой сетью небольших и средних рек, пригодных для строительства малых гидроэлектростанций. Сразу необходимо отметить, что в зимний период расходы воды в них либо отсутствуют, либо становятся настолько низкими, что их использование для выработки электроэнергии становится практически невозможным. Однако и в таких условиях даже сезонная эксплуатация МГЭС является экономически целесообразной. Особенно это может быть эффективным для предприятий с сезонным характером работы, а именно для организаций, занимающихся добычей золота из россыпных месторождений в теплый период года.

На этих предприятиях промывка песков возможна только после того, как появляется вода в ручьях и начинается естественное оттаивание мерзлых песков. Заканчивается сезон после прекращения оттаивания песков. То есть производственный период по календарному периоду совпадает с наличием в водотоках воды с необходимыми расходами.

Так как запасы полезного ископаемого желательно отработать за 10–15 лет (обычно это уже ранее разрабатывавшиеся месторождения, но имеющие большой объем горной массы с небольшим остаточным содержанием золота), то МГЭС должна рассматриваться как временная и не требующая больших капвложений.

Не исключено строительство МГЭС и для предприятий с круглогодичным производством, например, при освоении рудных месторождений. В этом случае только за теплый годовой период можно уменьшить расход дизтоплива почти вдвое.

Снизить капвложения при строительстве временных МГЭС можно за счет следующих технических решений:

- использования водоподъемных плотин минимальной, но экономически целесообразной высоты, что обеспечит снижение затрат на выполнение земляных и бетонных работ;

- исключения дорогостоящих мероприятий по снижению фильтрации через тело плотины и ограждающие дамбы, т.к. нет ни технической, ни экономической необходимости в борьбе с фильтрацией;

- выполнения аварийных водосливов из местного грунта с каменной наброской дна и их берегов. Небольшая высота плотины позволит при сравнительно небольших затратах обеспечить надежность водослива и возможность его использования в качестве рыбохода с требуемым уклоном;

- повторного использования гидроагрегатов ГЭС на других станциях при исчерпании ресурсов добычи в данном месте. Можно заметить, что, как правило, россыпные месторождения расположены в долинах рек и ручьев, и горняки-россыпняки имеют большой опыт работ по сооружению плотин, дамб, руслоотводов, аварийных водосливов, котлованов и прочих гидротехнических сооружений. Причем для всех грунтовых сооружений можно использовать местные рыхлые отложения.

Основные капвложения будут заложены в приобретение гидроагрегатов и строительство машзала в теле плотины. Для низконапорных МГЭС, как правило, используются горизонтальные агрегаты. С целью снижения затрат на земляные работы целесообразно строить плотины, обеспечивающие рабочий напор на турбину 3–6 м. Если известен средний расход воды в реке, то мощность МГЭС (N) для одного агрегата можно определить по упрощенной эмпирической формуле:

N = 7,7 QH, кВт,

где

Q — расход воды через турбину, м³/с;

Н — напор, м вод.ст.

Например, при Q = 5,0 м³/с и Н = 6 м

N = 231 кВт.

Для малых напоров наиболее приемлемы горизонтальные агрегаты с S-образными турбинами. На рис. 1 показан пример компоновки  оборудования и сооружений с такой турбиной.

В настоящее время накоплен определенный положительный опыт эксплуатации разработанных агрегатов в различных природно-климатических условиях как в России, так и за рубежом.

В 2015 г. для одного из предприятий Магаданской области была выполнена предпроектная работа по оценке технической возможности строительства МГЭС на ближайшей к предприятию реке и расчету ожидаемой себестоимости 1 кВт*ч электроэнергии. Средние параметры реки таковы:

- ширина реки — 120–150 м;

- расходы воды: среднемесячный максимальный, минимальный и средний за 180 суток (продолжительность работы станции) — 2400, 78, 180 м³/с соответственно;

- потребная мощность — 6000 кВт.

В связи с тем, что на участке возможного строительства плотины левый берег реки почти не имеет поперечного уклона, то для достижения необходимого напора при стандартном подходе может потребоваться возведение плотины протяженностью более 3 км. Очевидно, что такой вариант неприемлем ни экономически, ни технически (из-за огромных пиковых расходов воды).

Поэтому было принято решение не перегораживать всю реку, а построить вдоль правого берега продольную дамбу для забора необходимого для работы МГЭС количества воды, а требуемый напор создать путем сооружения плотины между продольной дамбой и правым (гористым) берегом. План и продольный профиль участка для строительства приведены на рис. 2.

Основные технико-экономические показатели МГЭС для изображенной на рис. 2 гидротехнической обстановки по выполненным предпроектным работам

Указанные на рис. 2 размеры носят предварительный характер, несмотря на то что продольный профиль реки построен по фактически выполненному нивелирному ходу. Характерный вид правого берега реки, вдоль которого возможно строительство продольной дамбы для водоподающего канала, представлен на рис. 3.

Для небольших рек шириной до 30–40 м целесообразно полное перекрытие русла с устройством пологого аварийного водослива с рыбоходом. Водный кодекс РФ не препятствует строительству МГЭС при соблюдении экологических требований.

Для изображенной на рис. 2 гидротехнической обстановки выполнены предпроектные работы, в результате которых были получены основные технико-экономические показатели МГЭС (табл.), приведены результаты укрупненного расчета ожидаемой себестоимости электроэнергии. В капвложения включены затраты на строительство ЛЭП 35 кВ протяженностью 50 км.

Если принять срок службы МГЭС 10 лет, то при себестоимости 1 кВт*ч 4,50 руб. годовая экономия при отказе от ДЭС только в теплый период года составит 468000 тыс. руб. То есть строительство МГЭС окупается примерно за 2,5 года после ее пуска в эксплуатацию.

Кроме золотодобывающих предприятий, малые ГЭС могут быть выгодны и для небольших поселков на длительный срок эксплуатации.