2.4.2.Энергия речного водостока

Работа гидравлических станций в значительной мере основывается на законах науки, называемой гидравликой; она включает в себя гидро-статику, изучающую равновесие жидкостей, и гидродинамику, изучаю-щую 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 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 расходуется на преодоление сил трения при взаимодействии потока с руслом, на перемещение наносов, 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.

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 измере-ний расходов воды в реке.

Суммарный объем воды, прошедший через поперечное сечение водотока от какого-либо начального момента времени t₀ до некоторого конечного t_к, называется стоком W.

Величина стока реки за сутки, месяц или любой другой промежуток времени, в течение которого расход воды Q, м³/с сохраняет постоянное значение, равна W= Qt, где t –  число секунд в данном промежутке времени.

При различном расходе воды в течение всего рассматриваемого интервала времени от t₀ до t_к (по гидрографу) объем стока определяется по формуле

Отметим, что среднегодовой сток всех рек мира составляет 32 тыс. км³; в табл. 2.1 приведены данные о речном стоке отдельных стран мира.

Таблица 2.1

Данные о речном стоке отдельных стран мира

Страна	Площадь территории, млн.км2	Суммарный средний много-летний объем стока, км3/год	Удельная водность в среднем за год с 1 км2, л/с
Россия Бразилия США Китай Канада Норвегия Франция Югославия Польша	17,075 8,51 9,36 9,90 9,98 0,32 0,551 0,256 0,312	4 000 5 300 2 850 2 600 1 500 368 343 123 58	7,4 11,9 9,8 8,3 24,0 35,8 19,7 15,2 5,9

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.

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 гидроэлектро-станциях.

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

Численное значение энергии водотока определяют следующим об-разом. Водоток разбивают на ряд участков, начиная от истока до устья, и определяют полную энергию потока жидкости в начальном Э₁ и конечном Э₂ створах участка, используя известное уравнение Бернулли. Теряемая энергия на этом участке будет равна разности Э₁ и Э₂:

Э _уч. Э₂ g w ] (2.1)

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 жид-кости в единицах напора, м; z₁  и  z₂ – геометрическая высота над уровнем моря или над произвольно выбранной плоскостью сравнения,м; р₁ и р₂ – давление, Па; v₁, v₂ – средняя скорость, м/с; α₁  и α₂ – коэффициент кинетической энергии, представляющий собой отношение действи-тельной кинетической энергии к ее величине, полученной по средней скорости.

Разделив выражение (2.1) на время t, получим среднюю мощность водотока на данном участке:

N _УЧ g Q ] (2.2)

Поскольку в естественных условиях разность кинетических энергий незначительна, а давление одинаково, то выражения (2.1)

и (2.2) принимают вид:

(2.3)

(2.4)

где    –  разность уровней (падение уровней) свободной поверх-ности водотока в пределах рассматриваемого участка, м.

Для водотоков с чистой пресной водой ρ = 1 000 кг/м³ и

при g = 9,81 м/с² формула (2.4) приводится к удобному виду,  кВт:

. (2.5)

Формулы (2.3) и (2.5) выражают теоретическую (потенциальную) энергию и мощность на рассматриваемом участке.

Суммируя потенциальные энергетические ресурсы по участкам водо-тока, получаем потенциальные энергетические ресурсы реки. Гидро-энергетические ресурсы подразделяются на теоретические (потенциаль-ные), технические и экономические.

Теоретические гидроэнергетические ресурсы –  это теоретические запасы, определяемые по формуле

, (2.6)

где  Э –  энергия, кВт/ч;  Q_i  – средний годовой расход реки на i-м рассматриваемом участке,  м³/с;  H_i –  падение уровня реки на этом участке,  м;  n – число участков;  8 760 – число часов в году.

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

Мировые потенциальные гидроэнергетические ресурсы оцениваются в 35 х 10³ млрд.кВт/ч в год, потенциальные ресурсы России составляют 2 896 млрд.кВт/ч.

Технические гидроэнергетические ресурсы  – всегда меньше теорети-ческих, так как они учитывают потери:

• гидравлических напоров в водоводах, бьефах, на неисполь-зуемых 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 1 670 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 про-

гресса в энергетике, удаленности ГЭС от места подключения к энергосистеме, обеспеченности рассматриваемого региона другими энергетическими ресурсами, их стоимостью, качеством и т.п.