В книге излагаются современные методы гидрологических и водноэнергетических расчетов, используемые при проектировании сельскохозяйственных гидроэлектростанций. Последовательность и подробность изложения материала обусловлены ролью отдельных вопросов, решаемых при проектировании сельских ГЭС. Излагаемые методы иллюстрированы расчетными примерами, приведены необходимые справочные материалы. Книга предназначена для лиц, занимающихся проектированием сельскохозяйственных гидроэлектростанций, и может быть использована как учебное пособие студентами вузов соответствующих специальностей.

Предисловие
Введение

Часть I. Основные положения по проектированию сельских ГЭС

Глава I. Содержание проектов сельских ГЭС и исходные материалы для проектирования
§ 1. Последовательность и стадии проектирования
§ 2. Состав проектов сельских электростанций
§ 3. Исходные материалы для разработки проекта

Глава II. Порядок производства гидрологических расчетов
§ 4. Методы гидрологических расчетов
§ 5. Вопросы, освещаемые гидрологической запиской

Часть II. Гидрологические расчеты

Глава III. Режим уровней и характеристики зимнего режима
§ 6. Графики колебания ежедневных уровней
§ 7. Характерные уровни
§ 8. Графики связи уровней воды на водомерных постах
§ 9. Расчет уровней при переменном подпоре
§ 10. Характеристики зимнего режима реки

Глава IV. Кривые зависимости расходов воды от уровней и их использование для вычисления стока
§ 11. Построение кривой расходов воды
§ 12. Кривая расходов воды при переменном подпоре
§ 13. Экстраполяция кривых расходов
§ 14. Перенос кривых расходов из одного створа в другой
§ 15. Вычисление ежедневных расходов воды по кривой Q = f(H) для открытого устойчивого русла
§ 16. Вычисление ежедневных расходов воды для зарастаемого русла
§ 17. Вычисление ежедневных расходов воды в деформируемом русле
§ 18. Вычисление ежедневных расходов воды в русле с ледяным покровом

Глава V. Норма годового стока
§ 19. Вычисление нормы годового стока при достаточно длительном периоде наблюдений
§ 20. Вычисление нормы стока при коротком ряде наблюдений
§ 21. Вычисление нормы стока при отсутствии наблюдений

Глава VI. Колебания годового стока
§ 22. Кривая распределения частоты и кривая обеспеченности
§ 23. Эмпирические кривые обеспеченности
§ 24. Параметры теоретических кривых распределения
§ 25. Построение теоретической кривой обеспеченности при наличии наблюдений
§ 26. Вычисление коэффициента вариации годового стока при удлиненном ряде наблюдений
§ 27. Вычисление коэффициента вариации годового стока при отсутствии наблюдений за стоком
§ 28. Экстраполяция кривых обеспеченности

Глава VII. Внутригодовое распределение стока
§ 29. Расчет внутригодового распределения стока при наличии материалов наблюдений
§ 30. Определение характеристик весеннего половодья при отсутствии материалов наблюдений
§ 31. Вычисление объемов меженного стока при отсутствии наблюдений
§ 32. Расчет внутрисезонного распределения стока при отсутствии материалов наблюдений
§ 33. Кривые обеспеченности суточных расходов

Глава VIII. Максимальные и минимальные расходы воды
§ 34. Вычисление максимальных расходов воды при наличии материалов наблюдений
§ 35. Вычисление максимальных расходов половодья при отсутствии наблюдений
§ 36. Вычисление максимальных расходов дождевых паводков при отсутствии наблюдений
§ 37. Построение гидрографов половодий и дождевых паводков
§ 38. Минимальные расходы воды

Часть III. Водноэнергетические расчеты

Глава IX. Водохозяйственный баланс гидростанции
§ 39. Водопотребление неэнергетическими водопользователями
§ 40. Основные характеристики водохранилища
§ 41. Потери на испарение с поверхности водохранилища
§ 42.. Потери стока на фильтрацию из водохранилища
§ 43. Потери стока на ледообразование
§ 44. Расчет заиления водохранилища

Глава X. Расчеты регулирования стока
§ 45. Выбор энергетической схемы гидроузла
§ 46. Выбор отметки НПГ
§ 47. Регулирование половодий и паводков и расчет трансформации гидрографа
§ 48. Графики энергопотребления и нагрузки ГЭС
§ 49. Виды регулирования стока
§ 50. Табличный расчет емкости водохранилища
§ 51. Графические расчеты регулирования стока
§ 52. Регулирование стока при каскаде ГЭС

Глава XI. Определение мощности ГЭС и выбор гидромеханического оборудования
§ 53, Определение мощности гидростанции
§ 54. Основные параметры турбин
§ 55. Основные зависимости для выбора турбин
§ 56. Выбор турбин
§ 57. Построение и использование характеристик турбин и гидростанций

Глава XII. Определение выработки энергии и покрытие графиков нагрузки
§ 58. Основные энергетические показатели работы ГЭС
§ 59. Расчет гидростанции с суточным регулированием стока по кривым обеспеченности суточных расходов
§ 60. Составление водноэнергетических характеристик ГЭС по выбранному оборудованию
§ 61. Покрытие суточных графиков нагрузки и определение необходимой мощности резерва
§ 62. Энергоэкономические расчеты

Литература

Приложения
1. Паспорт ГЭС
2. Классификация русловых коэффициентов естественных водотоков (по Срибному)
3. Отклонение ординат биномиальной кривой обеспеченности от середины при x = 1 и C_υ = 1 (по Рыбкину)
4. Ординаты биномиальной кривой обеспеченности при C_s = 2C_υ (по Рыбкину)
5. Распределение стока рек в течение года н различных районах лесостепной и стенной зон Европейской территории СССР (в процентах)
6. Наибольшая (предельная) продолжительность пересыхания рек с разными площадями водосборов в исключительно маловодные годы в пределах лесостепной и степной зон Европейской территории СССР
7. Универсальные характеристики турбин для сельских гидростанций

Предисловие

Строительство крупных районных и межколхозных ГЭС требует детальной проработки отдельных вопросов в процессе проектирования и серьезного обоснования принятых проектных решений.

Это вызывает необходимость в систематизации имеющихся методов расчетов и их рассмотрении применительно к целям сельскохозяйственного гидроэнергостроительства.

В настоящей книге, предназначенной в качестве пособия для проектирования сельских ГЭС, излагаются современные методы гидрологических и водноэнергетических расчетов — наиболее важных элементов проекта. Изложение методов гидрологических расчетов сделано в последовательности, установившейся в практике проектирования. Расчеты стока наносов и испарения, относящиеся по существу к гидрологическим расчетам, в целях удобства изложения и практического использования отнесены в раздел водноэнергетических расчетов (часть III).

В работе значительное внимание уделено основным нормативным положениям по проектированию сельских ГЭС, что наряду с иллюстрацией всех расчетных методов примерами и наличием необходимых справочных материалов облегчает производство расчетов. При составлении монографии использован ряд материалов, предоставленных инж. А.А. Малининым, за что автор выражает ему свою признательность.

Автор выражает благодарность рецензенту и редактору книги доктору технических наук Г.А. Алексееву за сделанные им ценные замечания и советы, а также техникам М.М. Павловской и Н.П. Чеботаревой за помощь в подготовке рукописи к печати.

Введение

Советский Союз обладает огромными запасами гидроэнергетических ресурсов, значительно превышающими запасы всех остальных стран мира. Потенциальная мощность только малых рек (с площадью бассейна до 100 км²), которых насчитывается на территории СССР более 100 тыс., составляет примерно 30 — 35 млн. квт.

Народы нашей страны с давних времен оценили значение текущей воды как двигательной силы и научились широко применять ее для своих нужд. Издавна они возводили плотины, ставили водяные мельницы и использовали энергию рек для переработки сельскохозяйственных продуктов на мукомольных мельницах, крупорушках, сукновальнях и т. п.

Много выдающихся проектов использования водных сил страны было предложено деятелями русской гидротехники, но в условиях дореволюционной России они не были осуществлены. В 1912 г. з России насчитывалось 45 тыс. гидросиловых установок с общей мощностью около 700 тыс. лошадиных сил. Однако это были в подавляющем большинстве водяные мельничные установки небольшой мощности; лишь 215 л, с. приходилось на долю маломощных, технически несовершенных гидроэлектростанций.

Только с победой Великой Октябрьской социалистической революции появилась возможность интенсивного использования водной энергии для нужд народного хозяйства страны.

Уже в апреле 1918 г. В.И. Лениным в „Наброске плана научно-технических работ“ была поставлена задача электрификации народного хозяйства. В 1920 г. по указанию В.И. Ленина был разработан государственный план электрификации России (ГОЭЛРО), выполнение которого было рассчитано на 10—15 лет. Этот план, названный В.И. Лениным второй программой партии, был планом ликвидации технической отсталости нашей страны и создания материальной базы социализма.

В своем выступлении на Московской губернской конференции РКП(б) 21 ноября 1920 г. В. И. Ленин указывал: „Если не перевести Россию на иную технику, более высокую, чем прежде, не может быть речи о восстановлении народного хозяйства и о коммунизме. Коммунизм есть Советская власть плюс электрификация всей страны, ибо без электрификации поднять промышленность невозможно.“

План ГОЭЛРО был значительно перевыполнен ранее намеченного срока. Так, в 1931 г. выработка электроэнергии составила 120% плановой, еще через 5 лет она была уже в 3,7 раза больше намеченной по плану. С пятнадцатого места по выработке электроэнергии, которое занимала Россия в 1913 г., Советский Союз уже в 1936 г. в результате осуществления плана ГОЭЛРО вышел на третье место в мире и на второе место в Европе.

Если в 1913 г. мощность всех электростанций царской России составляла 1 млн. 98 тыс. квт при годовой выработке электроэнергии 2 млрд. квт-ч, то в 1940 г. мощность всех электростанций Советского Союза достигла уже 11 млн. квт, а выработка электроэнергии поднялась до 48,3 млрд. квт-ч. Таким образом, мощность электростанций в 1940 г. по сравнению с 1913 г. увеличилась в 11 раз, а выработка электроэнергии — в 24 раза.

В 1957 г. в СССР было выработано 209,5 млрд. квт-ч электроэнергии, т. е. в 4,3 раза больше, чем в 1940 г., и сейчас Советский Союз занимает второе место в мире по выработке электроэнергии.

Дальнейшее значительное увеличение мощности энергоустановок и выработки электроэнергии получит народное хозяйство страны с вводом в строй гидроэлектростанций, находящихся в процессе строительства.

Грандиозная программа роста энергетики Советского Союза намечена директивами исторического XX съезда КПСС по шестому пятилетнему плану. Этим планом предусматривается строительство ряда мощных гидроэлектростанций в восточных районах страны с использованием энергии сибирских рек, в результате чего общая мощность энергетических установок увеличится за пятилетку в 2,2 раза, а производство электроэнергии — на 88 процентов.

С общим ростом энерговооруженности страны электроэнергия все более внедряется и в сельскохозяйственное производство. Если в 1916 г. в России насчитывалось всего лишь 80 сельских электроустановок с общей мощностью 2 тыс. квт, не имевших никакого производственного или культурного значения для многомиллионной массы крестьян, то после Великой Октябрьской социалистической революции развернулось широкое строительство электростанций сельскохозяйственного назначения.

В 1924 г. было уже 450 сельских электростанций, в 1937 г.— 7500, а в 1940 г. их насчитывалось уже 10 825.

В 1940 г. мощность сельских электроустановок достигла 275 тыс. квт, т. е. более чем в 130 раз превысила мощность сельских электроустановок царской России. К этому времени в нашей стране было электрифицировано 10 тыс. колхозов и 2,5 тыс. машинно-тракторных станций, потреблявших 425 млн. квт-ч электроэнергии в год.

Широкое применение электроэнергии для нужд социалистического сельскохозяйственного производства в значительной мере способствовало повышению его эффективности. В Днепропетровской области, одной из наиболее передовых по электрификации сельского хозяйства, в течение только 1938 г. было электрифицировано 433 колхоза и 20 МТС и МТМ. Запорожский район этой области был первым районом сплошной электрификации в СССР. В районе из имевшихся 80 колхозов было электрифицировано 76 (с использованием электроэнергии Днепрогэс им. В.И. Ленина). В этом районе мощность всех электроустановок составляла 10 тыс. квт, в число которых входило свыше 300 электродвигателей с суммарной мощностью 5,5 тыс. квт.

В сельском хозяйстве района использовалось 26 тыс. светоточек, около 80 молотильных электрифицированных установок, 9,5 тыс. м³ теплиц с электрообогревом, 7,8 тыс. м² электропарников, 5 электродоильных установок и пр. Свыше 2100 га земли орошалось с помощью электропривода, почти все мельницы и кормоприготовительные машины в колхозах были электрифицированы.

Большие работы по развертыванию сельской электрификации в Советском Союзе были прерваны вероломным нападением фашистской Германии на нашу страну.

В результате вражеской оккупации части нашей территории более 2/3 сельских электроустановок, находившихся на этой территории, было разрушено. Однако, несмотря на трудности военного времени, строительство сельскохозяйственных электростанций продолжалось, хотя и в меньших масштабах, в остальных районах страны. В течение 1941 — 1944 гг. было вновь выстроено 173 сельские гидроэлектростанции.

По мере освобождения захваченной территории от оккупантов в 1943—1944 гг. развернулись большие работы по восстановлению сельских электроустановок. После постановления Совета Народных Комиссаров Союза ССР „О развитии сельской электрификации“, принятого 8 февраля 1945 г., дело сельской электрификации получило новый широкий размах и стало подлинно всенародным делом.

В течение 1945 г. по всему Советскому Союзу было введено в эксплуатацию только одних сельских гидроэлектростанций — 601 с общей мощностью 18 400 квт. Мощность сельских электроустановок, введенных в эксплуатацию в 1945 г., более чем в 5 раз превысила мощность станций, построенных в 1940 г. В этом же году было электрифицировано колхозов в 3,5 раза больше, чем в 1940 г., а МТС — более чем в 10 раз.

В результате широкого участия населения, промышленных предприятий, оказывавших широкую помощь колхозам, усиления работы специализированных организаций системы Главсельэлектро ряд областей достиг высокого уровня электрификации.

Так, например, в Пермской области к 1946 г. было электрифицировано более 250 колхозов, из которых 135 питалось электроэнергией от гидроэлектростанций, 39 — от тепловых сельских электростанций и 77 — от сетей промышленных предприятий.

Помимо освещения, эти колхозы использовали электроэнергию для молотьбы на 130 токах, на 22 насосных установках, на 36 мельницах, 48 лесопилках и на ряде других производств.

В Горьковской области в течение 1945 г. было начато строительство 82 малых гидроэлектростанций, 40 из них к концу года было сдано в эксплуатацию.

В Московской области за 1946 г. было построено 36 тепло- и 46 гидроэлектростанций и электрифицировано 560 колхозов.

Последующие годы характеризуются, дальнейшим расширением работ по электрификации сельского хозяйства.

К началу 1948 г. в Московской области насчитывалось 208 тепловых и 93 гидравлических сельских электростанций общей мощностью более 10 000 квт. Кроме того, ряд сельскохозяйственных потребителей получал электроэнергию от сетей Мосэнерго.

В области было электрифицировано 103 совхоза, 108 МТС и 39% общего числа колхозов (обслуживаемые электрическими сетями протяженностью 7450 км).

В течение 1948 г. в Московской области было сдано в эксплуатацию еще 32 сельские гидроэлектростанции общей мощностью 1705 квт, 127 тепловых электростанций мощностью 3580 квт и присоединены к сетям Мосэнерго сельские электроустановки общей мощностью 12 830 квт.

Наличие этих энергетических источников позволило полностью электрифицировать все совхозы и МТС и 62% колхозов; к 1950 г. число электрифицированных колхозов возросло до 83%.

Значительные успехи в электрификации достигнуты также в Ленинградской, Пермской, Горьковской, Челябинской и других областях Советского Союза, близких к завершению сплошной электрификации.

В решениях XX съезда КПСС указано на необходимость завершения в шестой пятилетке электрификации всех МТС и совхозов и 50% колхозов. Эта задача должна решаться как путем присоединения сельскохозяйственных потребителей энергии к сетям мощных энергосистем, так и за счет строительства межколхозных и межрайонных сельскохозяйственных электростанций на базе местных источников энергии.

Гидроэнергия малых рек является одним из основных ресурсов, на которых базируется сельская энергетика, и ее использование путем строительства гидроэлектростанций в значительной мере определяет уровень развития сельской электрификации.

Преимущества гидростанций перед тепловыми станциями, как известно, заключаются в том, что они используют запасы непрерывно восполняемой даровой энергии водотоков. Гидроэлектростанции позволяют улучшать условия судоходства и лесосплава на малых реках, создают более благоприятные условия для орошения прилегающих к ним территорий, для рыбоводства, разведения водоплавающей птицы и т. п. Кроме того, эксплуатация гидростанций более проста и эксплуатационные расходы невелики.

В последнее время наметилась тенденция к строительству сельских гидроэлектростанций укрупненной мощности, как наиболее экономичных и надежных в работе. В качестве примеров таких станций можно назвать Кузьминскую ГЭС в Рязанской области мощностью 1 тыс. квт и Рассыпухинскую ГЭС мощностью 2 тыс. квт — для электрификации более 100 колхозов Рязанской области, Тирипони ГЭС мощностью 3 тыс. квт — в Грузинской ССР, Корсунь-Шевченковскую ГЭС мощностью 2000 квт, Стеблевскую ГЭС мощностью 3000 квт — в УССР — и ряд других.

С целью повышения надежности энергоснабжения сельскохозяйственных потребителей и наилучшего использования местных энергетических ресурсов Совет Министров Союза ССР признал необходимым наряду со строительством крупных ГЭС создание местных энергосистем, объединяющих между собой как гидростанции, так и гидростанции с тепловыми электростанциями.

Первой в Советском Союзе в 1949 г. была создана местная энергосистема в Гатчинском районе Ленинградской области, состоящая из четырех гидростанций, работающих параллельно между собой и соединенных с мощной системой Ленэнерго. В дальнейшем были созданы Корсунь-Шевченковская местная энергосистема в УССР, Ивановская — в Кингисеппском районе Ленинградской области, энергосистема в Пермской области и др.

Опыт эксплуатации сельских энергосистем подтвердил правильность принятого решения. Так, например, в результате объединения гидростанций в Гатчинскую энергосистему выработка электроэнергии станциями увеличилась более чем вдвое, значительно снизилась себестоимость электроэнергии и повысилось число часов использования установленной мощности.

Надежность и бесперебойность в снабжении электроэнергией и общая энергоэкономическая эффективность сельских ГЭС в значительной мере зависят от полноты и качества проектных проработок. Ошибки, допущенные при проектировании, нередко ведут к непоправимым последствиям и наносят значительный ущерб делу электрификации сельского хозяйства.

При проектировании сельских ГЭС весьма серьезное значение имеют гидрологические и водноэнергетические расчеты, являющиеся наиболее важными элементами проекта и в значительной мере определяющие технические и энергоэкономические показатели гидростанций. Поскольку малые ГЭС во многих случаях являются единственными источниками сельскохозяйственного энергоснабжения, то это придает особое значение гидрологическим и водноэнергетическим расчетам, обоснованному выбору параметров ГЭС и тщательному анализу возможных режимов ее работы в процессе эксплуатации. Этим вопросам и посвящена настоящая монография, основанная на разработках ряда научно-исследовательских институтов и опыте проектирования сельскохозяйственных гидроэлектростанций, имеющемся в проектных институтах „Гипросельэлектро“.