2.6. Тепловые аспекты работы гэс

При выборе вариантов развития большой энергетики все большее значение занимают экологические последствия их сооружения и эксплуатации. При этом часто вопросы трактуются весьма консервативно – больше всего внимания уделяется выбросам пыли и токсичных окислов азота и серы от тепловых станций, которые сравнительно легко измерить и жестко лимитировать с помощью давно освоенных в развитых странах технологий. Тепловые станции на органическом и ядерном топливе являются также источником «теплового» загрязнения, так как свыше половины подведенного в них тепла отдается холодному источнику, в качестве которого выступает окружающая среда. Наиболее чистыми считаются гидроэлектростанции, для которых этот фактор не учитывается. Поскольку вклад гидроэлектростанций в энергетику достаточно велик – до 20%, а их единичная мощность достигает 5-6 млн.кВт, при анализе проектов и комплексных планов развития регионов, нельзя не учитывать тепловых выбросов от ГЭС, тем более что в ряде случаев, например, зимой они могут на порядок превышать соответствующие выбросы для ТЭС аналогичной мощности. Летом же наоборот – действующие ГЭС, как правило, приводят к съему тепловой энергии и снижают температурный уровень соответствующих регионов. В случае, когда вырабатываемая электроэнергия передается в отдаленные районы, например, из Сибири в Европейскую часть, примерно пропорциональная передаваемой мощности энергия изымается из энергопроизводящего региона.

Оценить воздействие этих факторов на окружающую среду можно, воспользовавшись уравнениями энергетического и материального балансов для стационарных потоков несжимаемой жидкости:

(9)

Рассмотрение энергетического баланса на участке перепада высот между начальным сечением потока с расходом и сечением восстановления скоростного напора ( ) показывает, что в адиабатических условиях для современных ГЭС с КПД на уровне 90-96% почти весь статический напор ( ) переводится в удельную вырабатываемую мощность ( ).

В естественных условиях при отсутствии съема технической мощности (W = 0) потенциальная энергия сброшенной воды полностью диссипирует в тепловую форму с выделением теплоты ( ), вызывая повышение энтропии системы ( ) и повышение температуры потоков, прямо пропорциональное перепаду высот .

Легко подсчитать, что в указанном выше смысле каждые 100 м водосброса обеспечивают прирост температуры воды T=0.23^о, а эксплуатация ГЭС суммарной мощностью 2.5 ^. 10⁶ кВт на реке с циркуляционным расходом воды G=2550 т/с (223 ^. 10⁶ м³/сут) при том же 100-м напоре эквивалента съему тепловой мощности =2150 ^. 10⁶ ккал/ч, рассеиваемой (диссипируемой) в естественных условиях.

Как видно, естественное тепловыделение при сбросе воды может быть сравнимо с тепловыми сбросами крупной ТЭС, мощностью которой для приведенного примера составляет 2000-2500 МВт. Отвод тепла из паросилового цикла такой установки в условиях естественного тепломассообмена с атмосферой сопряжено с испарением около воды из охладителя в зависимости от величины температурного напора и соответствующего вклада конвекции.

Таким образом, гидротурбину можно рассматривать как своеобразный тепловой двигатель, замещающий природное рассеивание выделяющейся на водопадах теплоты и (аналогично паротурбинным агрегатам ТЭС) нарушающий температурный и испарительный режим используемых водных ресурсов.

Существенную роль в увеличении масштабов таких нарушений играют локальный характер съема энергии и концентрация больших водных масс в сооружаемых при ГЭС водохранилищах.

Большие водные поверхности и значительные объемы запасаемой воды приводят к выраженной температурной стратификации ее по глубине, в пределе от температуры смоченного термометра на поверхности до температуры максимальной плотности +4^оС для глубинных слоев. Летом и осенью это вызывает заметное снижение температуры воды и более ранний ледостав, а в зимнее время сброс более теплой глубинной воды в нижний бьеф приводит к незамерзанию поверхностей рек на протяжении нескольких десятков километров.

Их удельная площадь (т.е. отношение зеркала к циркуляционному расходу) согласно методике ВНИИТ даже для суровых метеорологических условий сибирской зимы (например, в районе Красноярска) составляет не менее сутки) в расчете на снижение температуры поверхности сброшенной воды от +4 до 0^оС (соответственно средней по глубине температуры от +4 до +2^оС). При этом для рассматриваемого примера активная площадь незамерзающей воды в нижнем бьефе составит около , а количество отдаваемой в окружающую среду теплоты будет равно

В общей постановке необходимо учитывать еще многие факторы, в частности изменение падающего и отражающего потоков солнечной энергии с учетом роста поверхности радиационного и конвективного теплообмена и др. Это примерно на порядок увеличивает масштабы влияния ГЭС на конвективный и испарительный тепломассообмен с атмосферой по сравнению со случаем «чистого» съема мощности.

Следует отметить, что каскадное сооружение крупных ГЭС с типичными параметрами, ориентировочно соответствующими приведенными в примерах, увеличивает количественные результаты в 4-5 раз. Приведенные оценки свидетельствуют о существенном влиянии работы ГЭС на тепловой режим района расположения станции, что, по-видимому, в первую очередь должно отразиться на климатических условиях этих зон, вызывая их относительное похолодание летом и потепление зимой.

Соответствующие изменения будут происходить и в районах, расположенных ниже по течению, так как и там изменяются среднемассовая температура теплоносителя, а следовательно, и тепловыделения. В частности, локальные выбросы тепла зимой в районах, прилегающих к нижнему бьефу, приводит к снижению среднемассовых температур рек и снижает их тепловой потенциал вдали от зоны возмущения. Это в свою очередь вызывает относительное похолодание областей, расположенных ниже каскада гидроэлектростанций (кроме упомянутых выше локальных районов интенсивных тепловых выбросов). Последнее обстоятельство может усложнять условия судоходства в устьях сибирских рек и морского побережья.

Отмеченные факторы, безусловно, влияют и на формирование атмосферных явлений, хотя оценивать их представляется чрезвычайно затруднительно. Косвенно это влияние проявляется в наблюдаемом увеличении влажности воздуха, увеличении общего количества и частоты выпадения осадков в прибрежной полосе крупных водохранилищ, появлении там туманов, смягчении суточных и сезонных колебаний температуры, изменении розы ветров и других факторах, характерных для смены континентальных климатических признаков на морские. Указанные факторы могут резко осложнять экологическую обстановку при сочетании с вредными выбросами промышленных производств.

При комплексном анализе перспектив энергетического строительства и развития различных регионов страны, моделировании глобальных атмосферных процессов и оценке отрицательных последствий изменения климата необходимо учитывать и описанные выше тепловые воздействия ГЭС и гидросооружений.