Содержание к диссертации
Введение
1. СОСТОЯНИЕ ИЗУЧАЕМОГО ВОПРОСА И АНАЛИЗ ЛИТЕРАТУРНЫХ ДАННЫХ 8
1.1. Воздействие потока на планктонные организмы в проточных каналах турбин ГЭС 8
1.2. Воздействие потока на ихтиофауну в проточных каналах турбин ГЭС 16
1.3. Экологические аспекты воздействия турбин ГЭС на гидробионтов 25
1.4. Выводы 41
2. ГЛАВНЫЕ ФАКТОРЫ ВОЗДЕЙСТВИЯ ПОТОКА НА ГИДРОБИОНТОВ В ПРОТОЧНЫХ КАНАЛАХ ГИДРОТУРБИН 42
2.1. Энергетические основы рабочего процесса в проточных каналах гидротурбины 42
2.2. Воздействие кавитации на гидробионтов 47
2.3. Результаты лабораторных исследований воздействия на представителей ихтиофауны перепадов давления и кавитации 51
3. МЕТОД ЗАЩИТЫ ГИДРОБИОНТОВ И РАСЧЕТНЫЕ КРИТЕРИИ ИХ ВЫЖИВАЕМОСТИ 59
3.1. Теоретическое обоснование механизма аэрационной защиты гидробионтов в проточных каналах гидротурбин 59
3.2. Расчет воздействия потока на гидробионтов в камере рабочего колеса 76
3.2.1. Алгоритм расчета воздействия потока на гидробионтов в камере рабочего колеса радиально-осевой турбины 76
3.2.2. Алгоритм расчета воздействия потока на гидробионтов в камере рабочего колеса поворотно-лопастной турбины 83
3.3. Система аэрации потока, её обоснование и расчет 86
3.4. Выводы 95
4. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ЗАЩИТЫ ГИДРОБИОНТОВ В ПРОТОЧНЫХ КАНАЛАХ ГИДРОТУРБИН 96
4.1. Исследования на Усть-Илимской ГЭС 96
4.1.1. Результаты исследований аэрационной защиты планктона... 96
4.1.2. Влияние аэрации потока на эксплуатационные характеристики турбин Усть-Илимской ГЭС 108
4.1.3. Расчет перепадов в камере рабочего колеса Усть-Илимской ГЭС и анализ воздействия потока на планктон 113
4.2. Исследования на Волжской ГЭС 118
4.2.1. Результаты экспериментальных исследований по выживаемости планктона и ихтиофауны в штатных режимах эксплуатации 118
4.2.2. Принципиальная схема системы аэрации и расчет ее параметров для агрегата № 19 Волжской ГЭС 119
4.2.3. Результаты экспериментальных исследований выживаемости молоди рыб в проточном канале агрегата № 19 при аэрационной защите 124
4.2.4. Результаты экспериментальных исследований выживаемости зоопланктона в проточном канале агрегата № 19 при аэрационной защите 130
4.2.5. Влияние аэрации потока на эксплуатационные характеристики гидроагрегата 133
4.2.6. Расчет воздействия на гидробионтов перепадов давлений в турбине Волжской ГЭС 134
4.3. Выводы 137
5. ОБОСНОВАНИЕ НОРМАТИВА ПРЕДЕЛЬНО-ДОПУСТИМЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ ТУРБИН ГЭС ДЛЯ ИХТИОФАУНЫ И ПЛАНКТОНА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МОДЕЛИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО НОРМИРОВАНИЯ 140
5.1. Выводы 151
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ 152
ЛИТЕРАТУРА 154
ПРИЛОЖЕНИЯ 171
- Воздействие потока на планктонные организмы в проточных каналах турбин ГЭС
- Энергетические основы рабочего процесса в проточных каналах гидротурбины
- Теоретическое обоснование механизма аэрационной защиты гидробионтов в проточных каналах гидротурбин
Введение к работе
Актуальность темы. Масштабы гидротехнического строительства в XX веке привели к тому, что более 70% основных речных систем в России подверглись регулированию или фрагментации. Создание гидросооружений привело к негативным последствиям для всех без исключения объектов гидротехнического строительства, так как проектирование ГЭС осуществлялось без достаточного внимания к вопросам окружающей среды и проблемам социального характера.
Одним из направлений комплексной оценки отрицательного воздействия ГЭС на экосистемы водоемов, является изучение влияния турбин на гидробиологический режим стока водных масс из водохранилищ.
Более 70 лет назад, с момента активного использования гидроэнергетики для удовлетворения потребности народного хозяйства нашей страны, ихтиологи и гидробиологи обратили внимание на значительное снижение биомассы планктона и ихтиофауны на речном участке в нижнем бьефе по сравнению с аналогичным показателем в водохранилище. Выдвинутое российскими учеными предположение о массовом характере травмирования и гибели гидробионтов в проточных каналах гидромашин нашло подтверждение и в зарубежных источниках. Мировое сообщество даже учредило день борьбы с плотинами в знак того, что гидроэнергетику нельзя считать экологически чистым источником получения энергии.
Гибель планктона наносит ущерб рыбному хозяйству, приводит к резкому снижению биологических процессов самоочищения водных масс, вследствие чего существенно возрастает роль промышленно-коммунальных стоков как загрязнителей водных систем.
При перемещении планктона и рыб из верхнего бьефа в нижний происходит их гибель и травмирование в результате действия ряда факторов. Анализ большинства исследований показывает, что наибольшая доля травмирования и гибели гидробионтов вызвана перепадом давления и кавитацией. В связи с этим можно сформулировать цель работы.
5 Актуальность темы определяется соответствием направления
диссертационной работы «Приоритетным направлениям развития науки,
технологий и техники Российской Федерации», утвержденным Приказом № 577
Президента Российской Федерации от 30 марта 2002 года, в которых
содержится раздел «Экология и рациональное природопользование».
Цель работы - обоснование параметров экологически безопасных режимов эксплуатации турбин ГЭС с целью сохранения гидробионтов.
В соответствии с целью работы были определены следующие задачи исследований:
-провести анализ выполненных исследований по вопросу воздействия турбин ГЭС на выживаемость гидробионтов;
-разработать методику определения воздействия перепадов давления и кавитации в проточных каналах турбин ГЭС на жизненные функции гидробионтов;
-теоретически оценить степень повреждаемости гидробионтов при прохождении через турбины ГЭС в штатных режимах эксплуатации и подтвердить полученные результаты натурными экспериментами;
-обосновать параметры метода аэрационной защиты гидробионтов;
-разработать нормативы предельно-допустимых воздействий турбин ГЭС на жизнеспособность ихтиофауны и планктона.
Научная новизна исследований диссертационной работы заключается в следующем:
-определены основные факторы воздействия потока водной массы в каналах ГЭС на жизненные функции гидробионтов;
-представлена дифференциальная модель, описывающая
гидродинамические процессы, протекающие в проточных каналах турбин ГЭС;
-составлены алгоритм и методика расчетов воздействия перепада давления и кавитации на жизненные функции гидробионтов в камере рабочего колеса турбины ГЭС;
-разработана методика расчета параметров системы аэрации для
высоконапорных и средненапорных ГЭС;
-предложены нормативы предельно-допустимых воздействий турбин ГЭС на планктон и ихтиофауну.
Значимость для теории и практики. Для теории имеет значение дифференциальная модель, описывающая гидродинамические процессы, протекающие в проточных каналах турбин ГЭС, применение которой позволит получить количественную оценку воздействия главных факторов потока на численность гидробионтов при эксплуатации ГЭС в штатных режимах и с аэрационной защитой. Для практики имеют большое значение методика расчета параметров аэрационной защиты гидробионтов и рекомендации по определению норматива предельно-допустимых воздействий на планктон и ихтиофауну.
Реализация результатов исследований. Основные результаты работы внедрены на Волжской и Усть-Илимской ГЭС. Методика расчетов перепадов давлений в турбинах ГЭС использовалась в разработке нормативов предельно-допустимых воздействий турбин ГЭС, эксплуатируемых в Ангаро-Байкальском бассейне на р. Ангаре.
Результаты работы используются в учебном процессе кафедры «Технологии и оборудование лесопромышленного производства» ГОУ ВПО «Братский государственный университет». Готовится к изданию учебное пособие с грифом УМО «Пути решения экологических, технологических проблем водо- и лесопользования в условиях водохранилищ» для студентов специальности 26.01.00 всех форм обучения.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы были доложены и обсуждены на II международном симпозиуме «Контроль и реабилитация окружающей среды» (г. Томск, 2000 г.); на международных научно-технических конференциях «Сопряженные задачи механики и экологии» (г. Томск, 4-9 июля 2000 г.), «Социально-экономические и экологические проблемы лесного комплекса» (г. Екатеринбург, 1999 г., 2001 г.); на всероссийской научно-практической конференции «Достижение науки и
7 техники - развитию Сибирских регионов» (г. Красноярск, 1999 г.); на
межрегиональной научно-технической конференции «Экология. Наука, образование, воспитание» (г. Брянск, 2001 г.); на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов Братского государственного университета (1997-2000 гг.); на межрегиональных научно-технических конференциях «Естественные и инженерные науки - развитию регионов» (г. Братск, 2003-2005 гг.).
Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 13 печатных трудах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы (158 наименований), приложений. Общий объем работы 170 страниц, из них 31 рисунок, 4 таблицы.
Воздействие потока на планктонные организмы в проточных каналах турбин ГЭС
При изучении особенностей формирования сообществ в условиях зарегулирования стока ученые-гидробиологи обратили внимание на одну общую, трудно объяснимую закономерность: животный и растительный планктон на речном участке ниже плотины значительно обедняется [24, 26, 37, 44, 49, 56, 58, 86, 97, 100, 114, 126, 127, 134].
Впервые на это указывает профессор Я.В. Ролл [134], под руководством которого в 1936 г. было проведено гидробиологическое обследование р. Днепра от г. Орши до г. Херсона. Исследованиями профессора О.Д. Свиренко, относящимися к периоду 1938-1939 гг., также было установлено значительное влияние Днепровской ГЭС на участок р. Днепра, расположенный непосредственно ниже плотины [97]. Исследовав фитопланктон нижней части Днепровского водохранилища и на участке реки сразу за плотиной, а также сравнив его характеристики на ближайших к плотине пунктах с тем, что было до зарегулирования стока, О.Д. Свиренко установил, что фитопланктон Днепра непосредственно за плотиной сходен по типу с фитопланктоном водохранилища, но резко отличается от фитопланктона, существовавшего здесь до сооружения плотины. Последний был сходен с обычным днепровским планктоном. В данной работе также было отмечено, что прохождение вод водохранилища через плотину снижает качественный и, особенно, количественный состав фитопланктона Днепра непосредственно ниже плотины, не нарушая его типа. В пробах на пунктах отбора, расположенных сразу за плотиной обнаружено значительное количество фрагментов разрушенных планктеров. В работах, относящихся к более позднему периоду, исследователи также отмечают значительное обеднение планктоном вод ниже плотины и связывают это с ее влиянием [3, 24, 58, 86, 114, 121]. Так, например, Г.Б. Мельников [58], делая выводы о том, «разрушается ли, перерабатывается ли зоопланктон Днепровского водохранилища, сливающийся вместе с водой последнего через плотину Днепрогэса», дает положительный ответ. По данным автора за 1939 г. выше плотины Днепрогэса в 1 м воды зоопланктеров было 345,5 тыс., а на 1-1,5 км ниже плотины - 160,2 тыс., еще ниже на 1-2 км - 115 тыс., на 1 км ниже острова Хортицы - 23 тыс. и на 4 км ниже острова Хортицы - около 37 тыс. Подобная тенденция распределения зоопланктона в среднем на участках выше и ниже плотины отмечалась и в 1947-1949 гг.
Федий В.А. [114], ссылаясь на собственные данные и результаты, опубликованные в работах [97, 134], указывает, что особенностью фитопланктона Нижнего Днепра после сооружения плотины является его качественная и количественная обедненность не только по сравнению с планктоном приплотинной части Днепровского водохранилища, но и с планктоном выше зоны затопления (речной участок) или с планктоном Днепра до зарегулирования. Обедненность вод планктоном наиболее сильно выражена на ближайших к плотине пунктах.
После сооружения плотин ГЭС на других водных объектах был опубликован ряд работ [3, 49, 86], посвященных гидробиологическим исследованиям планктона на участках выше и ниже плотины. Так, Приймаченко А. Д. [86], изучавший основные особенности развития волжского фитопланктона после сооружения Горьковской и Куйбышевской плотин, считает, что уменьшение количества фитопланктона после прохождения через плотину является в основном результатом разбавления его бедными планктоном глубинными слоями воды, так как специальными исследованиями у Горьковской и Куйбышевской плотин удалось установить, что количество планктона на единицу объема воды в нижнем бьефе примерно такое же, как и в приплотинном участке. Это согласуется с установленным гидрологами [32, 115] фактом равномерного сброса воды со всех горизонтов водохранилища через плотину. Чем глубже водохранилище, тем при всех прочих равных условиях больше слой воды бедный планктоном, и, следовательно, тем больше разбавляется последний в нижнем бьефе. Снижение биомассы фитопланктона на речном участке за плотиной происходит, по мнению Приймаченко А. Д., главным образом в результате гибели озерных форм, которые не могут развиваться в . условиях большой прозрачности. Выпадение из планктона организмов, травмированных во время прохождения через плотину, очень незначительно.
Энергетические основы рабочего процесса в проточных каналах гидротурбины
Это выражение называется основным уравнением турбины. Из основного уравнения следует, что для преобразования энергии потока в турбине необходимо изменение момента скорости жидкости в области рабочего колеса. При этом в зависимости от режима работы гидромашины в проточной части рабочего колеса и сопряженных с ним элементах формируется поток определенной кинематики, а на лопастях рабочего колеса возникает соответствующее ей распределение скоростей и давлений. Последнее определяет, по существу, уровень гидравлических характеристик машины, в том числе таких нежелательных явлений, как кавитация с ее различными проявлениями и вихреобразование, сопровождающееся пульсацией давлений в потоке и на обтекаемых поверхностях проточной части. Вследствие этого, на некоторых режимах работы наблюдаются колебания мощности гидроагрегата, гидродинамических нагрузок на элементах проточной части, вибрация гидроагрегата и кавитационное разрушение обтекаемых поверхностей.
Теоретический напор Нт гидротурбины - часть полезно используемой удельной механической энергии жидкости, то есть преобразованной рабочим колесом в механическую энергию ротора. Он меньше напора Hi турбины (иногда его называют располагаемым, или рабочим) на величину /гг.т гидравлических потерь в ней, то есть - гидравлические потери в турбинной камере, статоре и направляющем аппарате, рабочем колесе и отсасывающей трубе (рис. 2.1). Другими видами потерь энергии из-за их малости в данном случае можно пренебречь, поэтому здесь они не учитываются. под напором гидромашины Н (м) понимают разность удельных механических энергий жидкости в характерных сечениях ее проточной части. Для турбины это сечение на входе в турбинную (спиральную) камеру и на выходе из отсасывающей трубы:
Индексами 0 и 3 обозначены соответственно сечения спиральной камеры и отсасывающей трубы. Удельная механическая энергия потока в рассматриваемом сечении проточной части выражается равенство — удельная энергия избыточного давления (пьезометрическая высота, или пьезометрический напор); z — удельная потенциальная энергия положения (геометрическая высота, или геометрический напор, иногда его называют геодезическим); av p/(2g) - удельная скоростная энергия (скоростная высота, или скоростной напор); а — коэффициент скоростной энергии, учитывающий неравномерность распределения скоростей в рассматриваемом сечении. Каждый из этих членов измеряется в Дж/(кг-м-с ) = Дж/Н и представляет собой удельную энергию на 1 Н силы веса протекающей жидкости, но Дж/Н =Н-м/Н =м - единице измерения напора. Это удобно для представления закономерностей движения жидкости и работы лопастных гидравлических машин. На рис. 2.1 и 2.2 показано изменение удельной энергии жидкости по длине проточной части турбины.
Теоретическое обоснование механизма аэрационной защиты гидробионтов в проточных каналах гидротурбин
Теоретические представления перепадов давлений и кавитации в проточном канале гидротурбины, а также результаты исследований воздействий потока на организмы однозначно указывают, что причиной массовой гибели рыб и планктона являются перепад давлений в потоке и воздействие кавитации в зоне на выходе из рабочего колеса в отсасывающую трубу. Перепад давлений и кавитация взаимосвязаны и воздействуют на организмы последовательно, а именно: образование каверны на живом организме как на ядре кавитации возможно только тогда, когда в потоке имеется зона растягивающих напряжений, в которой и образуется каверна, а ее захлопывание (удар по организму) произойдет в зоне сжимающих напряжений, в отсасывающей трубе, как это изображено на рис. 2.3. Как следует из формулы (2.3) и рис. 2.4, если в потоке при перепаде давлений отсутствуют отрицательные напряжения, процесс кавитации на живом организме исключается, и тогда воздействует только первоначальный фактор - перепад давлений. И как уже отмечалось, в этом случае организмы, в том числе и рыбы, проходя камеру рабочего колеса, где отсутствует зона отрицательного абсолютного давления и перепады минимальные (у втулки рабочего колеса), могут преодолеть этот путь без летального исхода или серьезных травм.
Уже давно ученые и специалисты гидроэнергетики, изучая кавитационные и энергетические процессы в гидротурбинах, обратили внимание на то, что подача воздуха в поток, идущий в турбину, и, в частности, в зоны кавитационных разрушений проточных элементов, резко снижает кавитационную эрозию и улучшает вибрационные и энергетические показатели оборудования агрегата. Этот факт зафиксирован, но каких-либо масштабных теоретических и экспериментальных исследований в этом направлении не проводилось. Если в поток турбины подается воздух, то рабочая среда становится двухфазной, существенно разнородной, а именно - с несжимаемой жидкостью и с сжимаемыми воздушными пузырьками, что значительно усложняет физическую модель рабочего процесса в проточной части гидротурбины. Четкого представления, на сегодняшний день, такой модели нет и поэтому здесь возможны только физические объяснения этого явления. Известно, что относительно небольшое количество свободного воздуха в воде может существенно изменить гидродинамические характеристики жидкости [62].
В основу метода защиты живых организмов взят эффект снижения интенсивности кавитации при аэрации текущего потока на турбину [47, 103]. В водоводе турбины поток через систему аэрации насыщается свободным воздухом с заданной концентрацией є. Пузырьки воздуха, идущие к рабочему колесу, несут потенциальную энергию сжатого воздуха. Воду в потоке можно представить как бы армированной пузырьками воздуха, которые, взаимодействуя с жидкостью, будут определять ее состояние при изменении скоростей течений и давлений. Если водовоздушная среда устремляется по водоводу в нижние слои к входу в спиральную камеру, то происходит процесс компрессии пузырьков воздуха. При входе в спиральную камеру скорости потока возрастают, и начинается процесс декомпрессии, который уже не может развиваться по законам течения идеальной жидкости, так как этим законам не подчиняются пузырьки газа, постоянно сжимающие жидкость. Такое состояние подобно поведению преднапряженного стальной арматурой бетона, когда при воздействии растягивающих внешних сил в бетоне не возникают растягивающие напряжения.
После сработки напора за долю секунды сжатый пузырек входит в зону потока, где избыточное давление отрицательно. Рассмотрим изменение состояния пузырька в пространстве движущейся жидкости этой зоны, объем которой на три порядка больше объема воздуха, подаваемого в поток. В разряженной жидкости пузырек будет стремиться к увеличению своих размеров, поэтому в объеме жидкости, окружающей поверхность пузырька, возникнут сжимающие напряжения, уравновешивающие внутреннее давление воздуха в пузырьке. В случае если жидкость не разрывается от растягивающих напряжений, поле таких напряжений преобразуется в поле сжимающих напряжений в результате воздействия в этом поле энергии распределенного сжатого воздуха. Если же жидкость в этом поле не разрывается, то в такой среде возникновение растягивающих напряжений исключается, так как среда приобретает свойства сжимаемости и при взаимодействии с энергией воздушных пузырьков устанавливается равновесие, при котором жидкость должна сжаться, что обеспечит защиту экосистемы реки от воздействия перепадов давлений и кавитации.
