Введение к работе
Актуальность темы. Гидротехническое строительство, связанное с
возведением ГЭС, оказалось сильным фактором антропогенного воздействия на водоёмы. Экосистемы водных объектов - рек, озёр, при эксплуатации ГЭС, претерпевают негативные изменения, оказывающие существенное влияние на гидробиологический режим, качество воды и рыбопродуктивность. В связи с этим очень важно комплексное изучение экосистем водоёмов, зарегулированных гидроэлектростанциями.
Одним из аспектов изучения влияния на экологические системы водоёмов является выяснение последствий прохождения гидробионтов с потоком воды через турбины ГЭС.
О последствиях воздействия гидромашин на окружающую среду можно судить по состоянию водоёмов, на которых эксплуатируются ГЭС. Ихтиологи и гидробиологи отмечают значительное обеднение ихтиофауны и планктона в реках за плотиной по сравнению с водохранилищем. Причиной этого обеднения является то, что при скате из водохранилища в нижний бьеф рыб и планктона идёт непрерывный процесс их травмирования и гибели в проточных каналах турбин ГЭС. Гибель планктона приводит к резкому снижению процессов самоочищения в водоёмах, и в этих условиях существенно возрастает роль хозяйственных стоков как загрязнителей водных систем. Кроме этого в таких водоёмах резко падает рыбопродуктивность.
По мере перемещения из верхнего бьефа в нижний травмирование и гибель рыб и планктона происходит в результате действия ряда факторов. К ним относят: изменение давления, величина которого меняется по мере движения гидробионтов по турбинному тракту (перепад давления); турбулентность и сдвигающие напряжения, возникающие при резком изменении скорости и направления движения потока; кавитацию, обусловленную резким снижением давления за рабочим колесом турбины; механическое воздействие на гидробионты со стороны элементов конструкции турбины.
Анализ большинства исследований показывает, что наибольшая доля травмирования и гибели гидробионтов вызвана перепадом давления и кавитацией и только потом от других факторов. В связи с этим можно сформулировать цель работы.
Цель работы. Создание и обоснование метода расчёта аэрационной системы защиты гидробионтов от воздействия перепадов давлений и кавитации в проточных каналах ГЭС, обеспечивающего минимизацию воздействия турбин ГЭС ца экосистемы водных бассейнов, для сохранения экологии водных ресурсов и окружающей среды.
Задачи исследований,
-
Используя физическую модель проф. Постоева B.C. течения двухфазной среды, разработать методику и программу расчёта воздействия перепадов давления и кавитации на гидробионты в проточных каналах турбин ГЭС;
-
Оценить степень повреждаемости гидробионтов при прохождении через турбины в штатных режимах эксплуатации Волжской, Саратовской, Шекснинской и других ГЭС;
-
Обосновать аэрационную систему защиты планктона и рыб от воздействия перепадов давления и кавитации в турбинах ГЭС и возможность определения оптимального количество подаваемого воздуха в турбину;
-
По результатам проведённых исследований оценить наносимый ущерб рыбному хозяйству при эксплуатации гидроэлектростанций (на примере Волжско-Камского бассейна).
Новизна исследований и научных результатов.
-
Разработаны расчётные схемы для определения перепадов давлений и показателей воздействия потока в турбинах ГЭС на гидробионты.
-
Составлены алгоритм и программа расчёта воздействия на гидробионты потока в камере рабочего колеса для вертикальных радиально-осевых, поворотно-лопастных и капсульных горизонтальных поворотно-лопастных турбин в штатных режимах эксплуатации ГЭС.
-
Составлены алгоритм и программа расчёта воздействия на гидробионты потока в камере рабочего колеса для вертикальных радиально-осевых, поворотно-лопастных и капсульных горизонтальных поворотно-лопастных турбин при эксплуатации ГЭС с аэрационной защитой.
-
Предложены конкретные рекомендации о необходимых объёмах подаваемого воздуха в поток гидротурбины перед рабочим колесом, для выполнения критериев безопасного прохода гидробионтов через турбины ГЭС.
Значимость для теории и практики. Для теории имеют значение математическая модель расчёта, применение которого позволит оценить воздействие потока в проточных каналах гидротурбины на гидробионты и получить процент повреждаемости живых организмов при эксплуатации ГЭС в штатных режимах и с аэрационной защитой. Это расширяет и углубляет теорию процессов протекающих в гидротурбинах ГЭС и вносит значительный вклад в экологическую защиту окружающей среды. Для практики имеет большое значение способ аэрационной защиты гидробионтов и методика расчёта параметров его реализации.
Реализация результатов исследований. Методика расчётов перепадов давлений в турбинах ГЭС использовалась в разработке нормативов предельно-допустимых воздействий турбин ГЭС эксплуатируемых в Невско-Ладожском водном бассейне на реках Свирь, Нарва, Вуокса, Волхов. На основании результатов исследований этой проблемы, составной частью которой является представленная диссертация, комитет по науке, культуре, образования, здравоохранения и экологии Совета Федерации Федерального Собрания Российской Федерации от 20.06.02 г. вынес решение (п.5.4.), рекомендовать Министерству природных ресурсов "Разработать нормативы, регламентирующие негативное воздействие турбин гидроэлектростанций на водные бассейны Европейской части Российской Федерации".
Апробация работы. Результаты исследований докладывались на ежегодных (2000-2002 гг.) научных конференциях в СпбГЛТА.
Публикации. Основное содержание диссертации изложено в пяти печатных работах.
Объём работы. Объём диссертации содержит 167 страницы машинописного текста, в том числе 37 рис., 23 табл., список литературы на 7 стр., 5 приложений на 7 стр.