4.1.4. Основні стадії проектування малих гідроелектростанцій

Процес проектування гідроелектростанцій складається з двох етапів:

– складання загальної схеми енергетичного використання річки або групи річок (водноенергетична схема);

– складання проекту гідростанцій у вибраному створі річки.

На першому етапі проводять такі розвідування:

• топографічні – виконують для планово-висотного обґрунтування проекту (дає можливість заздалегідь визначити доцільність будівництва);

• гідрологічні – вивчення режиму річки та витрати води у створі гідроелектростанції;

• інженерно-геологічні та гідрогеологічні – для визначення показників міцності та надійності споруд гідроелектростанції.

Проектування станції проводиться у три послідовні стадії:

• проектне завдання, в якому подають схему використання водопотоку на вибраній ділянці, характеристику споживачів, що приєд­нують­ся до станції (графіки навантаження, типи базових споруд та їх основні розміри, техніко-економічні матеріали (укрупнені кошториси, висновки про економічну доцільність будівництва станції);

• технічний проект – основний документ для будівництва, в якому остаточно встановлюють усі техніко-економічні показники, типи та конструкції споруд, вартість та строки будівництва;

• робочі креслення.

4.2. Гідрологічні та гідроенергетичні розрахунки під час конструювання малих гідроелектростанцій

Мета гідрологічних розрахунків полягає у визначенні річного розподілу середніх (багаторічних) витрат річки, що є вихідними даними гідроенергетичного розрахунку складових об’єктів станції.

4.2.1. Основні показники гідрологічних розрахунків

Норма стоку – відношення середнього багаторічного значення витрат річки (за 40–50 років) до площі водозбору. Цей показник характеризує середню величину стоку з басейну.

Модуль стоку – виражає норму стоку в питомих одиницях, тобто від­ношення кількості води (в літрах за секунду), що стікає з одного квадратного кілометра водозбору:

л/с з 1 км²,

де Q₀ – середні багаторічні витрати, м³/с; F – площа водозбору, км².

Об’єм стоку W = Q₀T,

де T – кількість секунд у періоді, за який вимірюється стік (для року – 31,54  10⁶ с).

Річна висота води (шару стоку)

Модульний коефіцієнт – відношення величини стоку за певний період до середнього багаторічного значення стоку (за той самий період);

k_i = М_і / М₀ = Wi / W₀.

Він може бути річним, сезонним, місячним, максимальним і мінімальним.

Коефіцієнт стоку – відношення висоти шару стоку (h) до кількості опадів (), що випали в басейні стоку:

 = h / .

4.2.2. Методи оцінювання норми стоку

У практиці використовують такі (наближені) методи оцінювання норм стоку:

• за ізолініями – на географічних картах регіонів вказані лінії, що побудовані за багаторічний термін спостережень;

• за емпіричними залежностями – вони ґрунтуються на зв’язку стоку з опадами та випаровуванням (або на зв’язку між опадами та коефіцієнтом стоку):

Y₀ = x₀ – z₀,

де Y₀ – норма стоку, мм; x₀ – норма опадів (або середньорічна кількість опадів), мм; z₀ – норма випаровування (або середньорічна кількість води, що випаровується з басейну), мм.

Норму опадів для рівнинних басейнів визначають за довідником про водні ресурси, а норму випаровування – за картами, наведеними у спецлітературі з питань проектування гідроелектростанцій.

Розподіл багаторічних спостережень не дає достатньої достовірності про найбільші та найменші значення річного стоку. Для цього використовують аналіз кривих залежності модульного коефіцієнта від забезпеченості (тривалості) витрат річки. Підрахунок відсотка забезпеченості річного стоку за кожний рік спостережень проводиться за таким виразом:

,

де Р – відсоток забезпеченості річного стоку за кожний рік спостережень; m – порядковий номер члена ряду у разі розміщення у спадному порядку; n – кількість усіх членів ряду.

У практичних розрахунках користуються не самою кривою, а таблицею, складеною за нею (табл. 4.1). Для визначення ординат кривої забезпечення потрібно знати три числові параметри:

• норму стоку (Y₀);

• коефіцієнт варіації (c_v) – відношення середньоквадратичного відхилення до середньоарифметичного значення ряду Y:

де k = Y_i / Y₀ – модульний коефіцієнт;

– коефіцієнт асиметрії (c_s), що характеризує амплітуду коливань значень стоку в певних спостереженнях:

.

Цей коефіцієнт має стійке значення вже під час аналізу спостережень за 10–20 років. У разі короткотермінових спостережень його значенням беруть c_s = 2c_v.

Для переходу від табличних значень до інших користуються таким співвідношенням:

k = Фc_v + 1,

де Ф – відхилення ординат кривої забезпеченості за табл. 4.1; c_v – обчислений коефіцієнт варіації для цього ряду.

Отже, побудова кривої забезпеченості проводиться у такому порядку:

1. Визначають величину річних витрат із площі водозбору Q₀.

2. Обчислюють модульний коефіцієнт за всі роки спостережень k.

3. Розміщують модульні коефіцієнти у зростаючому (або спадному) порядку і обчислюють: (k – 1)(k – 1)² та (k – 1)³ до третього десяткового значення (перевірка: ).

4. Визначають коефіцієнт варіації.

5. За табл. 4.1. визначають коефіцієнт асиметрії для різних значень забезпеченості.

6. Приводять отримані дані за табл. 4.1 до реальних значень величини модульних коефіцієнтів для років різної забезпеченості.

Якщо немає даних спостережень за стоком або їх нетривалістю (менше 10 років), значення коефіцієнта варіації визначають за наближеним виразом:

,

де М₀ – норма стоку; F – площа водозбору.

Значення с_s приймають із відношення c_s = 2c_v.

Т аблиця 4.1. Відхилення ординат кривих забезпеченості від середини (від 0,1) залежно від значень

коефіцієнта асиметрії c_s за коефіцієнта варіації c_v = 1

Коефіцієнт асиметрії	Імовірність повторення або забезпеченості, %
	0,1	1	3	5	10	20	25	30	40	50	60	70	75	80	90	95	97	99	99,9
0,0	3,09	2,33	1,88	1,64	1,28	0,84	0,67	0,52	0,25	0,0	–0,25	–0,52	–0,67	–0,84	–1,28	–1,64	–1,88	–2,33	–3,09
0,1	3,23	2,4	1,92	1,67	1,29	0,84	0,66	0,51	0,24	–0,02	–0,27	–0,53	–0,68	–0,85	–1,27	–1,61	–1,84	–2,25	–2,95
0,2	3,38	2,47	1,96	1,7	1,3	0,83	0,65	0,5	0,22	–0,03	–0,28	–0,55	–0,69	–0,85	–1,26	–1,58	–1,79	–2,18	–2,81
0,3	3,52	2,54	2,0	1,72	1,31	0,82	0,64	0,48	0,2	–0,05	–0,3	–0,56	–0,7	–0,85	–1,24	–1,55	–1,75	–2,1	–2,67
0,4	3,66	2,61	2,04	1,75	1,32	0,82	0,63	0,47	0,19	–0,07	–0,31	–0,57	–0,71	–0,85	–1,23	–1,52	–1,7	–2,03	–2,54
0,5	3,81	2,68	2,08	1,77	1,33	0,81	0,62	0,46	0,17	–0,08	–0,33	–0,58	–0,71	–0,85	–1,22	–1,49	–1,66	–1,96	–2,4
0,6	3,96	2,75	2,12	1,8	1,33	0,8	0,61	0,44	0,16	–0,1	–0,34	–0,59	–0,72	–0,85	–1,2	–1,45	–1,61	–1,88	–2,27
0,7	4,1	2,82	2,15	1,82	1,33	0,79	0,59	0,43	0,14	–0,12	–0,36	–0,6	–0,72	–0,85	–1,18	–1,42	–1,57	–1,81	–2,14
0,8	4,24	2,89	2,18	1,84	1,34	0,78	0,58	0,41	0,12	–0,13	–0,37	–0,6	–0,73	–0,86	–1,17	–1,38	–1,52	–1,74	–2,02
0,9	4,38	2,96	2,22	1,86	1,34	0,77	0,57	0,4	0,11	–0,15	–0,38	–0,61	–0,73	–0,85	–1,15	–1,35	–1,47	–1,66	–1,9
1,0	4,53	3,02	2,25	1,88	1,34	0,76	0,55	0,38	0,09	–0,16	–0,39	–0,62	–0,73	–0,85	–1,13	–1,32	–1,42	–1,59	–1,79
1,1	4,67	3,09	2,28	1,89	1,34	0,74	0,54	0,36	0,07	–0,18	–0,41	–0,62	–0,74	–0,85	–1,1	–1,28	–1,38	–1,52	–1,68
1,2	4,81	3,15	2,31	1,91	1,34	0,73	0,52	0,35	0,05	–0,19	–0,42	–0,63	–0,74	–0,84	–1,08	–1,24	–1,33	–1,45	–1,58
1,3	4,95	3,21	2,34	1,92	1,34	0,72	0,51	0,33	0,04	–0,21	–0,43	–0,63	–0,74	–0,84	–1,06	–1,2	–1,28	–1,38	–1,48
1,4	5,09	3,27	2,37	1,94	1,34	0,71	0,49	0,31	0,02	–0,22	–0,44	–0,64	–0,73	–0,83	–0,04	–1,17	–1,23	–1,32	–1,39
1,5	5,23	3,33	2,39	1,95	1,33	0,69	0,47	0,3	0,0	–0,24	–0,45	–0,64	–0,73	–0,82	–1,02	–1,13	–1,19	–1,26	–1,31
1,6	5,37	3,39	2,42	1,96	1,33	0,68	0,46	0,28	–0,02	–0,25	–0,46	–0,64	–0,73	–0,81	–0,99	–1,1	–1,14	–1,2	–1,24
1,7	5,5	3,44	2,44	1,97	1,32	0,66	0,44	0,26	–0,03	–0,27	–0,47	–0,64	–0,72	–0,81	–0,97	–1,06	–1,1	–1,14	–1,17
1,8	5,64	3,5	2,46	1,98	1,32	0,64	0,42	0,24	–0,05	–0,28	–0,48	–0,64	–0,72	–0,8	–0,94	–1,02	–1,06	–1,09	–1,11
1,9	5,77	3,55	2,49	1,99	1,31	0,63	0,4	0,22	–0,07	–0,29	–0,48	–0,64	–0,72	–0,79	–0,92	–0,98	–1,01	–1,04	–1,05
2,0	5,91	3,6	2,51	2,0	1,3	0,61	0,39	0,2	–0,08	–0,31	–0,49	–0,64	–0,71	–0,78	–0,9	–0,95	–0,97	–0,99	–1,0
2,2	6,2	3,7	2,48	2,01	1,28	0,58	0,37	0,17	–0,11	–033	–0,49	–0,63	–0,69	–0,75	–0,85	–0,9	–0,9	–0,9	–0,91
2,4	6,47	3,78	2,49	2,01	1,25	0,54	0,33	0,13	–0,14	–0,35	–0,5	–0,62	–0,66	–0,71	–0,79	–0,82	–0,82	–0,83	–0,83
2,6	6,73	3,87	2,5	2,01	1,23	0,51	0,31	0,1	–0,17	–0,37	–0,5	–0,6	–0,64	–0,98	–0,74	–0,76	–0,76	–0,77	–0,77
2,8	6,99	3,95	2,51	2,02	1,2	0,47	0,26	0,06	–0,2	–0,38	–0,5	–0,59	–0,62	–0,65	–0,7	–0,71	–0,71	–0,71	–0,71
3,0	7,25	4,02	2,52	2,02	1,18	0,42	0,25	0,03	–0,23	–0,4	–0,5	–0,57	–0,6	–0,62	–0,65	–0,66	–0,66	–0,67	–0,67

Внутрішньорічний розподіл стоку, залежний від кліматичних умов, для макрорегіонів країни наведено у табл. 4.2. Він служить для роз­рахунків, якщо немає інформації про конкретний об’єкт. У табл. 4.3 наведено наближену величину питомих максимальних витрат від весняних паводків. Для отримання розрахункової величини потрібно табличні дані помножити на площу водозбору. Максимальні літньо-осінні дощові паводки значно нижчі від весняних.