Тарасенко А.А., Солнцев Г.Е.
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МИНИ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ В РЕСПУБЛИКЕ САХА (ЯКУТИЯ) *
Аннотация:
в статье рассматривается возможность использования мини-гидроэлектростанции деривационного типа для энергоснабжения удалённого населённого пункта Республики Саха (Якутия) на примере пгт. Усть-Нера. Проведён анализ климатических и географических условий региона, влияющих на выбор типа гидроустановки. Обоснован участок размещения, определены параметры деривационного канала, подобраны гидротурбины, генератор, преобразователь частоты и элементы электрической защиты. Разработана схема автоматизированной системы управления с использованием ПЛК и датчиков. Выполнена оценка капитальных затрат и срока окупаемости проекта. Полученные результаты подтверждают целесообразность внедрения малой гидроэнергетики в условиях Крайнего Севера и её потенциал для автономного энергоснабжения.
Ключевые слова:
мини-гидроэлектростанция, деривационный канал, Якутия, автономное энергоснабжение, гидротурбина, автоматизация
Развитие локальных и автономных источников энергии становится ключевым направлением в обеспечении энергетической доступности для удалённых и труднодоступных регионов России. Республика Саха (Якутия) занимает обширную территорию с резко континентальным климатом, низкой плотностью населения и ограниченной транспортной доступностью. Во многих населённых пунктах отсутствует подключение к централизованной энергосистеме, а основным источником электроэнергии остаются дизельные электростанции, требующие регулярной доставки топлива и обладающие высоким уровнем выбросов [5].В этих условиях особый интерес представляют мини-гидроэлектростанции (мини-ГЭС), которые позволяют использовать местный водный ресурс и обеспечивать стабильное энергоснабжение без постоянных топливных поставок. Такие установки имеют относительно простую конструкцию, высокую надёжность и низкие эксплуатационные затраты. Особенно актуальны деривационные мини-ГЭС, позволяющие использовать естественный уклон русла реки без необходимости создания крупных плотин [5].Республика Саха (Якутия) характеризуется наличием большого количества рек с устойчивым стоком, что открывает возможности для использования гидроэнергетического потенциала. При этом значительная часть территории представляет собой районы, не охваченные централизованным электроснабжением, особенно в горных и северных зонах. В качестве целевого населённого пункта был выбран посёлок городского типа Усть-Нера, находящийся в Верхнеколымском районе. Население пгт. Усть-Нера составляет около 2 тысяч человек, и в настоящее время электроэнергия поступает от дизельной станции, эксплуатация которой связана с высокими затратами и логистическими трудностями.Проведённый анализ карт высот и уклонов показал, что вблизи пгт. Усть-Нера имеются участки реки Индигирка с уклоном порядка 1,6 ‰, что позволяет при строительстве деривационного канала длиной 2,5 км получить перепад высот около 4 м. Это делает возможным реализацию мини-гидроэлектростанции деривационного типа без необходимости строительства высокой плотины и затопления территорий. Такой подход обеспечивает экологическую безопасность проекта и простоту его реализации в инженерном и финансовом отношении [1].Рис. 1. Расположение мини-ГЭС на реке Индигирка. Основой проектируемой станции является использование деривационного канала, обеспечивающего необходимый напор за счёт естественного уклона местности. В расчётах был принят напор 4,13 м и скорость движения воды в канале 1 м/с. При заданной мощности генерации 300 кВт и с учётом коэффициента полезного действия оборудования (≈ 85 %) был определён необходимый расход воды — около 8,7 м³/с. На основании этих параметров подобраны габариты деривационного канала и рассчитаны гидравлические потери. Общие потери напора составили 0,62 м, что подтверждает реалистичность выбранной схемы [3].В качестве основной водяной машины выбрана пропеллерная турбина, разработанная для малых и средних напоров. Каждая турбина рассчитана на мощность 141,1 кВт при напоре 12,3 м и расходе воды 1,34 м³/с. Для достижения требуемой суммарной мощности были выбраны две такие турбины, работающие параллельно. Турбины выполнены в вертикальном исполнении и требуют установки повышающего редуктора, поскольку их скорость вращения составляет 600 об/мин, тогда как используемый синхронный генератор рассчитан на 1500 об/мин [5].Рис. 2. Схема турбины Фрэнсиса. 1 – рабочее колесо, 2 – отводящая труба (диффузор), 3, 10 – направляющий аппарат (лопатки), 4 – крышка напора (верхняя крышка), 5 – вход воды, 6 – главный вал, 7 – кольцо управления направляющими лопатками, 8 – направляющий аппарат воды, 9 – спиральная камера (обечайка), 11 – опорное кольцо (корпус направляющего аппарата)Для согласования характеристик механической и электрической части системы произведён расчёт передаточного числа редуктора и угловой скорости вала. На основе полученных значений были выбраны подходящие редукторные агрегаты и генератор мощностью 150 кВт. Также произведён выбор преобразователя частоты с векторным управлением, дросселей на входе и выходе, а также устройств электрической защиты.Особое внимание в проекте уделено вопросам автоматизации. Разработана схема управления станцией на базе промышленного контроллера (ПЛК), обеспечивающая включение и отключение генераторов в зависимости от уровня воды, температуры и других параметров. Алгоритм управления и установки защит были подобраны с учётом особенностей изолированной сети и сезонных колебаний расхода воды.Основным преимуществом мини-гидроэлектростанций в удалённых районах является независимость от регулярных поставок топлива и низкие эксплуатационные затраты. В рамках проекта была выполнена оценка капитальных вложений, включающая стоимость турбин, генераторов, преобразователей частоты, редукторов, элементов автоматизации, систем защиты, строительства деривационного канала и монтажных работ. Общая стоимость проекта составила около 17,9 млн. рублей.При этом годовая выработка электроэнергии при установленной мощности 282,2 кВт и работе в течение года составила около 2,4 млн. кВт·ч. По сравнению с дизельной генерацией экономия топлива составила порядка 494,4 тыс. литров в год, что позволило значительно сократить расходы на энергоснабжение. Расчёты показали, что при текущем уровне тарифов и затрат проект окупается менее чем за 2 года, ориентировочно за 0,4 года.Помимо финансовых выгод, проект обеспечивает существенное снижение выбросов парниковых газов, а также повышение энергетической надёжности в регионе с экстремальными климатическими условиями. Благодаря дублированию основных элементов (две турбины и два генератора), станция может работать даже в случае выхода из строя одного из агрегатов, а также обеспечивать гибкий режим обслуживания без полной остановки энергоснабжения.Рассмотренный в статье проект мини-гидроэлектростанции для посёлка Усть-Нера в Республике Саха (Якутия) демонстрирует техническую и экономическую целесообразность использования малой гидроэнергетики в условиях Крайнего Севера. Применение деривационной схемы позволяет эффективно использовать природный уклон местности без строительства крупных плотин, сохраняя экологическую устойчивость района.Проведённые инженерные расчёты подтвердили возможность получения требуемого напора и расхода воды. На основе анализа параметров выбраны надёжные серийные гидротурбины и электротехническое оборудование, подобрана схема автоматизации и защиты. Экономические расчёты показали, что проект окупается менее чем за два года, обеспечивая не только снижение затрат на электроэнергию, но и повышение энергетической независимости региона.Результаты работы могут быть использованы при разработке аналогичных объектов в других удалённых населённых пунктах с водными ресурсами, особенно в северных и труднодоступных районах России.
Номер журнала Вестник науки №5 (86) том 3
Ссылка для цитирования:
Тарасенко А.А., Солнцев Г.Е. ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МИНИ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ В РЕСПУБЛИКЕ САХА (ЯКУТИЯ) // Вестник науки №5 (86) том 3. С. 2125 - 2131. 2025 г. ISSN 2712-8849 // Электронный ресурс: https://www.вестник-науки.рф/article/23254 (дата обращения: 13.07.2025 г.)
Вестник науки © 2025. 16+