Впровадження технології аерації води в гідроагрегатах ГЕС

Загальна інформація про аерацію води та актуальність впровадження цієї технології на дніпровських водосховищах

Що таке аерація води?

Аерація води – це добре всім відомий процес. Мабуть немає жодної людини, яка б не бачила акваріуму з рибками, життя яких підтримується за рахунок бульбашок повітря, що пропускається крізь товщу води.

Багато хто бачив, як на водоймах, особливо де розводять рибу, є штучні розбризкувачі води.

Менша кількість людей може спостерігати, як у відстійники стічних вод потужним компресором подають повітря, де вода, що надійшла з каналізації, очищується мікроорганізмами активного мулу для життєдіяльності яких потрібен кисень.

Всі ці процеси з нашого щоденного життя ілюструють застосування аерації.

А що не так з річковою водою?

В природних умовах не існує стерильно чистої води. Вода – це завжди розчин мінеральних та органічних речовин, в якому знаходиться величезна кількість живих організмів.

Звичайна вода, якою ми користуємось в побуті, містить на 1 літр від 50 до 200 мг мінеральних солей та органічних речовин. В природі ці речовини є живильним середовищем для організмів та бактерій. В ході життєдіяльності організми частину речовин з води поглинають, а після життєвого циклу – повертають у більш складних формах. На цьому обігу побудована вся піраміда життя на планеті.

За останні 200 років кількість скидів забруднювачів в річки досягла катастрофічної межі і водна екосистема втрачає здатність до самоочищення – вона просто не в змозі переробити такі обсяги забруднень. До того ж, у воду скидаються речовини, які в природі раніше не зустрічалися: від антибіотиків до мікропластика. За даними наукових досліджень, практично всі великі річки планети в результаті людської діяльності зазнають негативного антропогенного впливу, що призводить до погіршення якості води, підвищення токсичності водного середовища та заморних проявів. Індикатором масштабності таких негативних явищ може слугувати наявність кисню у воді. Підвищені концентрації кисню сприяють самоочищенню водного середовища і, відповідно,  посиленню стійкості до забруднення. Для переважної більшості водних мешканців кисень є найважливішим з розчинених у воді газів. Зниження його вмісту нижче критичних значень одразу призводить до їх загибелі.

В природних умовах кисень надходить з атмосфери тільки у верхні шари води, а також додатково від фотосинтезу – коли рослини виробляють його, поглинаючи вуглецевий газ. На більших глибинах відбуваються лише витрати кисню і тому тут спостерігаються його найнижчі концентрації. 

Таким чином, річкова вода на сьогодні містить велику кількість забруднювачів і на глибинах, де накопичуються відкладення зі стоків, не вистачає кисню для природнього самовідновлення.

Які особливості великих дніпровських водосховищ?

У водосховищах генератором активної циркуляції води у верхніх шарах є вітер, дія якого призводить до насичення киснем поверхневого шару води. Це, в свою чергу, створює нормальні умови для розвитку водних організмів. В придонних шарах джерела надходження кисню відсутні, однак активно відбувається його витрата за рахунок розкладання залишків рослинних і тваринних організмів, що спускаються з верхніх шарів. Наслідком цього є знекиснення води і значне погіршення її якості.

Наявність кисню у воді важлива і в хімічному аспекті. Його кількість впливає на активність хімічних реакцій, формує якість води і екологічний стан.

Схематичне зображення розподілу концентрації кисню по глибині дніпровських водосховищ

Згідно спостережень, що виконуються на дніпровських водосховищах, регулярно з’являється дефіцит кисню. У придонному шарі фіксуються його концентрації від 0,5 до 2 мг/дм3. Явище в маловодні періоди стає критичним, наслідки мають сильний негативний вплив на екосистему водойм. Це проявляється у задухах риби, які відбуваються щороку. Дефіцит кисню призводить і до зменшення чисельності та біорізноманіття донних безхребетних, які окрім того, що є кормовою базою риб, виконують значну роль у трансформації органічних речовин і мають неабиякий вплив на біохімічний кругообіг багатьох елементів та важких металів.

Розкладання органічних речовин у воді може йти аеробним, або анаеробним шляхом. У першому випадку (при наявності вільного кисню) виходять продукти, необхідні для живлення рослин, у другому випадку (за відсутності кисню) кількість цих продуктів менше, а їх місце займають сполуки, небажані для життєдіяльності організмів. У безкисневому середовищі при розкладанні білка разом з вуглекислотою утворюються, наприклад, метан, сірководень, індол, скатол, які мають характерний запах гниючого білку і є шкідливими продуктами.

Дно водойми, ізольоване від атмосфери шаром води, має більш сприятливі умови для діяльності саме анаеробних бактерій. Слід зауважити, що донні відкладення можуть поглинати до 50% від загальної кількості кисню, що споживається всією екосистемою водойми. Такий баланс характерний для нормального стану водойми. У разі, якщо до водойми потрапляють антропогенні відходи, та ще й безпосередньо в безкисневу глибоководну зону, то ситуація суттєво погіршується.

ПрАТ «Укргідроенерго» починає впровадження аерації води для покращення умов життєдіяльності рослин і тварин в придонному шарі водосховищ, а також для зменшення задух та збільшення самовідновлювальної спроможності р. Дніпро, особливо в місцях впливу мегаполісів та на природоохоронних територіях.

Річка Дніпро має понад 1150 малих, середніх і великих приток та акумулює воду з 15381 малої річки. Басейн Дніпра має найбільшу серед інших річок країни площу – 48,5% території України. Постановою Верховної Ради України від 24.05.2012 року затверджено Загальнодержавну цільову програму розвитку водного господарства та екологічного оздоровлення басейну річки Дніпро на період до 2021 року, яка містить розділ «Екологічне оздоровлення басейну р. Дніпра та поліпшення якості питної води». Впровадження аерації води в гідроагрегатах ГЕС цілком відповідає завданням цієї програми.

 Закордонний  досвід та приклади річкової аерації

Аерація води вже майже півстоліття є загальновизнаним підходом до покращення стану річок у світі. За ці роки напрацьовано багатий технічний і екологічний досвід в цьому питанні. В залежності від конкретних місцевих умов та потреб застосовують або відокремлені аератори, які встановлюються за греблею ГЕС, або здійснюють аерацію води безпосередньо на вході в гідроагрегат. Більш того, в США на рівні законодавства штатів встановлено вимоги щодо мінімального рівня кисню у воді за греблею, і ГЕС повинні його підтримувати у разі зниження.

Аерація окремим аератором за греблею, впроваджується там, де часто не співпадають графіки роботи гідроагрегатів з потребою в збільшенні розчиненого у воді кисню. Прикладом може бути ГЕС Lloyd Shoals (18 МВт,  Джорджія, США)

Лабіринтовий аератор річкової води. Фото https://www.tripadvisor.com/

Аерація в гідротурбінах застосовується там, де мають місце великі глибини і стабільний графік роботи гідроагрегатів, наприклад, ГЕС Belesar Peares II (Іспанія), John H.Kerr (США), Canyon Ferry (США), Conowingo (США). Далі  наведені фотографії процесу аерації води в гідроагрегаті під час натурного моделювання в конструкторських лабораторіях ALSTOM – провідного світового виробника гідроагрегатів великої потужності.

Фото Papillon B., Sabourin M., Couston M., Deschenes C. Methods for air admission in hydroturbines.

Загальна кількість гідроагрегатів, обладнаних аераторами, лише в США в 2015 році сягала 178 на 58 ГЕС.

Інше технічне рішення прийнято в Англії, де пішли шляхом  збагачення річкової води очищеним киснем із балонних установок (Vitox process). Стаціонарні системи  будувалися на річках Tyne, Tees, Medway and Tywi починаючи з 1972 року. Для  покращення стану річки Темза спроектовано та спущено на воду кораблі-аератори «Thames Bubbler» (1988) та «Thames Vitality» (1997). 

Річковий аератор «Thames Vitality». Фото captainjpslog.blogspot.com

 Річковий аератор «Thames Vitality». Фото captainjpslog.blogspot.com

За результатами цього позитивного досвіду,  для покращення стану китайської річки  Suzhou (53 км, проходить наскрізь мегаполіс Шанхай) було збудовано Suzhou Creek Bubbler (2001). 

Для чого ми впроваджуємо аерацію?  Екологічні проблеми, які можна вирішити за допомогою насичення води киснем

Екологічний ефект від аерації води є загальновизнаним фактом. Результатами промислового впровадження технології аерації на ГЕС в США та інших країнах окрім збільшення концентрацій кисню стало зменшення концентрацій заліза та марганцю у річковій воді нижче греблі. Але і це не все – аерація стисненим повітрям допомагає воді позбутися мікробульбашок сірководню, які «продуваються» повітрям, і це зменшує токсичні властивості води. Також стимулюється діяльність аеробних бактерій.

А чому ГЕС? Чому саме ПрАТ Укргідроенерго почало цим займатись?

Турбіни ГЕС – єдина можливість збагатити киснем придонні перетини річкового русла, адже вони встановлені на глибинах від 14 до 35 метрів (це стосується ГЕС Дніпровського каскаду). Існує кілька технологій подачі повітря в воду, що проходить ГЕС:

  • на вхід гідротурбіни,
  • безпосередньо в  гідротурбіну,
  • після греблі, у воду, що вже пройшла гідротурбіну.

Кожен з цих методів має свої переваги та обмеження. Але жоден інший водокористувач, окрім ПрАТ Укргідроенерго, 100% акцій якого належить державі, не має обладнання та гідротехнічниїх споруд, що дозволять робити аерацію води на глибинах більше 6-7 метрів ¬– саме там, де проходить основний потік річкової води з найнижчим вмістом кисню.

 Об’єктом впровадження аерації є ГЕС Дніпровського каскаду, які виробляють приблизно 7% української електроенергії. В той же час, водні ресурси басейну Дніпра становлять близько 80% водних ресурсів України. Після будівництва водосховищ комплексного призначення, відбулись значні зміни гідрологічного, гідрохімічного та гідробіологічного режимів Дніпра. Значно скоротилося біорізноманіття, спостерігаються явища загибелі водних організмів.

 З урахуванням того, що через гідроагрегати ГЕС проходить близько 95% річкового стоку, навіть відносно невелике збільшення концентрації кисню на 1 мг/літр в умовах критично низької його концентрації призводить до дуже значних результатів. Аерована вода транзитного стоку (тобто та вода, що протікає по фарватеру), зможе активізувати діяльність аеробних бактерій і покращить умови найважливіших ланок гідроекосистем придонного шару руслової частини. Це покращить самоочищувальні властивості Дніпра та сприятиме поверненню біологічних видів, які гинуть у бідній на кисень воді (раки, судак тощо).

Варто зауважити, що запровадження аерації на гідроагрегатах ГЕС може бути ефективним інструментом для управління якістю водного середовища. ГЕС є потужним регулятором величезних об’ємів води з низьким вмістом кисню, що надходять переважно зі значних глибин руслової частини водосховищ.

Економіка водокористування та аерації

В 2017 році підприємствами гідроенергетики до бюджетів всіх рівнів в Україні було сплачено 198,7 млн.грн рентної плати за спеціальне використання води, з яких  192 млн.грн (96%) – кошти ПрАТ «Укргідроенерго».

Світова практика впровадження пристроїв аерації на ГЕС показує, що витрати на їх експлуатацію, в залежності від потужності ГЕС, особливостей технічних рішень та режимів експлуатації, складають приблизно 2-3% річного бюджету виробника. В основному – це витрати електроенергії, що використовується для нагнітання повітря в воду. Сучасні рішення провідних виробників гідротехнічного обладнання дозволяють модернізувати гідроагрегати, коли ККД зменшується всього на 1,5-2%.

Гідроенергетики вбачають великий потенціал сталого розвитку від створення раціональної взаємодії наступних стейкхолдерів: держави, як власника водосховищ, гідроенергетиків, як найбільших платників до місцевих бюджетів, місцевих громад, аграрного та харчового секторів – як найбільш зацікавлених водоспоживачів, місцевих мешканців, екотуристів та рибалок-любителів – як основних користувачів чистої річкової води.

Впровадження даного проєкту сприятиме покращенню екологічного стану Дніпра, значному підвищенню біологічної продуктивності водних об’єктів та збільшенню промислової рибопродуктивності. Завдяки значній площі акваторій, які будуть охоплені проєктом, це принесе суттєвий економічний ефект. Окрім того, впровадження проєкту сприятиме вирішенню екологічних та соціальних проблем.

Наразі необхідне спільне рішення кількох міністерств щодо запровадження економічних та законодавчих механізмів покращення стану великих масивів води безпосередньо в дніпровських водосховищах.

Промислові випробування можливості впровадження аерації на Каховській ГЕС

ПрАТ Укргідроенерго в серпні 2019 року на гідроагрегаті №6 експериментально перевірило метод аерації, шляхом подачі стисненого повітря перед турбіною.

Головні завдання випробувань:

  • з’ясувати, як і наскільки зміняться режими і параметри виробництва електроенергії;
  • переконатися, що режими роботи гідроагрегатів залишаються у встановлених виробниками граничних межах технологічної безпеки;
  • переконатися, що додаткові витрати залишаються економічно прийнятними;
  • зафіксувати приборами як саме та наскільки змінюється стан води в районі греблі ГЕС.

Випробування показали, що навіть у складних умовах обмежень встановленого обладнання,  хімічного стану дніпровської води та погодних умов, аерація технічно можлива і вона дає результат - збільшення концентрації розчиненого кисню та зміну інтегрального показника - біохімічного споживання кисню (БПК5).

Варто зауважити, що це лише індикативні показники. Основна зона, де найбільш проявляється вплив аерації знаходиться нижче за течією, на відставні 3-5 км. Це пов'язано із часом  протікання хімічних реакцій розчинення кисню у воді та темпом споживання кисню активними формами життя.

Результати випробувань будуть враховані в режимах роботи Каховської ГЕС та в проектній документації на будівництво Каховської ГЕС-2 для території нижче греблі. Саме там спостерігатиметься суттєвий дефіцит кисню у придонних шарах руслової частини до дельти Дніпра включно. Позитивний досвід аерації буде розповсюджено на всі ГЕС Дніпровського каскаду.

Реконструкція обладнання, яка проводитиметься на підставі отриманих експериментальних даних, в подальшому дозволить здійснювати безперервну аерацію на всіх гідротурбінах.

Поетапне промислове впровадження аерації води дозволить зробити суттєвий крок для вирішення наступних проблем:

  • Покращення якості води у річці Дніпро.
  • Адаптація системи моніторингу стану водних екосистем до європейських норм.
  • Корегування режиму роботи ГЕС після очікуваного впровадження в Україні більш жорстких норм щодо стану води та режимів водокористування.