Впровадження технології аерації води в гідроагрегатах ГЕС

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.

Особливості басейну річки Дніпро

Річка Дніпро має понад 1150 малих, середніх і великих приток, і акумулює воду з 15381 малої річки. Басейн Дніпра займає найбільшу серед інших річок країни площу – 48,5% території України. Водні ресурси басейну Дніпра становлять близько 80% водних ресурсів України.

Після будівництва водосховищ комплексного призначення відбулись значні зміни гідрологічного, гідрохімічного та гідробіологічного режимів р. Дніпро. Глибина руслової частини, по якій проходить основний стік Дніпра в різних місцях становить 16-35 м. Глибина, на яку атмосферний кисень потрапляє природним шляхом за рахунок вітрової активної циркуляції води - приблизно до 6м.

Це 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.

 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.

 Наслідки дефіциту кисню на приклади пониззя Дніпра

Згідно інформації, наданої співробітниками Херсонської гідробіологічної станції НАН України, що приймали участь у цьому проекті, в звичайних умовах, тобто без аерації води, в заплавних водоймах пониззя Дніпра в літній період  виникає гіпоксія. Встановлено, що навіть при нормальних концентраціях кисню:

при витратах води нижче 500 м3/с вже на третю добу на 1 км2 акваторії водойм формується дефіцит кисню біля дна; а через 26 діб в придонному шарі всіх зайнятих водною рослинністю ділянок водойм (>40 км2) можливі анаеробні умови і загибель макрозообентосу.

При витратах води 200 м3/с це може статися через 13 діб.

Замірами під час цих випробувань зафіксовано, що навіть за умови концентрації кисню протягом світового дня 7 мг/дм3,  в нічні та ранкові часи концентрації кисню на глибині від 10 м  падають нижче 4-5 мг/дм3

В умовах кліматичних змін, коли влітку одночасно зменшується кількість опадів і збільшується кількість днів з температурою вище 30 °С, для нормального існування водних екосистем вкрай необхідним є додаткове надходження розчиненого кисню до цих вод, і ці умови виникають вже не тільки влітку, а і в інші пори року.

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). 

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.

Схема аерації, що застосована для іспитів. 

Перетин 1- 1 Сміттєутримуюча гратка з перфорованою трубою

Перетин 4-4 Вхід в підвідну камеру гідроагрегата

Випробування проводяться на гідроагрегаті  при двох різних навантаженнях: 50 і 80% від номінальної потужності

Компресором потужністю 75 кВт стиснене повітря повітря під тиском 2 атм подається в супутній потік води на глибину, нижче горизонтальної осі гідротурбіни

В обох режимах фіксуються вібраційних характеристики в різних точках гідроагрегата

Аналіз води робиться до початку випробувань, під час випробувань та після завершення випробувань.

Досягнуті результати аерації на Каховській ГЕС

Хімічні аналізи проводила Херсонська лабораторія моніторингу вод та ґрунтів Держводагентства  із складанням відповідних протоколів. Загальна кількість відібраних лабораторних проб 48 од.  Умови під час випробувань (середина дня, вітер 5 м/с, великі хвилі) були такими, за яких вважається, що аерація не дає ефекту.   Також за окремою програмою робилися  заміри концентрації кисню на різних відстанях від греблі і глибинах. 

 

 

При фоновому рівні кисню 7,4 мг/дм3 в режимах аерації зафіксовано збільшення концентрації до 7,8 мг/м3

При фоновому рівні показника БСК5  2,35 мг/дм3 в режимах аерації зафіксовано збільшення показника до 3,15 мг/м3. Після припинення аерації БСК5 за гідроагрегатом повернувся  до 2,6

 

 

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.

Глобальне бачення

Реконструкція ГЕС, яка буде проводитись на підставі отриманих експериментальних даних,  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 впливу ГЕС на стан водних екосистем відповідно до європейських практик;

Впровадження режимів роботи ГЕС з урахуваннясм вартості екосистемних послуг.

Укргідроенерго вбачає 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 економіки – як найбільш зацікавлених водоспоживачів, місцевих мешканців, екотуристів та рибалок-любителів – як основних користувачів чистої річкової води.