Малые водотоки формируют более 70% поверхностного стока по всей площади России. На территории их водосбора находится большинство сельских и городских населённых мест, и для развития малой генерации наиболее перспективным является использование их гидропотенциала за счёт строительства малых и микро-ГЭС. Причинами, препятствующими их широкому внедрению, являются: высокая удельная стоимость; негативное воздействие на гидрологический режим малых водотоков; особые требования при строительстве на территории рекреационных объектов и природоохранных зон; высокая стоимость реконструкции стационарных гидроэлектростанций или её нецелесообразность при изменении антропогенных факторов и климатических условий [1–5]. 

Предлагается для равнинных малых водотоков, включающих малые реки и самотёчные каналы мелиоративных систем IV класса, создание типоразмерного ряда мобильных подпорно-регулирующих микро-ГЭС на базе низконапорной мембранно-вантовой плотины из композитных материалов с гибким рукавом, обеспечивающих: свободный пропуск водного потока в период половодий и паводков; мобильность; низкую материалоёмкость и стоимость; простоту монтажа и эксплуатации (рис. 1, табл. 1) [6–10]. Их применение позволит расширить использование местного стока для надёжного водои энергоснабжения сельскохозяйственных объектов и предприятий, в соответствии с требованиями экологической инфраструктуры России.

Обоснование конструкций из композитных материалов для создания малых и микро-ГЭС в условиях малых водотоков. 10/2019. Фото 1

Преимущества строительства микроГЭС на мелиоративных системах обусловлены следующими факторами:

  • капиталовложения в строительство мобильных малых и микро-ГЭС из композитных материалов на регулируемых участках оросительно-обводнительной системы оказываются в несколько раз ниже, чем возведение металлических и бетонных конструкций;
  • предлагаемые конструкции не нарушают конструктивной целостности водопроводящих сооружений и могут быть в случае необходимости установлены и демонтированы в кратчайшие сроки;
  • обеспечивается локальное водообеспечение и энергообеспечение фермерских хозяйств и малых предприятий.

Основным ограничением использования в горной и предгорной зонах объектов малой гидроэнергетики являются сложные условия их строительства и значительное негативное воздействие на окружающую среду в природоохранных зонах.

В условиях малых горных рек строительство деривационных* малых и микроГЭС сопряжено со значительными трудностями: опасные геологические и метеорологические явления, а также отсутствие дорожной инфраструктуры в створах строительства водозаборных сооружений и по трассе водовода.

Обоснование конструкций из композитных материалов для создания малых и микро-ГЭС в условиях малых водотоков. 10/2019. Фото 2

С учётом того, что бóльшая часть капиталовложений в случае деривационной схемы относится к строительству водозаборных и водопроводящих сооружений, авторами разработаны новые технические решения мобильных деривационных малых и микро-ГЭС сезонного действия. К преимуществам деривационных ГЭС перед постоянными относятся: возведение без применения тяжёлой строительной техники и использование местных строительных материалов; снижение стоимости конструкции и повышение её надёжности за счёт применения оболочечных конструкций из композитных материалов; многократность использования; уменьшение негативного воздействия на окружающую среду (табл. 2).

Обоснование конструкций из композитных материалов для создания малых и микро-ГЭС в условиях малых водотоков. 10/2019. Фото 3

Технические решения по прокладке и закреплению деривационных водоводов (ДВ) в условиях сложного рельефа местности представлены на рис. 2. Типоразмерный ряд гидроагрегатов, применяемых для малых и микро-ГЭС (табл. 1 и табл. 2), показан на рис. 3 [3–4].

Обоснование конструкций из композитных материалов для создания малых и микро-ГЭС в условиях малых водотоков. 10/2019. Фото 4

Для обоснования параметров рукавной мобильной микро-ГЭС мощностью от 2 до 15 кВт (патент РФ №2413050, рис. 1а) необходимо в дополнении к известному расчёту мембранно-вантовой плотины определить влияние сходящегося рукава конической формы на напряжённо-деформированное состояние водоподпорной оболочки. Для оценки воздействия водонаполняемого основания на положение и пропускную способность сооружения было проведено численное моделирование (ЧМ), результаты которого получили подтверждение при лабораторных исследованиях. Численное моделирование проводилось с использованием программного комплекса SolidWorks в приложениях Flow Simulation и Simulation, при этом учитывалась совместная деформация материалов водоподпорной оболочки и рукава (рис. 4).

Обоснование конструкций из композитных материалов для создания малых и микро-ГЭС в условиях малых водотоков. 10/2019. Фото 5

В результате проведения ЧМ были получены начальная форма основных элементов конструкции мобильного регулирующего сооружения рукавного типа (МРСРТ) и распределение максимальных напряжений, что позволило внести в техническое решение следующие коррективы: изменение относительной высоты закрепления рукава и определение участков для установки рёбер жёсткости в местах соединения рукава с водоподпорной оболочкой и гидроагрегатом.

На основе результатов численного моделирования с учётом динамики потока были выявлены эксплуатационные режимы по регулированию уровня воды в верхнем бьефе, исключающего захват воздуха со стороны верхнего бьефа и образование зон пониженного давления непосредственно в рукаве.

Обоснование конструкций из композитных материалов для создания малых и микро-ГЭС в условиях малых водотоков. 10/2019. Фото 6

На рис. 4в показаны линии тока, позволяющие дать наглядное представление о скоростной структуре потока внутри рукава, что позволило уточнить форму и место закрепления рукава, а также определить действующую на его стенки гидродинамическую нагрузку.

При помощи комплекса контрольно-измерительной аппаратуры определялись: уровни воды в верхнем и нижнем бьефах; расход воды; форма водоподпорной оболочки; гидродинамические давления в рукаве и на гидроагрегате; гидростатическое давление в водонаполняемом основании; скоростная структуру потока, а также частота вращения гидроагрегата при различных гидравлических условиях работы и моментах на валу турбины [8].

В результате анализа результатов экспериментального исследования форм оболочки при различных условиях организации водовода установлено, что при отсутствии водонаполняемого основания нагрузка на водоподпорную оболочку увеличивается, а в случае наличия её наполнения влияние пренебрежимо мало. При полном наполнении рукава происходит деформация и снижение пропускной способности рукава. При статистической обработке данных по гидравлическим условиям работы конического рукава получена следующая регрессионная зависимость коэффициента расхода от числа Рейнольдса Re, автомодельность по которому не была достигнута в изучаемом диапазоне скоростей потока:
Обоснование конструкций из композитных материалов для создания малых и микро-ГЭС в условиях малых водотоков. 10/2019. Фото 7

Конструкции плотинных схем могут использоваться и в плотинно-деривационных схемах. В ходе проведения экспериментальных исследований было установлено, что при работе сооружения без водонаполняемого основания рукава нагрузка на водоподпорную оболочку увеличивается за счёт влияния его веса, а потери напора при установке клапана максимального давления на водоводе водонаполняемого основания снижаются на 5% по сравнению с установкой без него.

Требуемое расчётное положение рукава обеспечивается водонаполняемым основанием при оснащении его клапаном максимального давления, причём давление в нём создаётся за счёт напора в верхнем бьефе.

При проектировании деривационного водовода (рис. 2) на верховых участках его трассы при напорах до 50–60 м используют гибкие безмоментные водонаполняемые оболочки (далее — водонаполняемые оболочки) из композитных материалов, в том числе на водонаполняемом или грунтонаполняемом основаниях. Для изготовления нижерасположенных участков используют полимерные и стальные трубопроводы [9]. Главным отличием гибких водонаполняемых оболочек деривационного водовода от жёстких является взаимосвязь их формы с внутренними и внешними нагрузками, а также граничными условиями.

Обоснование конструкций из композитных материалов для создания малых и микро-ГЭС в условиях малых водотоков. 10/2019. Фото 8

Поэтому расчёт замкнутых водоподпорных оболочек производится с учётом изменения их формы, в зависимости от гидродинамического воздействия потока на водонаполняемую оболочку ДВ и условий крепления и характеристик основания оболочки.

Существующие аналитические решения могут обеспечить только приближённые решения моделирования мягких оболочек в условиях больших перемещений. В то же время программный комплекс Ansys позволяет рассчитывать методом итерационного приближения модели с геометрической нелинейностью, в том числе Hyperelasticity с Large Strains и Large Deflections, с учётом гидродинамического воздействия и взаимодействия с контактной поверхностью [4]. Для моделирования оболочки и основания использованы конечные элементы Shell181 и Solid185.

Для уменьшения эффекта закручивания гибкого деривационного водовода однооболочковой конструкции под действием поперечных циркуляций, обеспечения достаточной устойчивости и надёжности работы рекомендуется применять многооболочковые конструкции. Закрепление гибкого участка ДВ опорной вантовой системой предусматривается при прокладке деривационного водовода по оползневым участкам, а также при уклонах более 45° по его трассе. Вантовые системы обеспечивают закрепление водовода на участках мощных аллювиальных отложений и оползневых явлений (рис. 2) [9, 10].

Следует отметить, что проектирование малых и микро-ГЭС коллективом с недостаточно высокой квалификацией, с учётом сложности расчёта нетиповых элементов в области больших перемещений для условий горного рельефа и опасных геологических и метеорологических явлений, может привести к критическим ошибкам. В связи с этим необходимо разработать систему принятия решения на основе многокритериальной математической модели (ММ) оптимизации малых и микро-ГЭС и интеллектуальной системы экспертной оценки.

Многокритериальная матмодель оптимизации малых и микро-ГЭС из композитных материалов предназначена для создания при проектировании оптимальной компоновки и параметров элементов малых и микро-ГЭС, обеспечивающих наилучшие технико-экономические показателями и надёжность функционирования всего сооружения в целом.

При создании малых и микро-ГЭС используем математическую модель с системным подходом. Системный подход позволяет объединить результаты численного моделирования (ЧМ) нетиповых элементов малых и микро-ГЭС с численными методами, пропорционально их значимости, в единую оптимизационную модель [11, 12].

При таком подходе нетиповые элементы микро-ГЭС составляют из отдельных подсистем, а затем интегрируют их в общее сооружение с учётом выбора типовых элементов. Например, водоподпорное сооружение является элементом головного узла малых и микро-ГЭС и включает в себя подсистему элементов: оболочку, вантовую систему, основание (понур), рисберму и т. д. Каждая из подсистем имеет свои целевые функции, критерии выбора и диапазон параметров. Такой подход означает, что каждая система является интегрированным целым даже тогда, когда она состоит из отдельных разобщённых подсистем.

Обоснование конструкций из композитных материалов для создания малых и микро-ГЭС в условиях малых водотоков. 10/2019. Фото 9

Для создания многокритериальной оптимизации (МКО) математической модели малых и микро-ГЭС осуществляем выбор метода МКО. Было принято решение использовать априорные методы, такие как сканирования с переменным шагом и случайных направлений, поскольку лицо, принимающее решение, при известном диапазоне параметров не всегда может предварительно определить свои предпочтения по техническому решению ГЭС данных видов. Оптимизация данными методами наименее требовательна к ресурсам персональных компьютеров.

В качестве основы для модификации метода скалярной свёртки используем метод взвешенных сумм. Суть его заключается в том, что многокритериальная задача оптимизации сводится к однокритериальной с помощью замены векторного критерия оптимальности, состоящего из нескольких частных критериев, одним обобщённым критерием, называемым целевой функцией. В этом случае, если есть несколько частных целевых функций, представленных в виде [12]:

Обоснование конструкций из композитных материалов для создания малых и микро-ГЭС в условиях малых водотоков. 10/2019. Фото 10

то они сводятся к нахождению минимума обобщённой скалярной целевой функции в общем виде:

Обоснование конструкций из композитных материалов для создания малых и микро-ГЭС в условиях малых водотоков. 10/2019. Фото 11

где α1, α2, …, αn — весовые коэффициенты при частных целевых функциях; CF1.эт, CF2.эт, … CFn.эт — значения частных целевых функций для эталонного состояния микро-ГЭС (данные значения нужны, чтобы использовать скалярную свёртку безразмерных величин); Shtraf — штрафная функция, которая принимает большие значения при невыполнении каких-либо ограничений на параметры микро-ГЭС и равна нулю при выполнении всех ограничений:

Обоснование конструкций из композитных материалов для создания малых и микро-ГЭС в условиях малых водотоков. 10/2019. Фото 12

Например, в инвариантной форме математической модели мембранно-вантовой плотины в виде системы уравнений целевых функций, согласно уравнению (1), выражается в следующем виде:

Обоснование конструкций из композитных материалов для создания малых и микро-ГЭС в условиях малых водотоков. 10/2019. Фото 13

где hвб/L — относительная глубина в верхнем бьефе к периметру оболочки L; Nт/B — отношение погонного натяжения к перекрываемому пролёту; Cp — относительная стоимость мембранно-вантовой плотины по отношению к железобетонной плотине; Ra — радиус вантовой системы мембранно-вантовой плотины; Фгр и Фкр — углы крепления гребня и основания незамкнутой оболочки мембранно-вантовой плотины.

В соответствии с инвариантными формами выражений (3), (4) составляем последовательность расчёта оптимизационной модели водоподпорной оболочки мембранно-вантовой плотины и её оптимальных параметров.

При решении главной проблемы выбора оптимальных параметров малых и микро-гидроэлектростанций рассматривается множество вариантов альтернативных решений компоновки элементов, а также параметров, состоящих из замкнутых и незамкнутых оболочек, созданных с применением композитных материалов, характеристик различных заполнителей, а также проводится их сравнение с традиционными элементами.

Структура многоступенчатой оптимизации малых и микро-ГЭС построена по агрегатному принципу и содержит пять уровней [4]:

  • 1-й уровень — анализ и оптимизация исходных данных, выбор критериев и ограничений для элементов малых и микро-ГЭС и сооружение инженерной защиты;
  • 2-й уровень — построение ММ элементов малых и микро-ГЭС;
  • 3-й уровень — однокритериальная оптимизация параметров малых и микроГЭС по одноцелевым функциям элементов малых и микро-ГЭС;
  • 4-й уровень — многокритериальная оптимизация параметров малых и микро-ГЭС по многоцелевым функциям элементов малых и микро-ГЭС;
  • 5-й уровень — окончательные расчё- ты выбранного сооружения (конструкции) и его элементов с применением разработанных методик расчёта.

Проведённые натурные испытания секции двухоболочечного деривационного водовода протяжённостью 60 м из материала Unisol 900 показали удовлетворительную — до 15% по максимальным напряжениям и 12% по пропускной способности — сходимость с численным моделированием (рис. 5). 

Обоснование конструкций из композитных материалов для создания малых и микро-ГЭС в условиях малых водотоков. 10/2019. Фото 14

Выводы

1. Разработанные технические решения малых и микро-ГЭС позволят расширить использование гидроэнергетического потенциала малых водотоков, не выходя за допустимые пределы.

2. При проведении численного моделирования и экспериментальных исследований определены основные диапазоны использования, допустимые условия строительства и область применения разработанных технических решений.

3. Обоснована необходимость применения многокритериальной оптимизации малых и микро-ГЭС в процессе принятия решения и создана обобщённая структура оптимизационной математической модели ГЭС данных типов.