|
ПРЕДИСЛОВИЕ
Истощение природных запасов ископаемого топлива, а также интенсивный рост энергопотребления, вызываемый научно-технической революцией в последние годы, вновь вызвали интерес к проблеме использования приливной энергии. Следует отметить, что эволюция этой проблемы напоминает и само явление, в котором приливы сменяются отливами.
В 30-е годы казалось, что многолетние исследования и проекты приливных электростанций приведут к созданию первой промышленной установки Кводди (США), но вскоре после начала строительства в 1936 г. оно было прекращено как экономически неоправданное. Перед второй мировой войной, а затем и после ее окончания в США, Великобритании и Франции появились новые проекты, по одному из которых в 1967 г. во Франции была сдана в эксплуатацию первая промышленная ПЭС Ране. На открытии ПЭС тогдашний президент Франции де Гол ль назвал ПЭС Ране «выдающимся сооружением века», но выступивший вслед за ним министр промышленности Марселей заявил, что «в последующих планах развития французской энергетики строительство ПЭС не предусматривается и приоритет будет отдан атомным электростанциям». Причина этого заявления объясняется высокими затратами на сооружение ПЭС Ране, стоимость 1 кВт превышала в 2,5 раза стоимость 1 кВт сопоставимой речной ГЭС Герстхейм (соответственно 2000 и 800 франков).
Опираясь на этот факт, а также печальный опыт начатого в США в 30-е годы и заброшенного строительства ПЭС Кводди, которое тогда было окрещено «экономическим безумной», ряд авторитетных специалистов, в том числе и в нашей стране, выступили как принципиальные противники строительства ПЭС, утверждая, что их общий знергопотенциал незначителен, использование его неудобно ввиду цикличности и прерывистости энергии, дорого и неэкономично.
Однако после ПЭС Ране в последние годы в мире построены еще три ПЭС: Кислогубская (СССР, 1968), Аннаполис (Канада, 1984) и Цзян-сянь (КНР, 1985), а в Канаде, Великобритании, Индии, Южной Корее и СССР ведется проектирование мощных ПЭС, и некоторые из них намечается построить в недалеком будущем.
Так поднялась новая волна интереса к приливной энергии, вызвавшая новые исследования и публикации.
Если в довоенных изданиях (Франция — Е. Фишо [144] и М. Моро [211], СССР — В.Е. Ляхницкий [55]) приводилось общее описание явления и предлагались схемы небольших установок для использования его энергии, работающих по принципу приливных мельниц, то в 1961 г. в СССР вышла монография Л. Б. Бернштейна «Приливные электростанции в современной энергетике» [9], в которой наряду с констатацией трудностей освоения прерывистой в течение суток, пульсирующей в месячном периоде приливной энергии были показаны ее скрытые положительные качества и обосновывалась модель использования приливной энергии, преодолевающая эти трудности и делающая ее ценным компонентом системы. Сущность этой модели заключается в том, что в противоположность небольшим многобассейновым установкам, которые проектировались в предшествующие годы для снабжения прибрежных поселков, приливную энергию предлагалось захватывать отсечением больших морских заливов в таком виде, как ее рождает природа, в однобассейновых установках, которые дают наибольшее количество энергии при наименьших затратах, и направлять ее в объединения энергосистем, охватывающих целые страны и даже континенты. Здесь пульсирующие, прерывистые, но неизменно гарантированные потоки приливной энергии гармонично объединяются с энергией других электростанций, взаимно облагораживая работу друг друга. Так, приливная энергия с помощью обратимых капсульных агрегатов становится управляемой и трансформируясь из лунного в солнечное время, направляется в энергетические системы, частично в пик графика нагрузки, а частично в базовую его часть, экономя природное горючее.
При этом были даны опенки возможного к использованию энергопотенциала прилива (0,8 ТВт), хотя и составляющего довольно скромную долю от речного технического потенциала (4 ТВт) и тем более безграничного ядерного. Но на примере различных стран, берега которых омываются морями с высокими приливами, был показан возможный энергетический эффект от осуществления предлагаемого решения.
В книге также были предложены наплавной метод строительства приливных электростанций и соответствующая ему конструкция, позволяющие кардинально снизить их стоимость. Работа эта сразу получила признание ведущих советских и зарубежных специалистов. В отзывах, помещенных в журналах «Гидротехническое строительство», «Water Power», «Houille Blanche», «Civil Engineering», «Engineer», отмечалось, что книга представляет «основополагающее руководство по проектированию приливных электростанций» (Холум, США), «фундаментальный труд, помогающий проектированию ПЭС и вносящий серьезный вклад в исследование проблемы» (Жибра, Франция), «который приведет к эффективному использованию приливной энергии в большом масштабе» (Гервик, США). В 1965 г. по заказу научного фонда США книга была издана на английском языке [1031.
За рубежом начиная с 1953 г. публикуются труды выдающегося французского ученого Р. Жибра, сформулировавшего новый подход к проблеме использования энергии приливов [155 — 164].
Далее издаются труды конференции в Галифаксе (Канада, 1972 г.) [171], труды Колстонских симпозиумов (Англия. 1978 и 1981 гг.) [95, 98, 125, 131, 139, 181, 188, 210, 223, 257, 280, 288, 298]. В 1982 г. выпущена книга Р. Шарлье «Приливная энергия» [120]; в книге Р. Тейлора «Нетради-ционные источники энергии» [263], вышедшей в 1983 г. в Великобритании, содержатся главы, посвященные ПЭС. Кроме того, в ряде журналов мира в последние годы опубликованы статьи таких ведущих специалистов, как Е. Вилсон [281 — 289], Р. Кларк [122, 123], X. Андре [92], Р. Бонфий [116, 117], А. Карас [190], М. Ба-наль [99], Д. Бикли [1101, Т. Шоу [245 — 254], Г. Годин [166 — 168], Г. Дафф [133 — 135] и др.
В настоящем издании на основе анализа современного состояния проблемы и ее аспектов: энергетическо-
го (оптимизация работы ПЭС в системе), океанологического (влияние ПЭС на приливы), оборудования (капсульные и прямоточные гидроагрегаты), строительного (наплавные конструкции и технология их исполнения), показано, как в современных проектах мощных ПЭС реализуется концепция, предложенная в книге, изданной в 1961 г. [9].
Во Франции построена промышленная ПЭС Ране, где установлены уникальные обратимые горизонтальные гидроагрегаты. В СССР построена наплавным способом опытная Кис-логубская ПЭС, которая «освободила строителей. — как отметил английский эксперт по приливным электростанциям проф. Вилсон, — от неимоверных трудностей возведения перемычек, ограждающих в море котлован ПЭС, трудностей, которые чуть не погубили осуществление проекта Ране» [289], и которая для приливных электростанций «явилась решением века» (Шарлье, 1982), снизив стоимость их возведения на 25 — 38 %.
Изменилась и энергоэкономическая ситуация в мире: цены на жидкое топливо, являвшееся тогда основным источником энергоснабжения, поднялись без учета инфляции в 5 — 7 раз (наблюдаемое в последнее время снижение цен на нефть в 2 — 3 раза имеет временный конъюнктурный характер, не исключающий рост затрат на добычу нефти), продолжалось интенсивное использование остающихся гидроэнергоресурсов и широко раз-
электростанций, общая мощность которых на планете сегодня составляет 400 ГВт, а выработка энергии на них — более 2000 ТВт-ч/год.
В предлагаемой книге показано, как эти условия повлияли на решение сложной, но актуальной проблемы использования энергии приливов. Доказана эффективность предлагаемых к осуществлению проектов ПЭС в Канаде (Камберленд, 1,2 ГВт, Кобекуид, 3,8 ГВт), Англии (Северн, 7,2 ГВт, Мерсей, 0,6 ГВт), Южной Корее (Гаро-рим, 0,5 ГВт), и продолжается проектирование ПЭС в других странах (Индия, Австралия, КНР, Аргентина).
В нашей стране на основе тщательно проведенных испытаний и исследований Кислогубской ПЭС ведутся работы по обоснованию проектов сверхмощных ПЭС. Это прежде всего Мезенская ПЭС (15 ГВт, 50 ТВт-ч), работа которой может быть рассмотрена в комплексе высокоширотного энергетического моста (Туруханская ГЭС на Енисее и другие ГЭС, Мезенская ПЭС — Центр страны), и Тугурская ПЭС,- которая совместно со строящейся Бурейской и другими ГЭС дала бы поток гарантированной мощности для обеспечения плотного графика нагрузки не только Дальневосточного региона, но и для экспорта. Венцом наших возможностей может быть Пенжин-ская ПЭС, мощность которой (21 — 87 ГВт) потребует ее объединения с уникальной Нижнеленской ГЭС и АЭС для обеспечения производства энергоемкой продукции.
Понятно, что реализация такой грандиозной программы требует основательной подготовки, необходимость которой вызывается не только нерешенными аспектами проблемы, но и несколько меньшими приливами в намеченных в СССР створах по сравнению с зарубежными (в Мезени Аср = = 6м, в Фанди Аср = 9 м). Для этого необходимо, в частности, облегчение крупных наплавных конструкций за счет применения керамзитобе-тона, металла, пластмасс, создание протяженных плотин взрывным способом и, главное, целая революция в
гидроагрегатов массовыми сериями.
Существуют и другие вопросы, которые требуют решения для воплощения крупномасштабных проектов ПЭС: оптимизация работы ПЭС в системе с различными компонентами, создание математических моделей для определения уровня перед плотиной и за ней при работе ПЭС, упрощение и удешевление гидроагрегата, выбор оптимального режима, механизация устройства подводного основания и постепенный пуск ПЭС. Этим вопросам уделено значительное внимание в книге.
Исследования проблемы использования приливной энергии ведутся в ряде стран. В СССР исследования ведутся в рамках координационных планов ГНТК головной организацией Гидропроектом им. С. Я- Жука при участии ВНИИЭ, В НИИ Г,
ВНИИэлектромаш, ГОИН, ЛОГОИН, мурманского филиала ААНИИ, ИОАН, ТОЙ ДВНЦ, ММБИ Кольского филиала АН СССР, ЛГМИ, ЛВИМУ, территориальных управлений (Северного, Мурманского и Колымского) Госкомгидромета СССР.
Энергетическая программа СССР ставит задачу создания на первом этапе (к 1990 г.) материально-технической базы для широкого использования приливной энергии (как и других нетрадиционных энергоисточников) на
следующем этапе (2000 г). В настоящее время готовится проект опытнопромышленной Кольской ПЭС мощностью 38 МВт с выработкой 40 ГВт х хч, которая в комплексе с речной ГЭС явится моделью работы Мезенской ПЭС в энергосистеме Центра. В проекте Кольской ПЭС разрабатываются, а затем будут проверены в на-туре указанные выше вопросы.
Кроме того, уже сейчас осуществлены проекты крупных наплавных конструкций (переход ВЛ 330 и 700 кВ через Каховское водохранилище восемью 100- и 126-метровыми опорами на наплавных фундаментах, водопропускное сооружение в комплексе защиты Ленинграда от наводнений).
Мы надеемся, что предлагаемое издание будет способствовать широкому использованию приливной энергии.
Книга написана коллективом авторов: главы 1,2 — совместно доктором техн. наук Л. Б. Бернштейном и доктором геогр. наук, проф. А. В. Некрасовым; главы 3,4, 5 (кроме § 5.3), 11 (кроме § 11.5), 12 (кроме § 12.3 и 12.4), 13, § 14.5, 15 — 22 — доктором техн. наук Л. Б. Бернштейном; § 5.3 — инженерами М. Л. Моносовым и Л. М. Моносовым; главы 6 — 8 — канд. техн-наук В. Н. Силаковым; гл. 9 — сов. местно доктором техн. наук Б. Л. Эрлихманом и инженерами Н. Н. Кузнецовым и Г. А. Тонкояном; гл. 10 — доктором геогр. наук A. В. Некрасовым; § 11.5 — инженером B. И. Платовым; § 12.3, 14.1, 14.2 — канд. техн. наук И. Н. Усачевым; § 12.4, 14.3, 14.4 — инженером C. Л. Тельфером. Расчеты конструкции ПЭС в § 12.4 и Кислогубской ПЭС в §20.2 написаны канд. техн. наук Л. И. Супокицким; знергоэкономичес-кая оценка Мезенской и Кольской ПЭС в § 20.4 и 20.5 выполнена Б. Л. Эрлихманом. Энергетические расчеты в гл. 20 выполнены инженером В. В. Вынаевым; сравнение наплав-ных конструкций ПЭС и-разработка — их для створов в СССР в главах 12 и 20 выполнены инженером Т. А. На-зарьевой при участии инженеров Г. Д. Гавриловой, Л. С. Знайченко, Т. А. Каденкиной.
Все замечания и пожелания по книге просьба направлять в Энергоатомиздат по адресу: 113114, Москва, М-114, Шлюзовая наб., 10.
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОБЛЕМЫ
ГЛАВА 1
ФИЗИКА ПРИЛИВНЫХ ЯВЛЕНИЙ
1.1. ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРИЛИВНЫХ ЯВЛЕНИЙ
При описании приливных явлений используется терминология, установленная ГОСТ 18453 — 73. П р и л и в — полный цикл приливных колебаний уровня, включая прилив (подъем уровня) и отлив (падение уровня). Соответственно в дальнейшем изложе-нии принят термин «приливная электростанция» или сокращенно по аналогии с ТЭС, ГЭС и АЭС — ПЭС, т. е. электростанция, использующая явление прилива, при котором она может работать как на одной фазе — приливе, так и на другой — отливе, поочередно или избирательно. Поэтому определение приливной электростанции как гидроэлектростанции, использующей энергию морских приливов и отливов, по ГОСТ 19185 — 73 является неверным, так как ее нельзя называть гидроэлектростанцией, поскольку она использует не силу падения воды, а энергию вращения Земли; кроме того, ПЭС может работать не только на приливе-отливе, но и отдельно на каждой из этих фаз. Поэтому и прилагательным «приливная» определяется особенность данного типа электростанции, которая в отличие от других (тепловых, атомных, речных, ветровых, солнечных, геотермальных и др.) реализует энергию особого вида, а именно приливную энергию.
Волна прилива заливает огромные пространства. В зависимости от положения пункта на земном шаре (рис. 1.1), формы береговой линии и рельефа дна уровень прилива поднимается на высоту от нескольких сантиметров во внутриматериковых морях (Черное, Балтийское, Средиземное и др.) до многих метров в вершинах воронкообразных заливов, открытых сторону океана. Именно в вершине такого залива Фанди в Канаде (см. рис. 18.4) наблюдается наивысший на земном шаре прилив 16,2 м [84], который в шторм 1969 г. у порта Монктон достиг 17,3 м [2721. В других пунктах земного шара наивысшие приливы наблюдаются в Великобри-тании в устье р. Северн (14,5 м), во Франции в порту Гранвиль (14,7 м), в Аргентине в порту Рио-Гальегос (13,3 м), в Австралии в устье р. Фиц-рой (11,5 м). В СССР наибольший прилив происходит в Мезенском заливе Белого моря в устье р. Кулой (10 м) и в Пенжинской губе Охотского моря, м. Водопадный (13,4 м).
При больших амплитудах прилива его волна, заходя в устья многоводных рек, поворачивает вспять их течение.
На некоторых реках свободная поверхность приливной волны при высоких приливах, обычно в начале прилива, сопрягается с зеркалом речного потока в форме прыжка, высота которого достигает от 1 [эстуарии рек Северн (Великобритания), Несь и Кулой (Мезенский залив СССР)] до 2 м (р. Сома, Франция), 9 м (р. Хугли, Бенгальский залив, Индия). Этот водяной вал обычно распространяется в устье реки вместе с приливной волной. В отлив вал образуется уступом с крутизной фронта 70° в сторону моря. Такое явление носит название бора.
Приливные колебания уровня сопровождаются переменными приливными течениями, изменчивость которых во времени характеризуется в общем теми же закономерностями, однако в каждом конкретном пункте они
для уровнями течений могут быть различивши. в некоторых местах из-за специфических местных условий общие закономерности приливных движений могут нарушаться, что выражается в задержке и искажении плавного хода уровня или течения.
В таких пунктах, как м. Матугин в Гижигинской губе, в течение части лунного месяца прилив продолжается 12 ч, а при отливе, на середине его или позже, течение неожиданно замирает и даже сменяется небольшим приливом, после чего отлив продолжается.
Причина смены приливов даже там, где они проходят строго регулярно, долгое время оставалась непознанной, хотя еще древние греки догадывались о связи приливов с фазами луны, но сложность и различие приливных колебаний привели к тому, что древнее изречение «приливы — могила человеческого любопытства» в течение многих веков казалось незыблемым.
Приливные колебания уровня чаще всего имеют периодичность, равную половине лунных суток, т. е. 12 ч 24 мин (полусуточные приливы), либо целым лунным суткам, т. е. 24 ч 48 мин (суточные приливы). В большинстве случаев реальные колебания представляют собой сочетание обоих указанных типов и получают название ро
преобладает над другим. Если оба типа колебаний играют существенную роль, то прилив называют смешанным. Максимальный уровень в продолжение одного периода приливных колебаний называют полной водой (ПВ), а минимальный уровень — малок водой (MB).
Высота колебаний уровня характеризуется разностью уровней соседних полной и малой вод, которую называют величиной прилива А*, либо высотой полной или малой воды относительно среднего приливного уровня, называемой амплитудой прилива Л/2
(рис. 1.2). Эти характеристики в одном и том же пункте могут существенно изменяться во времени. Наиболее заметные изменения имеет период 14,7 сут (половина лунного месяца), в течение которого амплитуда изменяется от максимума до минимума, причем значения этих экстремумов также бывают различными. При полусуточных приливах наибольшие значения амплитуд достигаются при новолунии и полнолунии (сизигийные
приливы), а минимальные — в первую и третью четверть Луны (квадратурные прили-в ы). При суточных приливах наибольшие амплитуды наблюдаются при экстремальных склонениях Луны (тропические прили-в ы), а минимальные — при нулевом склонении (экваториальные приливы). При совпадении по фазе тропических приливов с сизигийными амплитуда суммарного прилива достигает максимальных значений.
На карте приливов (см. рис. 1.1) даны значения максимальных, средних сизигийных (тропических) и средних величин прилива в пунктах, где возможно энергетическое использование прилива. Отметим, что в атласах, учебниках и монографиях по океанологии приводятся, как правило, лишь
* В иностранной литературе буквой А также обозначается амплитуда прилива, т. е. максимальное отклонение от положе-
данные о наибольших амплитудах. В публикациях, посвященных использованию энергии прилива, приводится средняя величина прилива, которая имеет определяющее значение для установления параметров ПЭС.
1.2. ФИЗИЧЕСКАЯ ПРИРОДА ПРИЛИВОВ
Причиной приливных движений (приливных колебаний уровнял приливных течений) в Мировом океане является приливообразующая сила, возникающая при гравитационном взаимодействии Земли с Луной и Солнцем. Приливообразующая сила Луны в данной точке земной поверхности определяется как разность местного значения силы притяжения Луны и центробежной силы от обращения системы Земля — Луна вокруг общего центра тяжести. Практическое значение для водной оболочки Земли имеет лишь горизонтальная составляющая приливообразующей силы, распределение которой по поверхности Земли показано на рис.1.3. В процессе своего вращения Земля «проворачивается» внутри этого силового поля, которое относительно медленно изменяет свою ориентацию («следя» за положением Луны на небесной сфере) и интенсивность (усиливаясь при сближении Луны с Землей и ослабевая при их удалении).
Простейшая реакция водной оболочки Земли на действие приливообразующих сил определяется статической теорией Ньютона. Согласно этой теории водная оболочка принимает форму, при которой уклон водной поверхности в любой момент уравновешивается приливообразующей силой. При сплошной водной оболочке она должна принять форму эллипсоида вращения, большая ось которого направлена на Луну. Пока эллипсоид, следуя за Луной, сделает один оборот вокруг Земли, сама Земля провернется внутри него вокруг своей оси 29,53 раза. Понятно, что при этом вращении каждая точка поверхности Земли будет проходить на различных васстоя-
ниях от поверхности силового приливного эллипсоида. Легко видеть, что расстояния между соответственными точками поверхности эллипсоида и вращающегося внутри него шара будут непрерывно и периодически изменяться от минимума к максимуму и опять к минимуму. Это и определяет приливное колебание, имеющее строго определенную периодичность. Если Луна находится в плоскости экватора, эта периодичность — чисто полусуточная.
Прилив, вызываемый Солнцем, возникает по тому же принципу, что и лунный, но ввиду большего удаления Солнца от Земли величина солнечного статического прилива в 2,17 раза меньше лунного.
Простая полусуточная периодичность приливных колебаний усложняется влиянием трех основных факторов: переменного склонения приливообразующих светил (Луны и Солнца) относительно плоскости земного экватора, изменением их взаимного расположения относительно Земли и, наконец, изменением их удаления от Земли. В результате возникают различия в высотах и времени наступления полных и малых вод — неравенства прилива. По
своей периодичности неравенства разделяются на суточные, полумесячные, месячные и долгопериодные. Причины неравенств могут быть объяснены на основе статической теории.
Суточное неравенст-в о проявляется в различии по высоте двух смежных полных и малых вод в течение суток и в неравенстве времени их падения и роста. Это неравенство связано со склонением прнливо-обр азующего светила относительно плоскости земного экватора (рис. 1.4). При том положении эллипсоида, которое показано на рисунке, правильный полусуточный прилив сохраняется только на экваторе {PP=QQ), а севернее и южнее него возникают неравенства. Например, в точке В наблюдается полная вода, высота которой ВВ будет наибольшей; последующая полная вода А А* будет значительно меньше. Не равны также время падения уровня и время последующего роста. На полюсах и в высоких широтах (точки Е и F) вторая полная вода будет отсутствовать и прилив будет суточным. Таким образом, можно сказать, что суточное неравенство является следствием появления суточной составляющей, нарастающей с удалением от экватора.
Полумесячные неравенства включают в себя фазовое и тропическое неравенства.
Фазовое неравенство, характерное для полусуточных приливов. обусловлено периодическими изменениями взаимного расположения Земли, Луны и Солнца (т. е. фазами Луны). В новолуние и полнолу- ние, когда Земля, Луна и Соляце находятся на одной линии, эллипсоиды солнечного и лунного приливов «суммируются», что дает увеличенный сизигийный прилив.
При расположении Луны и Солнца под прямым углом относительно Земли (первая и третья четверти) эллипсоиды лунного и солнечного приливов взаимно «вычитаются», приводя к уменьшенному квадратурному приливу. Средний период фазового неравенства равен 14,7 сут.
Тропическое неравенство проявляется в изменении интенсивности рассмотренного выше суточного неравенства. Эта интенсивность, т. е. доля суточной составляющей в приливном колебании, увеличивается с ростом склонения Луны и периодически — с периодом, равным 13,7 сут, достигает максимального значения (тропические приливы) при одновременном уменьшении полусуточной составляющей. При нулевом склонении интенсивность суточного неравенства минимальна и приливы являются экваториальными.
Месячное неравенст-в о, называемое также параллактическим, обусловлено изменением расстояния от Луны до Земли из-за того, что Луна вращается вокруг Земли по эллиптической орбите. Когда Луна находится в перигее — на расстоянии 57 земных радиусов, ее приливообразующая сила, а следовательно, и прилив увеличиваются; при положении Луны в а п о г е е — на расстоянии 63,7 земного радиуса — прилив уменьшается. Период этого изменения величины прилива равен 27,55
Изменения склонения Солнца и его расстояния до Земли порождают тропическое и параллактическое неравенства в солнечном приливе с полугодовой и годовой периодичностью; эти неравенства относятся к долго-пер йодным. Существуют и неравенства с еще большими периодами. Наиболее заметное из них — неравенство с периодом 18,6 года, связанное с изменением максимально возможного склонения Луны. Влияние этого неравенства для правильных полусуточных приливов относительно невелико.
KOHEЦ ФPAГMEHTA
|
