Гидроэнергетические ресурсы речного стока

Гидроэлектростанция является промышленным предприятием по производству электроэнергии. Сырьем в данном производстве являются гидроэнергетические ресурсы реки, которые обычно характеризуются гидравлической энергией и мощностью водотока.

Механическая энергия воды, текущей под действием силы тяжести в русле реки в направлении с более высокой на более низкую геодезическую отметку, может быть преобразована ГЭС в другие виды энергии. Максимально возможная величина механической энергии воды какого-либо участка реки, которая может быть преобразована за некоторое время t в другие виды энергии на этом участке, называется гидравлической энергией данного участка реки. Максимальная скорость, с которой указанное преобразование гидравлической энергии может осуществляться, называется мощностью водотока данного участка реки.

Рассмотрим участок реки между живыми сечениями 1 и 2 (см. рис. 2.2). Поскольку у потока со свободной поверхностью сумма геометрической и пьезометрической высот (т.е. гидростатический напор) для любой точки сечения есть величина постоянная, высоту и давление в потоке будем характеризовать уровнем над плоскостью сравнения и давлением свободной поверхности воды. Механическая энергия воды, протекающей через сечение 1 за время t, равна

Э₁ = m₁gH_g1 = ₁v₁tgH_g1 = gQ₁H_g1t. (2.8)

Аналогично механическая энергия воды, протекающей через сечение 2 за то же время t, равна

Э₂ = m₂gH_g2 = ₂v₂ t gH_g2 = gQ₂H_g2 t. (2.9)

Здесь m₁ и m₂ - массы воды, протекающей соответственно через сечения 1 и 2 за время t. Таким образом, в участок реки 1-2 через сечение 1 за время t вносится энергия Э₁, а выносится через сечение 2 за то же время энергия Э₂. При на участке реки происходит потеря энергии или ее накопление в количестве, равном разности энергий Э₁ и Э₂ (Э_1-2). Если на рассматриваемом участке нет каких-либо дополнительных притоков или потерь воды, то с учетом условия неразрывности потока за время t через сечение 2 пройдет такое же количество воды, как и через сечение 1, а Q₁=Q₂=Q. При этом максимальная величина разности Э_1-2 характеризует величину энергии, которую рассматриваемый участок способен отдать за время t, то есть гидравлическую энергию данного участка реки.

Найдем разность Э_1-2:

Э_1-2 = Э₁ - Э₂ = gQ (H_g1 - H_g2 ) t = gQ H_1-2 t, (2.10)

где H_1-2 = H_g1 - H_g2 - потеря гидродинамического напора на участке реки 1-2. Учитывая, что плотность воды = 1000 кг/м³ , а g = 9,81 м/с², получим величину энергии Э_1-2 за время t, с, в джоулях:

Э_1-2 = 9810^.Q H_1-2 t. (2.11)

Поскольку в электроэнергетике принято энергию выражать в киловатт-часах (кВт^.ч), то

Э_1-2 = 9,81^.Q H_1-2 t /3600 = W^.H_1-2 /367 = 0,00272 W^.H_1-2. (2.12)

Мощность потерь энергии водотока N_1-2, кВт, при этом определяется как:

. (2.13)

Найдем теперь максимально возможные значения Э_1-2 и N_1-2. Расход Q обуславливается возможностями речного стока и в пределах участка 1-2 постоянен. Поэтому максимальные значения Э_1-2 и N_1-2 достигаются при максимуме H_1-2. Проанализируем выражение для H_1-2:

H_1-2 = H_g1 - H_g2 = (z₁ - z₂ ) + (p₁ - p₂ )/ g + (v₁² - v₂² )/2g. (2.14)

Величина первого слагаемого определяется рельефом местности. Для участков протяженностью около 100 км его значение имеет порядок от единиц до десятков метров. Второе и третье слагаемое выражения достигают максимума при p₂ = 0 и v₂ = 0. В то же время для открытых речных водотоков давления p₁ и p₂ приблизительно равны и равны атмосферному давлению. Поэтому второе слагаемое с большой точностью равно нулю. Скоростной напор v₁²/2g для характерной скорости потока воды v₁ 1 м/с имеет величину приблизительно 5 см и на практике обычно значительно меньше величины первого слагаемого. В связи с этим для практических расчетов принимается, что максимальная величина H_1-2 протяженных участков реки равна

H_1-2 z₁ - z₂. (2.15)

Обычно значение H_1-2, полученное из (2.15), называют геометрическим напором участка реки 1-2. Таким образом, выражения (2.12) и (2.13) с учетом (2.15) определяют гидравлическую энергию и мощность водотока участка реки.

Следует заметить, что для свободнопоточных микро ГЭС, интерес к которым в последние годы возрастает, основной вклад в напор H_1-2 в (2.14) дает третье слагаемое, поскольку из-за отсутствия плотины z₁ z₂. В связи с этим при проектировании их конструкции стремятся максимально сконцентрировать скоростной напор водного потока на рабочем колесе установки.

Мощность водотока, вычисленная по формуле (2.13), не полностью превращается на ГЭС в полезную электрическую мощность, поскольку при преобразовании энергии неизбежны потери (потери в водоприемнике, водоводах, турбине, генераторе). Суммарное значение КПД ГЭС меньше 1. С учетом сказанного полезная электрическая мощность ГЭС , кВт, и выработка ею электроэнергии , кВт^. ч, за период работы T определяются выражениями:

, (2.16)

, (2.17)

где - разность уровней воды в метрах перед и за плотиной (напор на ГЭС); период времени T измеряется в часах.

В естественных условиях полная энергия водного потока реки уменьшается вдоль русла, в основном, вследствие работы сил внутреннего трения между частицами воды и работы сил трения между потоком и руслом и, таким образом, расходуется на поддержание экологического состояния реки.

При рассмотрении вопроса о гидроэнергетических ресурсах различают следующие понятия:

1) валовой теоретический (брутто) гидроэнергетический потенциал, или потенциальные гидроэнергетические ресурсы, рассматривается в двух видах:

гидроэнергетический потенциал поверхностного стока, учитыва-ющий полную сумму механической энергии всех стекающих вод на территории данного района, страны или отдельного речного бассейна;

гидроэнергетический потенциал речного стока, учитывающий полную теоретическую сумму энергии только речного стока;

2) технический гидроэнергетический потенциал, или технически возможные к использованию гидроэнергетические ресурсы, - это та часть валового теоретического гидропотенциала речного стока, которая по состоянию современного технического уровня развития гидроэнергетического строительства может быть использована или уже используется (ориентировочно в настоящее время он составляет 24-52 % от теоретического потенциала);

3) экономически эффективная часть гидроэнергетических ресурсов, или экономические гидроэнергетические ресурсы, - это та часть гидро-энергетических ресурсов, использование которой является экономически оправданным.

Данные о гидроэнергетическом потенциале речного стока являются отправными при анализе экономической эффективности его использования.

На практике гидроэнергетические ресурсы обычно характеризуются двумя параметрами: суммарной мощностью стока и суммарным годовым запасом гидроэнергии. Для речных стоков потенциальные гидроэнергоресурсы оцениваются по приведенной ниже методике.

Для водотоков длиной более 100 км широко используется метод "линейного учета", который заключатся в том, что река делится на ряд участков и для каждого участка отдельно определяется мощность N, кВт, по формуле

, (2.18)

где и - расходы воды в реке соответственно в начале и в конце участка, м³/с; H - падение реки (геометрический напор) на данном участке, м. Потенциальные запасы гидроэнергии участка реки Э, кВт^.ч, определяются исходя из 8760 час (365 суток) использования потенциальной энергии по формуле

. (2.19)

Исчисление проводится по реке, без притоков, путем суммирования показателей гидроэнергетических ресурсов по отдельным участкам - от истока и до устья, а гидроэнергоресурсы притоков подсчитываются таким же образом отдельно. Все подсчеты обычно выполняются для среднемноголетнего значения стока реки. При водохозяйственном проектировании гидроузлов дополнительно проводятся расчеты для маловодных и многоводных лет, а также для лет с обеспеченностью стока в 50 и 95 % и такой же обеспеченностью годовой выработки электроэнергии.

Для подсчетов потенциальных гидроэнергетических ресурсов реки методом линейного учета существенное значение имеет правильное разделение реки на расчетные участки. Разделение на участки осуществляется с учетом уклонов реки, створов впадения ее крупных притоков и соответствующего увеличения стока, а также в зависимости от наиболее выгодных створов по топографическим, геологическим и технико-экономическим условиям. Число участков должно быть достаточным, чтобы выполненные подсчеты дали возможно более точное значение суммарной мощности для всей реки. Вместе с тем в целях избежания излишнего дробления реки на участки и уменьшения числа расчетов следует назначать опорные точки, определяющие собой границы участков, в основном, сообразуясь с нарастанием расходов воды по высоте падения реки и наличием гидрологической информации. Особенно большое значение имеет правильное разделение на участки рек, верховья которых характеризуются значительными падениями, но малыми расходами воды. Для этих рек следует точнее назначать границы верхних участков, что гарантирует подсчеты от преувеличения суммарной мощности рек. Число расчетных участков назначается в зависимости от протяженности и особенностей продольного профиля реки. Для крупных рек в целях более подробного освещения распределения потенциальных запасов гидроэнергии по длине реки число расчетных участков принимается примерно 15-20 и более, для небольших рек - 4-8 и для самых малых рек - 2-4.

Для водотоков длиной менее 100 км суммарные мощность N, кВт, и энергия Э, кВт^.ч, могут быть вычислены упрощенным способом по формулам:

, (2.20)

Э , (2.21)

где - расход в устье реки, м³/с; - падение реки от истока до устья, м; - коэффициент, равный 0,4 .

В подсчетах величины гидроэнергетических ресурсов исключительно большое значение имеют исходные данные: а) картографические - для определения длины, площади водосбора и падения реки, б) гидрологические - для определения среднегодовых значений расходов реки на всем ее протяжении.

3. КОНЦЕНТРАЦИЯ НАПОРА И

РЕГУЛИРОВАНИЕ РЕЧНОГО СТОКА