Регулирование речного стока водохранилищами ГЭС

Рис. 3.3. Среднемноголетний годовой гидрограф реки

Естественный режим речного стока отличается крайней неравномерностью. На равнинных реках, например, в период весеннего паводка (1,5-3 мес.) проходит до 60-70 % годового стока. На рис. 3.3 для иллюстрации представлен характерный для рек восточно-европейского типа среднемноголетний годовой гидрограф (внутригодовое распределение среднемноголетнего стока реки) в относительных единицах , где - средний за многолетний период наблюдения расход воды для конкретного времени года, - среднемноголетний расход воды. В то же время энергопотребление у ГЭС существенно при этом не меняется. Использование речного стока гидроэлектростанцией в течение суток осуществляется также неравномерно. Так, если в течение суток график нагрузки ГЭС отличается крайней неравномерностью, то приточность на протяженном участке равнинных рек за это время почти неизменна. Кроме того, необходимый для работы ГЭС напор обычно распределен вдоль определенного участка реки, а сооружения ГЭС располагаются в конкретном створе реки. Таким образом, постоянно существуют противоречия между естественным временным и территориальным распределением стока и режимом его потребления ГЭС.

Для устранения указанных противоречий необходимо перераспределить естественный сток и во времени, и по территории. Такое перераспределение достигается путем регулирования стока водохранилищами. В водохранилищах задерживается избыточный естественный приток, когда он превышает спрос потребителей, и расходуется, когда этот спрос больше притока. Кроме того, необходимый напор при этом концентрируется непосредственно в створе ГЭС. Конечная цель регулирования речного стока водохранилищами заключается в увеличении гарантированной мощности ГЭС и количества вырабатываемой ею электроэнергии за счет снижения влияния неоптимального для ГЭС гидрологического режима реки за регулируемый период.

Степень зарегулированности стока характеризуется коэффициентом относительной емкости водохранилища (коэффициент емкости) , равным отношению полезного объема водохранилища V_пол к среднему за многолетний период значению объема годового стока W₀ в створе плотины:

= V_пол / W₀. (3.2)

Различают регулирование водноэнергетическое и водохозяйственное. При водноэнергетическом регулировании производится перераспределение стока для энергетических целей, а при водохозяйственном - в целях водопользователей и водопотребителей. При любом виде регулирования потребители воды в некоторые периоды времени работают с расходом воды, превышающим приток. При этом необходима сработка водохранилища. В другие периоды времени воды расходуется меньше притока и происходит наполнение водохранилища. Промежуток времени между ближайшими циклами сработки (от начала до начала), сопровождающимися промежуточными заполнениями водохранилища, называется циклом регулирования. В зависимости от длительности цикла регулирования различают суточное, недельное, сезонное, годичное и многолетнее регулирование.

Суточное регулирование заключается в том, чтобы в часы малой нагрузки ГЭС запасти в водохранилище избыточный приток, а в часы повышенной нагрузки его сработать. Недельное регулирование обеспечивает неравномерное потребление воды ГЭС в течение недели в соответствии с недельными колебаниями нагрузки потребителей. На рис. 3.4 для примера показаны графики изменения основных параметров ГЭС при суточном и недельном регулировании.

Как при суточном, так и при недельном регулировании возникают различного рода дополнительные требования к режимам работы ГЭС, предъявляемые неэнергетическими участниками комплекса, например, водным транспортом. Для удовлетворения этих требований производят пропуски в нижний бьеф определенных объемов воды, называемые базисными.

Рис. 3.4. Графики суточного и недельного регулирования стока: а - мощности ГЭС; б - расходов; в - уровня верхнего бьефа; г - уровня нижнего бьефа; д - напора

Базисные пропуски приводят к снижению энергетической эффективности работы ГЭС. Однако при комплексном использовании водотока это снижение с экономической точки зрения комплекса в целом бывает вполне оправданным.

Цель длительного регулирования (сезонного, годичного и многолетнего) - снизить влияние неравномерности притока реки за регулируемый период. Это достигается путем накопления в водохранилище вод половодья, а также избыточного сезонного стока или же стока одного или нескольких многоводных лет и использование его в течение маловодного периода. Для того, чтобы водохранилище ГЭС могло осуществлять многолетнее регулирование, его объем должен составлять не менее 30-50 % от величины среднего за многолетний период объема годового стока реки, т.е. _м.р. = 0,3-0,5. Для водохранилища годичного регулирования _г.р. = 0,02-0,3.

Кроме указанных выше видов регулирования, различают специальные виды регулирования, в том числе каскадное, когда гидроэнергетические ресурсы реки используются несколькими ГЭС, последовательно расположенными друг за другом.

Оптимизация регулирования речного стока является достаточно сложной задачей, учитывающей многочисленные (зачастую противоречивые) требования, и включает в себя водохозяйственные и водноэнергетические расчеты, которые сводятся к определению режима сработки-наполнения водохранилища, т.е. к определению временной зависимости уровня воды в верхнем бьефе . Для проведения таких расчетов разработан ряд методов.

Рассмотрим здесь задачу водноэнергетического расчета режима сработки-наполнения водохранилища при заданном временном графике активной мощности нагрузки ГЭС за период времени , где времена и соответствуют началу и концу расчетного периода. Задача заключается в нахождении зависимости . Начальное состояние водохранилища считается известным. Известными считаются также временные зависимости КПД ГЭС , расхода притока реки , зависимость объема водохранилища от уровня верхнего бьефа , зависимость уровня нижнего бьефа от величины расхода воды в нем . В последней зависимости предполагается, что в характеристике нижнего бьефа не учитывается подпор от нижележащей ГЭС.

Если мощность нагрузки меньше предельной мощности ГЭС, расход воды, пропускаемый через турбины ГЭС, меньше максимально допустимого, а холостые сбросы через водослив плотины отсутствуют, то расчетные выражения задачи имеют вид:

(3.3)

где , и - расход на ГЭС, расход водохранилища и напор на ГЭС в момент времени t соответственно. Форма записи второго выражения означает, что объем водохранилища зависит от изменяющегося со временем уровня верхнего бьефа. Аналогичное значение имеет форма записи шестого выражения.

Совокупность расчетных выражений (3.3) представляет собой систему уравнений, определяющую искомую зависимость . В связи со сложностью взаимосвязей основных переменных найти из данной системы уравнений зависимость в простом аналитическом виде и определить по ней режим водохранилища при известном графике нагрузки не представляется возможным. В то же время система уравнений (3.3) достаточно просто решается методом последовательных приближений.

При использовании этого метода расчетный период времени T разбивается на интервалы , внутри которых можно считать значения постоянными и равными среднеинтервальным значениям ( ). Для каждого интервала путем последовательных приближений отыскивается значение в конце данного интервала ( ), при котором обеспечивается мощность ГЭС . При этом за начальное значение на i-м интервале ( ) принимается конечное значение на ( i-1 )-м интервале ( ). Расчет начинается с нулевого интервала, для которого начальное значение соответствует уровню верхнего бьефа в момент времени ( ). Ниже приводится алгоритм решения системы уравнений (3.3) для произвольного i-го интервала времени.

1. Начальное значение уровня верхнего бьефа соответствует его конечному значению на ( i-1 )-м интервале , т. е. = .

2. Из области допустимых конструкцией ГЭС значений уровня верхнего бьефа, ограниченной с одной стороны уровнем мертвого объема УМО, а с другой - форсированным подпорным уровнем ФПУ, берется произвольное значение .

3. По известной зависимости находятся объемы водохранилища в начале и конце интервала .

4. Находится среднеинтервальный расход водохранилища , м3/c:

. (3.4)

5. Находится средний расход для нижнего бьефа :

. (3.5)

6. Для найденного значения по известной зависимости определяется величина .

7. Вычисляется среднее значение за интервал :

. (3.6)

8. Определяется средний напор на ГЭС , м :

. (3.7)

9. Находится средний расход ГЭС :

. (3.8)

10. Находится расчетная мощность ГЭС , кВт:

. (3.9)

11. Проводится сравнение с заданной мощностью :

. (3.10)

Величина А характеризует погрешность проведенного расчета. Если А меньше допустимой погрешности , то значение считается решением задачи. Если нет, то выбирается другое значение и процедура повторяется вновь. При этом пользуются следующим правилом: если , то следующее значение берут меньше предыдущего, и наоборот. При третьей и последующих итерациях для ускорения расчетов и схождения решения пользуются предположением о линейном характере зависимости от внутри интервала . Если известны значения и , и в двух итерациях - j-й и (j+1)-й, то значение , соответствующее , можно приближенно найти по формуле

. (3.11)

Результаты расчетов обычно оформляются таблично. В связи с этим описанный алгоритм часто называется табличным способом расчета режима сработки-наполнения водохранилища ГЭС. Алгоритм расчета достаточно просто и эффективно реализуется на ЭВМ. В процессе реализации алгоритма следует обращать внимание на то, чтобы расчетная мощность не превышала предельно установленную для ГЭС, а расход воды ГЭС был не больше максимально допустимого.

Приведенным методом могут быть выполнены расчеты режима сработки-наполнения водохранилища для различного вида регулиро-вания, например, годового или суточного. При этом для годового регулирования за расчетный интервал принимают обычно для периода межени (период времени , когда сохраняется низкий уровень воды в реке) один месяц и для периода паводка от 2 до 10 суток в зависимости от характера гидрографа . Для суточного регулирования за временной интервал принимают обычно 1 час.

Рис. 3.5. Расходные характеристики ГЭС

Во время паводков резко увеличивается приток воды. Когда водохранилище близко к заполнению или уже заполнено, а приток существенно превышает энергетические потребности потребителей, то с целью выработки наибольшего количества электроэнергии в интересах энергосистемы в целом ГЭС должна работать по возможности с максимальной мощностью. При этом на работу ГЭС накладываются два основных ограничения: ограничение по допустимой мощности генераторов и ограничение по максимальному расходу турбин, обусловленное их конечной пропускной способностью. Данные ограничения наглядно представлены в координатах , (рис. 3.5). Линии 1, 2 на рис. 3.5 являются линиями равной мощности. Линия 1 соот-ветствует установленной (предельной) для ГЭС мощности ( ) и является линией ограничения по мощности генераторов при заданном коэффициенте мощности . Линии 3, 4 - это линии равных напоров, причем для линии 4 величина напора H_г меньше величины напора H_р для линии 3. Напор H_р (линия 3) называется расчетным по мощности напором и соответствует минимальному напору на ГЭС, при котором ГЭС еще может работать с полной установленной мощностью. Величины H_р приводятся в каталогах по турбинам. Напор H_р связан с установленной мощностью соотношением

, (3.12)

где - максимально допустимый расход на ГЭС при напоре H_р. Максимальный расход определяется типом турбины и зависит от напора на ГЭС. Линия 5 на рис. 3.5 соответствует линии ограничения по мощности турбин. Из рис. 3.5 видно, что при напорах на ГЭС действует ограничение по мощности генераторов, а при - ограничение по мощности турбин.

С учетом (3.12) величину можно найти из выражения

. (3.13)

Максимальный расход при напоре находится по формуле Муди:

. (3.14)

Максимальный расход при напоре определяется из соотношения

. (3.15)

С учетом указанных ограничений максимальная мощность, с которой ГЭС может работать при напоре , равна

(3.16)

Разница между и при называется связанной по напору мощностью :

. (3.17)

Если при работе ГЭС возникает необходимость, чтобы расход воды в нижнем бьефе был больше , то для этого производят холостые сбросы воды из водохранилища в нижний бьеф с расходом

. (3.18)

Подобная ситуация обычно возникает, когда ГЭС работает с мощностью , уровень верхнего бьефа соответствует предельному значению, а расход притока превышает расход ГЭС .

Алгоритм расчета и оптимизации режима сработки и наполнения водохранилища в период паводка подобен описанному выше алгоритму расчета режима сработки и наполнения водохранилища при заданной мощности нагрузки, но дополняется условиями ограничения на работу ГЭС (3.13)-(3.16), (3.18). При этом критерием оптимального режима является условие выработки максимальной величины электроэнергии при минимальном расходе холостых сбросов за расчетный период времени.

4. ОСНОВНЫЕ СООРУЖЕНИЯ ГЭС