Основы управления гидрологическими процессами
.pdfГлава 12. СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОДОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ И ВОДНОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ
Наряду с установлением основных параметров водохранилищ и соответствующих им водоили энергоотдачи необходимо опреде лить дополнительные характеристики режима работы гидроузла:
первоначальное наполнение водохранилища в условиях различной водности; отдачу за пределами расчетной обеспеченности, т.е. в зо не наступления перебоев, и т.п.
12.1.Первоначальное наполнение водохранилища
ирежим работы ГЭС
Для проведения водохозяйственных и водноэнергетических расчетов в период первоначального наполнения водохранилища или так называемого периода временной эксплуатации гидроузла долж ны быть установлены сроки и темпы начального наполнения водо хранилища, сроки ввода гидроагрегатов и их эксплуатационные ха рактеристики в зоне пониженных напоров, а также пропускная спо собность туннелей или других водосбросных сооружений.
Интенсивность первоначального наполнения водохранилища и сроки пуска первых агрегатов ГЭС зависят от соотношения объемов водохранилища и речного стока, а также от заявок на воду отраслей
хозяйства и особенно экологических попусков ниже створа гидроузла. Эти расчеты выполняются, как правило, применительно к мно говодным, средним и маловодным условиям. По многоводным ус ловиям устанавливаются темпы роста подпорных сооружений, в средних по водности условиях определяется годовая выработка электроэнергии, а в расчетных маловодных условиях (90 или 95%-й обеспеченности) - годовая и месячные выработки (мощности), а
также располагаемая по напору мощность ГЭС.
Расчеты первоначального наполнения водохранилища выпол няются балансовым методом по календарным или смоделирован ным рядам расходов воды. При этом приток в водохранилище либо принимается таким же, как в характерные по водности годы и пе риоды, имевшие место в прошлом, либо моделируются примени тельно к серии лет заданной обеспеченности. Последний рекомен дуется использовать для крупных водохранилищ, наполнение кото рых возможно осуществить лишь за несколько лет.
151
При моделировании теоретического маловодного периода 90 или 95%-й обеспеченности из п лет коэффициент изменчивости стока и-летия Cv„ определяется по формуле С.Н. Крицкого и М.Ф.
Менкеля:
2 гх |
1 |
п |
|
1 |
- г х |
(12.1) |
|
-(п ■ |
|
), |
|
п { \ - г х) |
1 - г х |
|
|
где Cvr - коэффициент изменчивости годового стока в створе проек тируемого сооружения; г х - коэффициент корреляции между годо вым стоком смежных лет, при г х = 0 формула упрощается и приоб ретает вид
П |
V/, |
_ г vr |
* |
|
Г~ |
||
|
|
л/п |
|
Годовой сток последнего года каждый и-летки (Q „) принимает ся равным суммарному стоку и-летки за вычетом стока предшест вующих (и - 1) лет, т.е. Q„ = Q p ■ п - Q p- (л-1). Для примера в табл. 12.1 дан подсчет теоретического маловодного периода 95%-й обес печенности.
Средневодный период в п лет представляет собой повторение
средневодного года.
Таблица 12.1
Подсчет теоретического маловодного периода 95% -й обеспеченности
|
Qr = 3570 м3/с; С„ = 0,15; гх = 0,3; Cs /С,, = 2 |
|
|
||||
Продол |
|
Модульный |
Средний расход воды обеспеченностью |
||||
житель |
Cvnпо |
|
95% |
|
|
||
коэффици |
|
|
|
||||
ность |
фор |
|
|
|
п-го года |
||
ент обеспе |
л-летия_ |
суммарный |
|
||||
периода |
муле |
и-летия Q„- |
|||||
ченностью |
£?95%= |
за и-летие |
|||||
наполне |
(12.1) |
|
|
||||
95% К 95% |
|
= 0 9 5 % п ~ |
|||||
ния плет |
|
= Qr'Kvs% |
695%'п |
- |
895%(и~1) |
||
|
|
|
|
||||
1 |
0,15 |
0,77 |
2750 |
2750 |
|
2750 |
|
|
0,12 |
0,81 |
2890 |
5780 |
|
3030 |
|
Далее из ряда наблюдений за стоком отбирают годы со средне |
|||||||
годовыми расходами Q h близкими к Q r и |
Q„ , а затем приводят их |
||||||
кQ r и Q„ путем умножения среднемесячных расходов модели на
соответствующие коэффициенты (К ср = Q r / Q h K „ = Q „ / Q t) .
152
Водохозяйственные и водноэнергетические расчеты в период первоначального наполнения по смоделированным рядам проводят ся в форме табл. 12.2.
Таблица 12.2
П е р в о н а ч а л ь н о е н а п о л н е н и е в о д о х р а н и л и щ а . С р е д н е в о д н ы е у с л о в и я
|
|
|
Расход, м3/с |
|
Объем, км3 |
|||
|
Ме |
|
|
суммарный |
|
аккумуля |
напол |
|
|
при |
|
|
аккумуля |
нения |
|||
Год |
сяц |
ГЭС, |
|
через ГЭС |
ции, |
ции, |
||
ток, |
|
и водо |
(на ко |
|||||
|
Дt |
2гэс |
|
0акк ” |
V = |
|||
|
|
бпр |
сброс, g c6p |
г акк |
нец At) |
|||
|
|
|
|
—0акк^ |
||||
|
|
|
|
|
—Qnp ~ Qc6p |
K = z v aKK |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
2 |
3 |
4 |
|
5 |
6 |
1 |
8 |
1995 |
I |
330 |
330 |
|
330 |
0 |
0 |
9,50 |
|
II |
250 |
250 |
|
250 |
0 |
0 |
9,50 |
|
VI |
20200 |
1200 |
|
6770 |
13430 |
35,33 |
60,29 |
|
X |
1790 |
1890 |
|
1890 |
-100 |
-0,26 |
60,03 |
|
XI |
630 |
1890 |
|
1890 |
-1260 |
-3,31 |
56,72 |
|
XII |
490 |
1890 |
|
1890 |
-1400 |
-3,68 |
53,06 |
|
|
|
|
|
|
и т.д. |
|
|
|
Уровень, м |
|
|
Напор |
Мощность |
Годовая |
||
|
|
|
|
|
||||
водохранилища |
|
|
нетто |
выработка |
||||
|
|
|
N = Kn |
|||||
|
|
|
нижне |
K N |
энергии Э, |
|||
на конец |
на се |
го бье- |
#„ = Zcр— |
Э С ^ н е т г о , |
||||
- 2„.б. — |
Q i |
млрд. |
||||||
редину |
2 н.б. |
|
МВт |
|||||
At, Z K |
—Ah |
|
кВт' ч |
|||||
At, ZCD |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
9 |
|
10 |
11 |
|
12 |
13 |
14 |
15 |
80,00 |
|
80,00 |
16,0 |
|
61,00 |
8,10 |
163 |
|
80,00 |
|
80,00 |
16,0 |
|
61,00 |
8,10 |
123 |
|
128,00 |
115,65 |
23,3 |
|
88,35 |
8,85 |
348 |
|
|
127,90 |
127,95 |
19,0 |
|
105,95 |
8,85 |
1772 |
|
|
126,10 |
127,00 |
20,0 |
|
104,00 |
8,85 |
1739 |
|
|
124,10 |
125,10 |
20,0 |
|
102,10 |
8,85 |
1707 |
7,87 |
|
|
|
|
|
|
и т.д. |
|
|
|
Наполнение водохранилища ведется за счет избытков притока над водопотреблением из верхнего бьефа, попусками в нижний бьеф гидроузла и потерями воды из водохранилища, в том числе и разовых на насыщение водой подстилающих грунтов ложа и бортов водохранилища.
153
Пропуск половодий и паводков в период первоначального на полнения водохранилища изложен в гл. 15.
Из практики водохозяйственного проектирования известно, что длительность первоначального наполнения водохранилища измеря ется в зависимости от объема водохранилища и предстоящих гид рологических условий днями, месяцами или годами.
12.2. Отдача из водохранилища за пределами расчетной обеспеченности
За пределами расчетной обеспеченности отдачи (водоили энергоотдачи) в связи со сработкой полезного объема водохрани лища возможны перебои, т.е. снижение отдачи против гарантиро ванной. Установление размера снижения отдачи (глубины перебоя) является чрезвычайно важной задачей водохозяйственных расчетов. При сезонном (годичном) регулировании отдача за пределами рас четной обеспеченности устанавливается на основе кривой обеспе ченности меженного или годового естественного стока, так как на полнение и сработка водохранилища сезонного регулирования про исходит в течение каждого года и на смежные годы влияния не оказывает.
При многолетнем регулировании, согласно исследованиям С.Н. Крицкого и М.Ф. Менкеля, вероятность перебоя в смежном году повышается. В режиме водохранилищ с большой отдачей а длительные периоды нормальной работы могут сменяться группами лет с ограниченной отдачей. Глубина перебоя (дефицит в гаранти рованной отдаче) бывает различной по перебойным годам и меня ется от нуля до годовой отдачи брутто.
Во избежание глубоких перебоев водообеспечения участников водохозяйственного комплекса в закритических условиях (за преде лами расчетной обеспеченности отдачи) в настоящее время произ водится регламентация требований к снижению водоотдачи по от ношению к нормальной (обеспеченной) в перебойные годы. Так,
в методических указаниях [39] рекомендуется в целях обеспечения нормальной работы отраслей хозяйства снижение обеспеченной водоотдачи в закритических условиях производить не более чем на
20 - 30%.
Для снижения глубины и продолжительности возможного пе ребоя в водоотдаче из водохранилища необходимо предусмотреть
154
дополнительный объем водохранилища. Практически дополнитель ный объем, необходимый для поддержания сниженной водоотдачи за пределами расчетной обеспеченности, можно оценить на основе формулы С. Н. Крицкого и М. Ф. Менкеля для определения так на зываемой п р и в е д е н н о й о б е с п е ч е н н о с т и :
Р ~ Ртры (Рен — Р н о р м ) ® с н /• & норм > |
( 1 2 . 2 ) |
гдер ' , р „орм , рсн - обеспеченности соответственно приведенной, нор мальной и сниженной водоотдачи; ас„ и аНоРм - водоотдача в долях нормы годового стока, соответственно нормальная и сниженная.
По заданным значениям снижения водоотдачи по отношению к а„орм и его обеспеченности р сн по формуле (12.2) определяют Р ',
а затем с известных номограмм по анорм и р ' снимают объем водо хранилища, необходимый для поддержания сниженной водоотдачи заданной обеспеченности.
Вопросы для самопроверки
1.Цели и приемы расчетов первоначального наполнения водохранилища.
2.С какой целью определяются водо- и энергоотдача за пределами расчетной обеспеченности?
3.Почему возникает необходимость регламентировать величину снижения нор мальной (обеспеченной) водоотдачи?
4.Как при этом определяется дополнительный полезный объем водохранилища?
155
Глава 13. КАСКАДНОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ СТОКА
13.1. Общие положения
Совокупность гидроузлов, расположенных на одном водотоке или в одном бассейне, а также в разных бассейнах рек, но связан ных единством водного режима, носит название к а с к а д а у с т а н о в о к . Если в составе указанных гидроузлов имеются водохранилища, то данный каскад носит название к а с к а д а в о д о х р а н и л и щ . Если кроме водохранилищ присутствуют гидроэлектростанции, то такая сово купность составляет к а с к а д ГЭС.
Каскадное использование водотока способствует повышению эффективности использования водных ресурсов, но при этом энер гетически может оказаться менее эффективным, чем использование гидроэнергопотенциала всего водотока на одной ГЭС. Однако большая концентрация напора, особенно на равнинных реках, вле чет за собой значительные затопления земель. Поэтому разбивка водотока и его притоков на несколько ступеней вполне оправдана экономически, с учетом топогеологических условий и требований охраны природной среды. Так, например, в «Докладе по использо ванию уникальных гидроэнергетических ресурсов бассейнов рек Енисея и Ангары», разработанном Ленгидропроектом, вместо одноступенной Средне-Енисейской ГЭС с НПУ = 137 м и расположен ной ниже слияния рек Енисея и Ангары было предложено пять гид роэлектростанций (три на Енисее и две на Ангаре). При этом сум марная выработка электроэнергии пяти ГЭС снизилась по отноше нию к одноступенной схеме с НПУ = 137 м на 15%, а площадь зато пления - на 70%. Количество переселяемого населения снизилось на 40%.
Условия работы каскадно расположенных водохранилищ отли чаются от условий работы изолированных (одиночных) водохрани лищ. Эти различия заключаются в следующем: суммарный исполь зуемый сток в створах, расположенных ниже по течению водохра нилищ, уменьшается на объем потерь воды из водохранилищ, рас положенных выше (испарение, отъемы воды на водоснабжение и орошение и т.д.), а также перераспределяется во времени, т.е. сни жается в период половодья и повышен в период межени. Перерас пределение стока вышерасположенными водохранилищами благо приятно сказывается на работе нижерасположенных водохранилищ,
156
так как в последних объем создается, как правило, только для час тичного регулирования стока боковой приточности; при сомкнутых бьефах нижележащая установка подпирает вышерасположенную и тем самым оказывает влияние на ее напоры. В связи со взаимным влиянием работающих в каскаде установок определение их пара метров и разработка режима эксплуатации производится в условиях их совместной работы.
При работе каскадов водохранилищ оптимальный порядок на полнения и сработки каждого из них должен ставиться в зависи мость не только от запасов воды, содержащихся во всех водохрани лищах, но и от распределения этих запасов между ними. Наиболее существенно порядок использования полезных объемов водохрани лищ может сказаться на работе каскадов ГЭС, эффективность кото рых зависит от полноты использования не только объема воды, но и напора.
Теория работы каскадов и методика оптимизации их режима разработаны пока недостаточно. Практически решение, по-види мому, не слишком далекое от оптимального, достигается при диспет черизации работы установок последовательно, начиная с верхних ступеней. При этом обеспечивается наиболее эффективное использо вание каждой ступени в расчете на сток, поступающий с вышераспо-
ложенных установок в режиме, соответствующем требованиям, ко торые последовательно предъявляются к каждой из них.
Известны два вида каскадного регулирования стока: н е з а в и с и м о е , когда каждая установка рассматривается как самостоятельный источник, снабжающий водой или энергией определенных потреби телей; к о м п е н с и р у ю щ е е , когда режим работы каждого составляется так, чтобы достигался наибольший суммарный эффект каскада.
В целях получения водноэнергетического эффекта от каскадного регулирования, выраженного в повышении суммарных гарантиро ванных (минимальных) расходов воды, мощности или выработки энергии по каскаду, в проектной практике принимается компенси рующее регулирование. При этом водноэнергетический эффект компенсирующего каскадного регулирования слагается из двух со ставляющих: 1) эффекта за счет асинхронности стока на разных ре ках бассейна, являющейся результатом несовпадения фаз колебаний стока основной реки и ее притоков или разных рек; 2) эффекта за счет компенсации боковой приточности и неустойчивой водоили
157
энергоотдачи менее зарегулированных водохранилищами ГЭС на других водотоках попусками из водохранилищ-компенсаторов - собственно эффект компенсирующего регулирования.
С формированием крупных энергетических систем наблюдается объединение гидроэлектростанций и каскадов ГЭС с различной сте пенью регулирования и расположенных на реках с асинхронным ре жимом стока. Это создает водохозяйственные и гидрологические предпосылки для организации и проведения межбассейнового ком пенсирующего электрического регулирования (по проводам), смысл которого аналогичен каскадному компенсирующему регулированию.
Именно такой режим регулирования был предусмотрен при проектировании многих каскадов на Кольском полуострове и в Си бири. В табл. 13.1 даны гарантированные мощности Ангарского и Енисейского каскадов ГЭС, каскадов ГЭС Северо-Западного эко номического района при их объединении.
Увеличение гарантированной мощности позволяет увеличить участие ГЭС полной мощностью в покрытии суточного графика нагрузки и тем самым повысить надежность энергоснабжения.
|
|
|
Таблица 13.1 |
|
Увеличение мощности ГЭС при их объединении и организации |
|
|||
межбассейнового компенсирующего регулирования |
|
|||
|
Суммарная гарантированная |
Увеличение мощно |
||
|
мощность расчетной |
сти при совместной |
||
ГЭС и их каскады |
обеспеченности, МВт |
работе |
|
|
|
при раздель |
при совмест |
МВт |
% |
|
ной работе |
ной работе |
||
|
|
|
||
Ангарский и Енисей |
|
|
|
10 |
ский каскады |
9940 |
10 900 |
960 |
|
Каскады ГЭС Северо- |
|
1274 |
91 |
8 |
Западного экономиче |
1183 |
|||
ского района |
|
|
|
|
13.2. Компенсирующее каскадное регулирование стока
Расчеты каскадного компенсирующего регулирования стока проводятся водобалансовым методом по наблюденным или смоде лированным стоковым рядам.
Из-за большой трудоемкости и значительного числа операций расчеты каскадного регулирования стока проводятся с использова нием ЭВМ. Например, одной из возможных является программа
158
«Бассейн», разработанная в Московском энергетическом институте на кафедре гидроэлектроэнергетики и возобновляемых источников (ГЭВИ). Блок-схема программы дана на рис. 13.1.
Рис. 13.1. Блок-схема программы «Бассейн».
159
Данная программа реализует календарный метод расчета регу лирования стока. Все пространство бассейна каскада разбивается на расчетные створы, в которых определяются гидравлические харак теристики режима рек и технические характеристики гидроузлов. В качестве основного уравнения математической модели каскада ГЭС используется уравнение водного баланса, записанное в сле дующем виде для г-го интервала расчета:
|
Qpac'i.y'./ Qnp.j.i ~~ Qoi6.j.i Q вол.j.i |
Qnoi.j.h |
|
(13.1) |
где <2Расч. j.i - |
расчетный (зарегулированный) |
расход воды |
в j - м |
|
створе; Q np. р |
- приток к j - му расчетному створу; Q ot6, у-,- - |
отборы |
||
воды на участке между у'-м и вышележащими створами, |
Q Boa. j.i - |
|||
расход воды в водохранилище, расположенном в j -м створе; |
Q n0T jj |
|||
- потери расхода воды из водохранилища, расположенного в в j -м
створе.
Мощность ГЭС, расположенной в j -м. расчетном створе в г-м расчетном интервале, рассчитывается по формуле
|
N r s c j j — 9,81-riy, -Q recj.i 'Н гэс j.i |
(13.2.) |
где г)j i - |
среднеинтервальное значение к.п.д. гидроагрегатов; |
Ягэс// |
- напор, |
подведенный к агрегатам ГЭС. |
|
Управление запасами воды в водохранилищах осуществляется в соответствии с диспетчерскими графиками, которые задаются для каждого расчетного створа. Диспетчерские графики определяют отда чу гидроузлов и гидроэлектростанций в зависимости от запасов воды в водохранилище и являются исходными данными для расчетов.
13.3.Методика оценки водохозяйственного и водноэнергетического эффекта развития каскада
водохранилищ и энергетических объединений
Расчеты компенсирующего регулирования стока проводятся с применением современной вычислительной техники методом по следовательного приближения (подбора) на заданную постоянную суммарную гарантированную водоили энергоотдачу водохозяйст венного или энергетического объединения, исходя из полной сра ботки полезных объемов водохранилищ гидроузлов. Для сокраще ния числа итераций в первом варианте суммарную гарантирован ную отдачу следует определять обобщенными методами.
1 6 0