Лекции / Лекция 6 Регулирование речного стока водохранилищами

Лекция 8 Регулирование речного стока водохранилищами.

Суточное, недельное, сезонное, годичное и многолетнее регулирование стока.

8.1 Общие положения.

Естественный режим речного стока в подавляющем большинстве случаев отличается крайней неравномерностью. Так, на равнинных реках снегового питания в периоды весеннего половодья (1,5—3 мес.) проходит обычно до 60—70% годового стока. Существенно различается годовой сток и в многолетнем разрезе.

Такое распределение стока находится в резком противоречии с режимом его потребления. Так, для нужд энергетики в многолетнем разрезе предпочтителен равномерный ре­жим стока. В годовом разрезе гидроэлектростанции предъявляют повышенный спрос на воду в осенне-зимние месяцы, т. е. когда расходы воды в реке наименьшие. В суточном разрезе график нагрузки ГЭС отличается значительной неравномерностью, тогда как приточность равнинных рек в течение суток обычно почти неизменна.

Неравномерно распределен сток и по территории страны. Это положение усугубляется тем, что спрос на воду непрерывно возрастает и уже сейчас в некоторых крупных регионах страны ощущается недостаток пресной воды.

Все это приводит к необходимости перераспределения естественного стока во времени. Это осуществляется с помощью регулирования стока водохранилищами, в которых задерживается избыточный естественный приток, в то время когда он превышает спрос потребителей, и расходуется, когда этот спрос больше притока.

Таким образом, регулирование стока — это процесс перераспределения его водохранилищами во времени и в пространстве.

Степень зарегулированности стока определяется относительной емкостью водохранилища (коэффициентом емкости β), который определяется отношением полезного объема водохранилища к среднему за многолетний период объему годового стока в створе плотины:

(8.1)

В современных условиях всякое гидротехническое сооружение, связанное с регулированием речного стока, имеет комплексное назначение. Так, водохранилища гидроэлектростанции, кроме регулирования стока для энергетических целей, обычно используются и для водохозяйственных целей —ирригации, судоходства, водоснабжения и т. п. Имеется ряд объектов, в основном преследующих водохозяйственные цели, а энергетические задачи решаются попутно.

Различают регулирование водно-энергетическое и водохозяйственное. Водно-энергетическое регулирование осуществляет перераспределение стока для энергетических целей. Оно позволяет получить требуемый режим мощности ГЭС и режим выработки электроэнергии. Мощность ГЭС является функцией не только расхода, но и напора, поэтому процесс водно-энергетического регулирования связан с учетом того и другого. При водохозяйственном регулировании напор не является регулируемым параметром и регулируется лишь расход. В этом состоит основное отличие водно-энергетического регулирования от водохозяйственного. Вводно-энергетическое регулирование неотделимо от определения оптимальных режимов ГЭС или группы электростанций, с которыми параллельно работает данная ГЭС или группа ГЭС. В настоящей лекции рассматриваются в основном вопросы физической сути процессов регулирования.

При регулировании стока водохранилищем его отдача по воде или мощности гарантируется с определенной обеспеченностью, под которой понимается относительное число случаев, когда отдача больше или равна заданной. Обеспеченность выражается в процентах от общего числа случаев и определяется по данным ряда наблюдений.

При любом регулировании потребители воды в некоторые периоды времени работают с расходом воды, превышающим приток, а в другие периоды времени расходуют воды меньше притока. В первом случае про­исходит сработка водохранилища, во втором — наполнение.

Промежуток времени от начала какого-либо одного периода сработки водохранилища от НПУ до начала следующего после очередного его полного заполнения называется циклом регулирования. Длительность цикла регулирования определяет его разновидность, в соответствии с чем различают краткосрочное и длительное регулирование. К первому виду относят суточное и недельное регулирование, а ко второму — сезонное, годичное и многолетнее.

8.2 Виды регулирования

Суточное регулирование. Естественные (бытовые) расходы многих рек в течение суток остаются практически неизменными, исключение составляют лишь периоды половодий. Режим работы ГЭС имеет обратную картину: в период половодья он, как правило, неизменен, а в течение любых других суток — резко переменный. Вследствие этого расходы, пропускаемые турбинами ГЭС Q_ГЭС при переменном режиме, будут также переменными, изменяясь нередко от нуля до полной про­пускной способности. В результате в течение некоторой части суток (рис. 1,б) имеется избыточный приток, в течение другой — недостаточный. Отсюда суточное регулирование будет заключаться в том, чтобы в часы малой нагрузки ГЭС (рис.1,а) запасти в водохранилище избыточный приток, а в часы повышенной нагрузки его сработать. Если объем водохранилища достаточен для задержания всего избыточного притока в часы малой нагрузки, то этот приток при отсутствии ограничений на режим ГЭС может быть использован для увеличения ее мощности (против той, которую она могла бы развить, используя естественный расход) в часы пика нагрузки потребителей.

Этот эффект позволяет повысить участие ГЭС в покрытии пика нагрузки, вследствие чего при работе ГЭС в системе, во-первых, отпадает необходимость в дублировании ее мощности и, во-вторых, создается возможность обеспечить более целесообразный режим тепловых электростанций, создавая тем самым соответствующую экономию топлива.

Однако этот мощностный эффект не сопровождается увеличением выработки электроэнергии, наоборот, выработка энергии при суточном регулировании будет меньше той, которую давала бы ГЭС, работая на естественном режиме стока, т. е. без регулирования.

Это является следствием того, что средний за сутки уровень воды в нижнем бьефе при неустановившемся режиме всегда будет выше, чем при постоянном расходе, определяемом Q_БЫТ (рис. 1,г). Кроме того, среднесуточный уровень верхнего бьефа будет всегда ниже того, при котором ГЭС работала бы, не имея регулирования, т. е. на естественном расходе при НПУ. Это подтверждается также и графиком изменения напора, представленным на рис.1д. Здесь Нгэс соответствует напору, определяемому разностью уровней НПУ и нижнего бьефа при естественном режиме.

Потери суточного регулирования зависят от исполь­зуемого напора. Чем меньше напор, тем сильнее сказы­ваются эти потери, и для низконапорных ГЭС они доходят до 3—5% суточной выработки ГЭС при ее работе на естественном расходе.

По мере увеличения суточного притока режим работы ГЭС будет все более выравниваться и, наконец, может быть достигнуто такое положение, когда ГЭС все 24 часа будет работать с полной установленной мощностью. Дальнейшее увеличение бытового расхода приведет к необходимости холостого сброса излишков воды помимо турбин, уровень нижнего бьефа при этом повысится, напор уменьшится, а вместе с ним уменьшится и располагаемая мощность, становясь для низко- и средненапорных ГЭС значительно меньше установленной.

При осуществлении суточного регулирования могут возникнуть различного рода ограничения, накладываемые на режим ГЭС неэнергетическими участниками комплекса. Так, при отсутствии подпора в нижнем бьефе со стороны нижележащей ГЭС водный транспорт может предъявить требования по обеспечению необходимых судоходных глубин в течение всех 24 часов, а также в отношении допустимых скоростей течения при подходе к шлюзам. Аналогичные требования по поддержанию необходимых глубин могут быть предъявлены водопотребителями (ирригация, промышленное и бытовое водоснабжение). Для удовлетворения этих требований производят попуски в нижний бьеф определенных расходов воды, называемых базисными. Наконец, иногда возникают ограничения режима работы турбин ГЭС (обычно при небольших нагрузках) по условиям кавитации, которую длительное время допускать нельзя. Ограничения при суточном регулировании иногда возникают и вследствие отсутствия достаточного объема водохранилища.

Реализация указанных ограничений обычно приводит к снижению энергоэкономической эффективности работы ГЭС, однако при комплексном использовании водотока это снижение является вполне оправданным с точки зрения народного хозяйства в целом, так как компенсируется отдачей, получаемой от неэнергетических участников комплекса.

До сих пор рассматривалось суточное регулирование, осуществляемое водохранилищами русловых и приплотинных ГЭС. Все сказанное будет относиться и к ГЭС с напорной деривацией, у которой объем воды, необходимый для суточного регулирования, сосредоточен в подпертом бьефе у водоприемника. При безнапорной несаморегулирующейся деривации необходимый объем воды запасается в бассейне суточного регулирования, расположенном обычно вблизи здания ГЭС, а при саморегулирующейся деривации сосредоточивается в самой деривации, а в некоторых случаях в верхнем бьефе головного узла.

Объем водохранилища, необходимый для суточного регулирования, очень небольшой и обычно составляет около 0,5 объема суточного стока маловодного года расчетной обеспеченности.

Объем водохранилища, необходимый для осуществле­ния суточного регулирования, в каждом конкретном случае можно определить на основе сопоставления между собой графика бытовой приточности Q_БЫТ(t) и зарегу­лированных расходов Q_ГЭС(t).

Разновидностью описанного суточного регулирования путем перераспределения расхода воды является регулирование мощности напором. Такое регулирование используется на сравнительно низконапорных ГЭС главным образом во время прохождения половодий. Суть его заключается в том, что в часы минимальной нагрузки холостые сбросы увеличивают, а перед наступлением пика нагрузки и во время прохождения его уменьшают. Получающиеся при этом снижение уровня нижнего бьефа и повышение уровня верхнего бьефа позволяет несколько увеличить напор, а следовательно, и мощность ГЭС.

Недельное регулирование. В нерабочие дни недели нагрузка потребителей электроэнергии резко падает (особенно в воскресенье). В это время гидроэлектростанция может также снизить свою мощность до значе­ния, меньшего того, которое она могла бы развить, работая на естественном расходе. Получающийся избыток воды может быть использован на заполнение водохранилища, сработанного за время рабочих дней недели. Сказанное иллюстрирует рис.2, где для простоты предполагается, что бытовой расход, как это обычно бывает в межень, в течение недели практически не изменяется (Q_БЫТ=const); нагрузка потребителей системы в рабочие дни практически одинакова и в неделе имеются два выходных дня (рис.2,а). Понятно, что качественно картина не изменится, если нагрузка системы в рабочие дни и приточность не будут неизменными.

Таким образом, недельное регулирование обеспечивает неравномерное потребление воды гидроэлектростанцией в течение недели в соответствии с недельными колебаниями нагрузки потребителей.

Если водохранилище одновременно используется и для суточного регулирова­ния, то наблюдается соответствующее суточное колебание уровней (пунктирная кривая на рис.2,б—д). Однако при этом замкнутого цикла суточного регулиро­вания, естественно, не будет, так как уровень водохра­нилища к концу каждого рабочего дня будет ниже, чем в начале его. Продолжительность полного цикла колебаний уровня верхнего бьефа в этом случае (рис.2) будет равна одной неделе.

При недельном регулировании, так же как и при суточном, имеется возможность повысить гарантированную мощность ГЭС по сравнению с мощностью, которую она могла бы развить, работая на естественном расходе. Однако получаемый в этом случае энергетический эффект за счет работы ГЭС большую часть времени на пониженных напорах будет меньше, чем при суточном регулировании. Вместе с тем годовая выработка ГЭС недельного регулирования будет несколько выше (за счет некоторою уменьшения холостых сбросов) по сравнению с ГЭС суточного регулирования, так как водохранилище недельного регулиро­вания больше по объему, чем суточного регулирования. Обычно считается, что при двух выходных днях этот объем не превышает приточности за одни маловодные сутки расчетной обеспеченности.

При осуществлении недельного регулирования на соответствующий режим ГЭС могут также накладываться разного рода ограничения как со стороны неэнергетических отраслей комплекса, так и по условиям бескавитационного режима работы турбин. Естественно, что все подобного рода ограничения будут снижать энергоэкономическую эффективность ГЭС.

Итак, общим для краткосрочного регулирования является перераспределение сравнительно равномерного суточного и недельного режима приточности в неравномерный режим расхода ГЭС.

Годичное регулирование. Естественный гидрологический годовой режим реки обычно отличается крайней неравномерностью и находится в противоречии с запросами энергетики.

Используемое для снятия этого противоречия годичное регулирование путем задержания (частично или полностью) в водохранилище стока половодья и использование его в течение межени позволяет увеличить гарантированную мощность ГЭС и количество вырабатываемой ею энергии по сравнению с ГЭС краткосрочного регулирования за счет уменьшения (или ликвидации), бесполезных сбросов стока половодья. Весь цикл регулирования при этом занимает 1 год. Если после сработки и очередного наполнения водохранилища всегда имеются холостые сбросы, то регулирование называется сезонным (неполным годичным) в отличие от годичного (полного), когда в условиях расчетной обеспеченности сбросов нет. Как и при сезонном регулировании, так и при годичном в каждом следующем году циклы сработки и наполнения повторяются.

Объем водохранилища годичного регулирования обычно составляет от 10 до 30% среднемноголетнего объема годового стока реки, т. е. β_ГОД=0,10-0,30. При этом большее значение β_ГОД соответствует большему коэффициенту изменчивости стока C_v..

Водохранилище годичного регулирования может, как это обычно и бывает, одновременно выполнять и краткосрочное регулирование (суточное и недельное).

На Рис.3,а представлена общая схема годичного регулирования, а на рис.3,б — сезонного (имеется период сброса излишков воды во время половодья). На этих рисунках также представлены соответствующие режимы верхнего бьефа. Ясно, что в особо маловодные годы или при слишком больших (сверхрасчетных) изъятиях стока половодья водохранилище может и не наполниться до отметки НПУ. Нетрудно представить себе, как будет изменяться z_BБ, Q_ГЭС, z_НБ и Н_ГЭС, если ре­гулирование будет произведено не на постоянный расход Q_ГЭС, а в соответствии с заданным графиком нагрузки ГЭС.

Многолетнее регулирование. Цикл регулирования длится несколько лет. Водохранилище наполняется избы­точным стоком одного или нескольких многоводных лет и опорожняется в течение ряда маловодных лет. При этом регулировании уровень водохранилища в конце маловодного года будет всегда ниже, чем в начале его. Таким образом, многолетнее регулирование сводится к увеличению стока маловодных лет. Особенностью этого вида регулирования является непостоянство продолжительности цикла регулирования. При неизменном расходе водохранилища период наполнения и период опорожнения водохранилища определяются исключительно гидрологической обстановкой каждого года. Чем больше при этом относительный объем водохранилища, тем, очевидно, реже оно заполняется до отметки НПУ.

При многолетнем регулировании, так же как и при годичном, имеется возможность увеличить гарантированную мощность ГЭС и вырабатываемую ею энергию (за счет практически полного устранения бесполезных сбросов воды во время половодья) по сравнению с ГЭС годичного и краткосрочного регулирования. Само со­бой разумеется, что и в этом случае водохранилище мо­жет осуществлять любое менее длительное регулирова­ние (или сочетание их).

Считается, что для того, чтобы водохранилище могло осуществлять многолетнее регулирование, его объем должен составлять не менее 30—50% среднего за многолетний период объема годо­вого стока реки, т. е. β_МН = 0,3-0,5. Указанные довольно широкие пределы колебаний значений β_МН объясняются, так же как и в предыдущем случае, характером изменчивости стока (чем больше значение C_v, тем больше β_МН).

На рис. 4 представлены общая схема многолетнего регулирования и график изменения уровня верхнего бьефа. Как видно, период наполнения в зависимости от водности лет может быть различным. В начале регулирования водохранилище было заполнено в первый же год, а после сработки на это потребовалось уже два года (менее многоводных, чем первый год).

Эффективность длительного регулирования оценивается с помощью коэффициента регулирования α, представляющего собой отношение зарегулированного расхода или расхода ГЭС к среднемноголетнему расходу реки (норме): α = Q_РЕГ/ Q₀

Так как зарегулированный расход обычно не является величиной постоянной, то при определении коэффициента α он берется как среднее значение за период опорожнения водохранилища, т. е. за маловодный период при годичном регулировании или за аналогичный период, состоящий из нескольких лет при многолетнем регулировании.

Таким образом, при длительном регулировании уменьшается многолетняя и годичная неравномерность расхода, в то время как при краткосрочном регулировании неравномерности расхода за регулируемый период (сутки, неделя) резко возрастает.

Компенсирующее регулирование. В некоторых схемах использования энергии по ряду причин приходится располагать ГЭС ниже по течению на значительном расстоянии от регулирующего стока водохранилища. При этом между ГЭС и водохранилищем может иметься большой приток, неблагоприятно влияющий своей неравномерностью на зарегулированный сток (рис.5). Неравномерность притока можно компенсировать соответствующими попусками из водохранилища 1, имеющего для этого необходимый объем. При такой схеме в период меженных расходов попуски из водохранилища увеличивают, а в период половодья уменьшают или прекращают.

Рис. 5

Имеются схемы компенсирующего регулирования для выравнивания выработки электроэнергии гидроэлектростанциями, расположенными на разных водотоках, имеющих между собой определенное несовпадение во времени (асинхронность) стоковых режимов. Такие ГЭС не связаны между собой гидравлически, но, работая на одну систему, оказываются связанными электрически. Такая связь ГЭС по условиям работы определяет так называемое межбассейновое компенсирующее регулирование. При таком регулировании ГЭС, имеющие относительно небольшие водохранилища, работают по режиму, определяемому собственным стоком и возможностями собственных водохранилищ (компенсируемые ГЭС). Те же ГЭС, которые обладают водохранилищами с большими регулирующими возможностями (ГЭС — компенсаторы), дополняют выработку компенсирующих ГЭС до значения, определяемого потребностями системы. ГЭС могут быть связаны и снабжением водой одного и того же потребителя.

В описанной схеме (рис.5) водохранилище 2 может служить некоторым буфером для сглаживания всяких неточностей в определении времени добегания расхода из верхового водохранилища 1 до ГЭС. Тогда водохранилище 1 осуществляет сравнительно грубое регулирование, а буферное водохранилище 2 более точное, определяемое режимом нагрузки потребителей. Такое регулирование носит название буферного.

Трансформация половодья. Водохранилище достаточно большого объема может быть использовано для борьбы с наводнениями и другими нежелательными последствиями, возникающими при прохождении весьма больших расходов воды во время половодий. В этом случае перед наступлением половодья водохранилище должно иметь некоторый свободный объем, что позволит иногда значительно «срезать» пик половодья и тем самым уменьшить наводнения в нижнем бьефе и расчетный расход, а также стоимость водосбросных сооружений данного и, как правило, нижерасположенных гидроузлов.

Необходимый для срезки половодья объем обычно создается путем дополнительного увеличения высоты плотины. Получающийся форсированный объем обычно не используется для регулирования стока и не обеспечивает дополнительную гарантированную выработку электроэнергии. После прохождения половодья заполненный объем должен быть освобожден от воды и подготовлен к приему следующего половодья.

Для срезки половодья иногда используют и специальные водохранилища.

Каскадное регулирование. Каскадная схема использования водотока осуществляется, как правило, при комплексном использовании водных ресурсов. Это позволяет осуществить не только наиболее полную утилизацию ресурсов, но и наиболее экономичную. При этом отдельные ступени каскада, будучи связаны общим водным режимом, могут также иметь связь гидравлическую, водохо-зяйственную и электрическую. Практически такого рода связи никогда не проявляются индивидуально, а всегда в различном сочетании друг с другом.

Характер каскадного регулирования будет прежде всего зависеть от размера водохранилищ верхних ступеней. Чем больше их относительный объем, тем большую степень зарегулированности стока они создают, т. е. более зарегулированный сток будет поступать на все нижележащие ГЭС каскада. Это, разумеется, не исключает перерегулировку ими расходов, поступающих от вышележащих ГЭС.

Целью каскадного регулирования является обеспечение оптимального режима сработки и наполнения водохранилищ каскада по заданному критерию экономической эффективности.