Лекция 7 Основные параметры, влияющие на мощность ГЭУ.

Характеристики бьефов. Напорные характеристики гидроэнергетических установок. Баланс напоров и расходов гидроэнергетических установок. Виды потерь напора и расхода.

7.1 Напор, используемый гэс.

Мощность ГЭС является функцией не только расхода, но и напора, поэтому процесс водно-энергетического регулирования связан с учетом того и другого.

Верхний бьеф ГЭС.

Для получения на ГЭС напора естественное падение участка реки сосредоточивается в одном месте с помощью плотины или деривационных сооружений. Однако создать у турбин ГЭС напор, равный по величине полному паде­нию реки на данном участке, никогда не удается. При работе ГЭС часть естественной энергии реки должна расхо­доваться на продвижение воды от начала используемого участка реки до турбин и от турбин до выхода в естествен­ное русло реки. Такие потери напора и энергии реки всег­да неизбежны. Сначала мы рассмотрим потери напора в верхнем бьефе ГЭС.

Поверхность воды в водохранилище может быть гори­зонтальной, как это показано на рис. 1, только в том случае, когда в нем нет никакого

течения воды. При наличии притока воды в водохранилище и работе ГЭС по­верхность воды в водохранилище всегда имеет криволиней­ную форму. Продольный разрез по оси водохранилища изображен на рис. 2. Если известны гидравлические ха­рактеристики водохранилища и величина протекающего через него расхода воды, то всегда можно найти форму кривой свободной поверхности, т. е. кривую подпора с по­мощью способов, излагаемых в курсе гидравлики.

Вследствие криволинейности свободной поверхности воды в водохранилище разность уровней воды, измеренных в верхнем бьефе у плотины и в нижнем бьефе ГЭС, Нпл=Zвб-Zнб

всегда меньше полного падения на используемом участке на величину потерянного напора АН_подп (рис. 2).

Если плотина служит для образования регулирующего стока водохранилища, уровень воды у плотины меняется во времени. Колебания уровня воды в водохранилище при регулировании происходят в некоторых определенных пределах. Верхний предел или нормальный подпорный горизонт (НПГ) или нормальный подпорный уровень (НПУ) представляет собой то наивысшее поло­жение уровня воды в водохранилище, при котором ГЭС и сооружения гидроузла работают с соблюдением нормальных запасов надежности, предусматриваемых технически­ми условиями. Выше отметки НПУ уровень воды в водо­хранилище может, как правило, подниматься сравнительно редко, во время пропуска многоводных паводков. Нижний предел или горизонт мертвого объема (ГМО) или уровень мертвого объема (УМО) определяется условиями получения от ГЭС оптимальных в технико-эко­номическом отношении величии мощности и энергии в пе­риоды опорожнения и заполнения объема водохранилища, используемого для регулирова­ния стока. Этот объем, на­зываемый полезным или рабо­чим объемом, ограничен зер­калами воды на отметках НПУ и УМО у плотины. Опорожне­ние полезного объема водохра­нилища, связанное с регулиро­ванием стока, приводит к сни­жению уровней воды в верхнем бьефе и соответствующему уменьшению действующих на ГЭС величин напоров в период сработки водохранилища.

С изменением положения уровня воды у плотины ГЭС меняется форма кривой подпора. Вследствие этого меняется также и величина потерь напора на подпорной кривой.

Если водохранилищем служит озеро, находящееся в подпоре от плотины ГЭС, то положение уровня воды у плотины зависит от положения- уровня воды в озере (г_оз) и от величины расхода воды, используемого в каж­дый момент ГЭС. Примерный вид такой зависимости пока­зан на рис. 3.

У деривационных ГЭС, где плотина служит не для соз­дания напора, а только для обеспечения работы водопри­емных сооружений, она имеет обычно небольшую высоту, и поэтому потери на кривой подпора в большинстве слу­чаев ничтожно малы.

Потери напора в деривационных сооружениях могут достигать большой величины и определяются гидравличе­скими расчетами. Они зависят от величины расхода воды, пропускаемого через деривационные сооружения, и их гид­равлических характеристик.

Часть напора теряется также в турбинных трубопрово­дах; и в других сооружениях, через которые проходит во­да, например в предохранительных решетках и затворах.

Для крупных русловых ГЭС, пропускающих через свои сооружения большие объемы воды, абсолютная величина потерь энергии при малой величине потерянного напора может достигать очень больших значений. Так, например, для Волжской ГЭС имени В. И. Ленина или Сталинград­ской ГЭС, у которых средний годовой объем используе­мого в турбинах стока будет составлять более 200 км³, дополнительная потеря напора, равная всего, лишь 1 см, приведет к годовой потере энергии в размере около 4,5*10⁶ кВт-ч. Для замены этой потерянной энергии нужно было бы ежегодно сжигать более 2,5 • 10⁶ кг угля.

Нижний бьеф ГЭС

Действующий на ГЭС напор определяется не только положением уровня воды в верхнем бьефе, но также и положением уровня воды в нижнем бьефе. Колебания уровня воды в нижнем бьефе зависят от величины расхо­да воды, пропускаемого через турбины, через водосброс­ные устройства и через различные другие сооружения — судоходные шлюзы, лесосплавные лотки, рыбоходы и про­чие.

Для установившегося равномерного режима положе­ние уровня воды в нижнем бьефе ГЭС находится по кри­вой зависимости уровня от расхода воды (рис. 4). Во многих случаях кривая зависимости уровня воды от рас­хода не занимает одного постоянного положения. Одной из причин для этого является образование ледяного покро­ва в русле реки в зимнее время. Как известно, для одно­го и того же уровня воды

где Q₃—величина расхода воды в зимнее время при на­личии ледяного покрова;

Q_Jl—величина расхода воды в летнее время при от­крытом русле;

k₃—коэффициент, меньший единицы.

Величина коэффициента k₃ в течение зимы часто не­постоянна. Во многих случаях вследствие трудности опре­деления действительной величины коэффициента k₃ она принимается постоянной, равной средней величине, полу­ченной в результате гидрометрических измерений. Тогда для зимнего времени получается постоянная кривая зависимости уровня воды oт величины расхода в нижнем бьефе ГЭС. Такая кривая показана на рис. 4 пунктиром.

Второй причиной изменения кривой зависимости уровня воды от величины расхода в нижнем бьефе ГЭС может служить зарастание русла реки водной растительностью в теплое время года. Обычно это явление наблюдается на малых реках с медленным течением и илистым дном. На больших реках зарастание русла водной растительностью не может оказать заметного влияния на положение уровня воды в нижнем бьефе ГЭС.

Третья причина, вызывающая изменение зависимости уровня воды от расхода, — размыв дна реки в нижнем бьефе ГЭС. Опыт эксплуатации построенных ГЭС показывает, что после начала работы ГЭС при наличии легко размы­ваемых грунтов дно реки понижается. Понижение дна ре­ки в нижнем бьефе ГЭС уже в течение нескольких пер­вых лет эксплуатации может достигать нескольких десят­ков сантиметров. Вследствие этого кривая зависимости уровня воды от величины расхода смещается, как это по­казано на рис. 5, из положения 1 в положение 2.

На положение уровня воды в нижнем бьефе ГЭС мо­гут оказывать влияние и другие условия. К их числу отно­сится, например, подпор воды. Подпор может создаваться, если ниже ГЭС по течению реки имеются препятствия для свободного движения воды — перекаты, острова, рез­кие сужения или повороты русла реки. Подпор может вызываться также искусственными сооружениями — моста­ми или плотинами. Временный подпор может появиться вследствие образования в русле реки ниже ГЭС ледяных заторов во время весеннего ледохода или зажоров во вре­мя движения шуги зимой. Одной из причин, вызывающих переменный подпор, может быть наличие крупного притока, впадающего в реку ниже ГЭС, как изображено на рис. 6.

На рис. 7 показано положение кривых подпора от нижележащей плотины при постоянной отметке уровня воды у этой плотины, но при различной величине расхо­дов воды в реке. Как видно из графика, с увеличением расхода воды влияние подпора на положение уровня во­ды в нижнем бьефе ГЭС уменьшается. На рис. 8 по­строена кривая зависимости уровня от расхода воды в нижнем бьефе ГЭС для этого случая. При расходе, рав­ном нулю, уровень воды в нижнем бьефе ГЭС таков же, как и уровень воды в нижележащем водохра­нилище (кривая 2). При некотором достаточно большом расходе воды эта кривая сливается с кривой, соответствующей полному отсутствию подпора (кривая 1). Для других положений уровня воды у нижележащей плотины должны быть по­строены и другие кривые зависимости уровня воды в ниж­нем бьефе ГЭС от расхода. Примерный вид такого семей­ства кривых показан на рис. 9.

Колебания уровня воды в нижнем бьефе ГЭС в неко­торых случаях могут происходить совершенно независимо от величины расхода воды, проходящего через турбины ГЭС. Такие случаи встречаются у тех деривационных ГЭС, у которых отработанная вода сбрасывается не в ту же реку, из которой она забирается, а в другую реку, озеро или море. Если отработанная вода, выходящая из турбин такой деривационной ГЭС, сбрасывается в дру­гую реку, колебания уровня воды в нижнем бьефе ГЭС зависят от соотношения величин расходов воды, прохо­дящих через турбины ГЭС, и расходов воды в той реке, в которую сбрасывается отработанная вода ГЭС. При сбросе воды в озеро колебания уровня воды в нижнем бьефе ГЭС обычно имеют годовой цикл. Наиболее высо­кий уровень воды в нижнем бьефе наблюдается после таяния снега или после дождей. При сбросе воды в море колебания уровня воды в нижнем бьефе ГЭС имеют более короткий цикл — 1 или 2 раза в сутки в зависимости от характера морских приливов и отливов. Приливно-отливные колебания уровня воды в нижнем бьефе ГЭС могут достигать величины нескольких метров.

Во время паводка, когда в реке проходят самые большие расходы воды, уровень в нижнем бьефе ГЭС поднимается очень сильно. У низконапорных ГЭС в это время может наблюдаться значительное уменьшение их мощности вследствие уменьшения напора, а некоторые ГЭС даже совершенно прекращают свою работу во вре­мя паводков. Но в некоторых случаях можно все же в это время увеличить действующий на ГЭС напор, а следова­тельно, и мощность ГЭС с помощью специальных эжектирующих устройств, понижающих уровень воды, в ниж­нем бьефе ГЭС.