Лекции / Лекция 9 Полезный объем водохранилища

Лекция 9. Полезный объем водохранилища. Обоснование оптимальнойглубины сработки водохранилища.

9.1 Полезный объем водохранилища годичного регулирования

Основной задачей водохранилища годичного регулирования является увеличение количества энергии и мощности ГЭС в течение маловодного периода года за счет избыточной воды, задерживаемой в водохранилище во время паводка. Первый вопрос, который должен быть нами решен,— это вопрос о разделении всего объема водохранилища годичного регулирования на две части — полезный и мертвый объемы. Имея полный объем водохранилища, необходимо разделить его на эти два объема, т. е. решить вопрос об определении глубины сработки водохранилища или установить отметку УМО. При решении этой задачи мы будем считать, что отметка НПУ водохранилища известна и что водохранилище всегда может быть наполнено во время паводка, за исключением очень редких случаев при наступлении особо неблагоприятных гидрологических условий. Эти случаи пока не будем принимать во внимание.

Задача заключается в том, чтобы найти такую предельную глубину сработки водохранилища, при которой может быть получен наибольший энергетический эффект на ГЭС. Если мы приняли, что водохранилище может быть наполнено в каждом году, то здесь мы можем рассматривать период опорожнения водохранилища отдельно. Общее решение задачи можно получить следующим образом.

C увеличением опорожнения водохранилища увеличивается и количество энергии, которое получается за счет использования водохранилища. Эта энергия зависит только от того, до какой глубины будет сработано водохранилище, и практически не зависит от продолжительности времени, в течение которого производится опорожнение водохранилища, величины транзитного стока или других факторов.

Выработку ГЭС при наличии водохранилища можно представить состоящей из двух частей: выработки электроэнергии за счет транзитного стока реки, протекающего во время сработки водохранилища, и выработки за счет сработки водохранилища

Э_ГЭС=Э_В+Э_ТР (11-2)

Количество транзитной энергии ГЭС зависит, конечно, от объема транзитного стока, т. е. от величины транзитных расходов воды и продолжительности периода опорожнения водохранилища. Но оно зависит также и от напора, т. е. от глубины сработки водохранилища. Наконец, оно зависит от режима сработки водохранилища. При быстрой сработке водохранилища в начале маловодного периода, как, например, показано на рис. 1.1, большая часть транзитного стока проходит при сравнительно малом напоре и потому дает небольшой энергетический эффект. Сработка же главным образом в конце маловодного сезона, показанная на рис. 1.2 , позволяет пропустить почти весь транзитный сток при большом напоре и, следовательно, получить от ГЭС большее количество энергии.

Рис. 1.1 Рис. 1.2

Пусть нам известна гидрологическая характеристика маловодного сезона, в течение которого производится опорожнение водохранилища. Задавшись каким-либо простым условным режимом работы ГЭС (например, при регулировании на постоянную величину расхода воды, пропускаемого через турбины ГЭС), мы можем определить количество энергии, которое вырабатывает ГЭС при различных отметках сработки к концу маловодного сезона. Результаты таких расчетов могут быть представлены графически в виде кривой зависимости транзитной энергии ГЭС от глубины сработки водохранилища, изображенной на рис.2

Рис. 2

На этом же графике построена энергетическая характеристика водохранилища. Чем глубже срабатывается водохранилище, т. е. чем большим принимается его полезный объем, тем большее количество энергии получается от водохранилища и тем меньшей становится транзитная энергия. Уменьшение транзитной энергии объясняется уменьшением напора при углублении сработки водохранилища. Суммируя для различных глубин сработки энергию водохранилища и транзитную энергию, мы получим полную величину энергии ГЭС за весь период опорожнения водохранилища. Очевидно, что для данных гидрологических условий и для принятого режима регулирования та глубина сработки водохранилища, при которой ГЭС вырабатывает наибольшее количество энергии, оказывается наиболее выгодной. Дальнейшее углубление сработки водохранилища, хотя и увеличило бы его полезный объем и регулируемый расход, используемый ГЭС, но при этом напор уменьшился бы настолько, что полное количество энергии, вырабатываемой ГЭС, не увеличилось бы, а уменьшилось.

Если изменится характеристика транзитного стока за время опорожнения водохранилища, то кривая зависимости транзитной энергии от глубины сработки водохранилища получит другой вид и займет другое положение на графике. На рис. 2 пунктиром показаны такая кривая, полученная при уменьшенном транзитном стоке, и кривая полной энергии ГЭС для этого случая. Из приведенного графика видно, что в этом случае наиболее выгодная величина полезного объема водохранилища увеличивается. Это очень легко объясняется тем, что при уменьшении транзитного стока энергия водохранилища составляет большую часть всей энергии ГЭС. Отметим здесь, что изменение величины транзитного стока может происходить и при неизменной гидрологической характеристике, но при изменении продолжительности времени опорожнения водохранилища.

Если бы мы, не изменяя объема и распределения транзитного стока, приняли другой режим регулирования, то изменилась бы форма кривой зависимости транзитной энергии от глубины предельной сработки водохранилища к концу маловодного сезона. Вместе с тем изменилась бы и форма суммарной кривой полной энергии ГЭС. Следовательно, мы получили бы другую отметку наиболее выгодной сработки водохранилища. При значительном изменении режима регулирования во время опорожнения водохранилища изменение наиболее выгодной глубины сработки водохранилища также может быть значительным. Из рис. 1.1 и 1.2 следует, что при раннем опорожнении водохранилища глубокая сработка его менее выгодна, чем при позднем опорожнении.

Выше было рассмотрено влияние различных условий на положение наиболее выгодной глубины сработки водохранилища, имеющего определенную собственную характеристику. Но сравнивая между собой различные водохранилища, нетрудно убедиться, что предельная глубина их сработки при одинаковых прочих условиях зависит от вида их характеристик — объемных и энергетических. Для примера на рис. 3 построены объемные характеристики двух водохранилищ, имеющих одинаковый полный объем при одинаковой отметке НПУ. Из этого графика видно, что при отмеченной на чертеже глубине сработки полезный объем водохранилища А составляет большую часть всего его объема. Для водохранилища Б при той же глубине сработки полезный объем составляет лишь небольшую часть всего полного объема водохранилища. Дальнейшее углубление сработки заметно увеличивает его полезный объем и, следовательно, дает большой энергетический эффект, в то время как для водохранилища А углубление сработки лишь очень мало увеличивает регулируемый расход воды.

Рис. 3

Для смешанной плотинно-деривационной схемы водно-энергетические расчеты для определения наиболее выгодной глубины сработки водохранилища производятся так же, так и для плотинной схемы. В этих расчетах должен, конечно, учитываться весь напор, как создаваемый плотиной, так и создаваемый деривацией. Понятно, что в плотинно-деривационной схеме полезный объем водохранилища составляет значительно большую часть всего его объема, а мертвый объем значительно меньшую, чем в плотинной схеме. Мертвый объем может быть ничтожно малым.

Из всего того, что было сказано выше, остановимся на одном очень важном положении. Для данного водохранилища наиболее выгодная глубина сработки зависит очень сильно от объема транзитного стока. Но в различные гидрологические годы объем транзитного стока в течение маловодного сезона, когда происходит опорожнение водохранилища, неодинаков. Следовательно, также неодинаковой должна быть и глубина сработки водохранилища в различные гидрологические годы.

Если бы мы имели возможность получать достаточно надежный прогноз режима естественного стока реки на предстоящий маловодный сезон, то предварительное определение наиболее выгодной глубины сработки водохранилища в каждом отдельном году не представляло бы никаких принципиальных трудностей. Однако при отсутствии предварительного прогноза речного стока оно становится невозможным. Но если нельзя практически для каждого отдельного года устанавливать свою особую наиболее выгодную глубину сработки водохранилища, то это значит, что должна быть определена одна одинаковая для всех лет глубина предельной сработки водохранилища независимо от различия гидрологических характеристик во все эти годы.

Особо важное значение имеет использование водохранилища годичного регулирования для увеличения энергии и мощности ГЭС во время опорожнения водохранилища в маловодные годы. Поэтому определение предельной глубины сработки водохранилища должно производиться при малом объеме транзитного стока. В таком случае мы получим, как это видно из рис. 2 , большую глубину предельной сработки водохранилища, которую и будем считать одинаковой для всех гидрологических лет. При таком решении задачи в многоводные годы количество энергии, которую вырабатывает ГЭС, может оказаться несколько меньшим, чем наибольшее возможное. Но, как мы увидим в дальнейшем, потерянная таким образом энергия может быть если не полностью, то частично возмещена, если мы будем применять в различные гидрологические годы неоди­наковый режим регулирования. Действительно, в многоводные годы нет необходимости также быстро опорожнять водохранилище в начале маловодного сезона, как в маловодные годы, так как большая величина транзитного стока позволяет ГЭС работать с необходимой для энергетической системы мощностью, не меньшей, чем гарантированная, забирая при этом из водохранилища лишь сравнительно небольшое количество воды. В конце же маловодного сезона, когда остается неиспользованной лишь небольшая часть транзитного стока, сработка водохранилища может быть быстро доведена до постоянной предельной отметки, в результате чего будет получена дополнительная энергия.

Хотя мы и пришли к выводу, что предельная глубина сработки должна определяться по маловодному году, но этот вывод еще нельзя считать полным, так как нам нужно еще решить, какой же именно год следует выбрать из числа маловодных в качестве расчетного. Выбор расчетного года не может быть, конечно, сделан произвольно, так как расчетный год должен отвечать определенным условиям, т. е. условиям наилучшего использования ГЭС в энергетической системе. Из двух основных требований, предъявляемых энергетической системой к ГЭС, в данном случае наибольшее значение имеет первое — достижение наибольшей обеспеченности в работе энергетической системы. Способы же для удовлетворения второго основного требования энергетической системы — наибольшего количества энергии, вырабатываемой ГЭС, будут рассмотреныв дальнейшем.

Принимая в качестве исходного условия для определе­ния наиболее выгодной предельной глубины сработки водохранилища достижение наибольшей обеспеченности в работе энергетической системы, мы вместе с тем решаем вопрос о режиме опорожнения водохранилища, который мы ранее принимали условным. Так как наибольшая обеспеченность, как мы это установили ранее, достигается при работе ГЭС по гарантированному графику мощности, то отсюда следует, что режим регулирования во время опорожнения водохранилища должен соответствовать работе ГЭС по этому графику.

Если известен состав действующей энергетической системы, то гарантированный график среднесуточной мощности ГЭС всегда может быть построен. Имея достаточно полную гидрологическую характеристику реки, мы можем произвести расчет регулирования за длительный ряд лет при работе ГЭС по гарантированному графику среднесуточной мощности. В результате этого расчета будет получен график изменения уровня воды в водохранилище за все эти годы. На рис. 4 показаны совмещенные кривые изменения уровня воды в водохранилище за несколько лет, причем здесь выделены только те участки кривых, которые в настоящем случае представляют для нас интерес, т. е. относящиеся ко времени опорожнения водохранилища.

Рис. 4

Чем маловоднее год, тем большее количество воды необходимо забирать из водохранилища для получения гарантированной мощности на ГЭС. Поэтому, чем маловоднее год, тем глубже срабатывается водохранилище. Однако в особо маловодные годы никакая самая глубокая сработка водохранилища не даст возможности для ГЭС работать по гарантированному графику в течение всего периода опорожнения водохранилища вследствие значительного уменьшения напора при глубокой сработке. Кривая изменения уровня воды в водохранилище для такого случая изображена па рис. 4 пунктиром. Очевидно, что в такие особо маловодные годы нельзя избежать нарушений нормальной работы энергетической системы. Поэтому мы все такие годы исключаем из дальнейшего рассмотрения.

Из числа оставшихся лет возьмем такой наиболее маловодный год, в котором глубина сработки водохранилища оказывается наибольшей. Если бы мы в этом году использовали водохранилище в меньшей степени, то ГЭС не могла бы работать по гарантированному графику вследствие недостатка воды. Более глубокая сработка водохранилища в этом году не требуется для получения огарантированной мощности и она не может дать дополнительной энергии, так как работа ГЭС с среднесуточной мощностью больше гарантированной привела бы к преждевременному опорожнению водохранилища и чрезмерному уменьшению напора ГЭС. Таким образом, мы приходим к выводу, что полученная нами глубина сработки является тем пределом, до которого может ежегодно опорожняться водохранилище годичного регулирования. Та часть всего объема водохранилища, которая заключена между отметкой предельной сработки и отметкой НПУ, представляет собой полезный объем водохранилища.

При определении предельной глубины сработки водохранилища описанным выше способом мы в качестве исходного условия приняли гарантированный график среднесуточной мощности ГЭС. Но так как ГЭС, имеющая водохранилище годичного регулирования, одновременно ведет и суточное регулирование, то в часы суточного пика нагрузки энергетической системы она должна развивать мощность, большую, чем среднесуточная. При глубокой сработке водохранилища и значительном уменьшении напора располагаемая по напору мощность ГЭС может быть равной или даже большей гарантированной среднесуточной мощности. В таких случаях, несмотря на то, что ГЭС может работать по обеспеченному графику среднесуточной мощности, все же наступает нарушение нормальной работы энергетической системы. Следовательно, в этом случае предельная отметка сработки водохранилища годичного регулирования, до ко торой оно должно ежегодно опорожняться, должна лежать выше той, которая была нами определена ранее. По годовому графику гарантированной пиковой мощности ГЭС и по характеристикам установленных на ней турбин нетрудно определить, какой минимальный напор необходимо иметь и, следовательно, какой уровень воды в водохранилище должен поддерживаться на любую календарную дату за все время опорожнения водохранилища. Кривая зависимости необходимого минимального уровня воды в водохранилище от времени построена на рис. 5. На этом же графике нанесена кривая зависимости уровня воды в водохранилище от времени при работе ГЭС по гарантированному графику среднесуточной мощности. Из всех таких кривых на рис. 5 показаны только две. Одна из них, изображенная в виде сплошной линии, получена в таком гидрологическом году, когда сработка водохранилища к концу маловодного сезона как раз совпадает, как это видно из графика, с. допустимой сработкой по условию получения необходимой пиковой ' мощности на ГЭС. Такая глубина сработки водохранилища и должна рассматриваться как предельная, т. е. как такая, до которой ежегодно опорожняется водохранилище. На этом же чертеже пунктиром изображена та кривая зависимости уровня воды в водохранилище от времени, которая ранее была принята для определения глубины сработки по среднесуточной мощности.

Рис. 5

Наибольшая нагрузка энергетической системы, когда от ГЭС требуется участие в балансе мощности всей ее полной вытесняющей мощностью, в большинстве случаев не совпадает по времени с наибольшим опорожнением водохранилища. Годовой пик нагрузки энергетической системы обычно проходит в конце декабря и начале января, полное же опорожнение водохранилища происходит в конце маловодного сезона, т. е. весной, перед наступлением паводка. В связи с этим во время наиболее глубокой сработки водохранилища гарантированная пиковая мощность несколько меньше максимальной. Это позволяет увеличить сработку водохранилища к концу маловодного сезона. Такой случай изображен на рис. 5.

Для низконапорных ГЭС, у которых напор и располагаемая мощность ГЭС находятся в зависимости от колебаний уровня воды в нижнем бьефе, при определении предельной глубины сработки водохранилища следует учитывать неустановившийся характер движения воды в нижнем бьефе ГЭС при суточном регулировании. Большое, но кратковременное увеличение нагрузки ГЭС не оказывает значительного влияния на величину напора и, следовательно, располагаемой мощности ГЭС. Поэтому для низконапорных ГЭС пиковый режим рабочей мощности и регулирование частоты в энергетической системе представляются более выгодными, так как они позволяют несколько увеличить используемый такими ГЭС полезный объем водохранилища годичного регулирования, а вместе с тем и количество вырабатываемой ГЭС энергии.

Если в составе вытесняющей мощности ГЭС имеется резервная мощность, в частности, если на ГЭС установлен нагрузочный резерв энергетической системы, то его величина должна, конечно, учитываться при определении глубины сработки водохранилища годичного регулирования, допустимой по условию получения необходимой пиковой мощности на ГЭС.

Ограничения глубины сработки водохранилища годичного регулирования могут быть вызваны и другими причинами, кроме той, которая отмечена выше и которая зависит от характеристик установленных на ГЭС турбин. Одной из таких дополнительных причин может быть заиление водохранилища наносами, заполняющими не только мертвый объем, определяемый по энергетическим условиям, но и часть полезного объема водохранилища. Другой пример ограничения глубины сработки водохранилища может встретиться в плотинно-деривационных схемах. Такой случай изображен на рис. 6.

Рис. 6

Если плотина такой ГЭС достаточно высока, то водохранилище могло бы иметь очень большой полезный объем, если отметку предельной сработки определять на основании энергетических расчетов, изложенных выше. В этом случае напорный деривационный туннель должен был бы занять по высоте положение, показанное на чертеже пунктиром. Но тогда при большой длине туннеля и при большом уклоне внутреннее давление в его нижней части у соединения с турбинным трубопроводом оказалось бы чрезвычайно большим в то время, когда водохранилище наполнено до НПУ. Это требовало бы усиления и потому удорожания облицовки туннеля, что может оказаться экономически невыгодным. По этой причине для уменьшения внутреннего давления в туннеле его приходится располагать выше, как показано на чертеже сплошными линиями. Так как УМО в водохранилище должен быть выше водоприемных отверстий деривации, то это приводит к уменьшению полезного объема водохранилища.

Также, ограничения глубины сработки водохранилища годичного регулирования могут вызываться условиями работы других потребителей воды.

Наконец, при выборе глубины сработки водохранилища следует учитывать оборудование, которое будет установлено на ГЭС. Не существует турбины одинаково хорошо работающей и при напоре в 100 м и 50 м. В общем случае, отношении минимального напора к предельному турбины для турбин РО - 0,6; для вертикальных ПЛ и ПЛД – 0,5; для горизонтальных ПЛ-0,35. Это значит, если разделить минимальный напор при выбранной глубине сработки на предельный напор предполагаемого оборудования, должно получиться число не меньше указанных. Например, если на напор на ГЭС при НПУ 110 м, то при установке турбины РО115 следует срабатывать водохранилище не ниже чем на 46 м, (115*0,6= 69м), меньше сработать можно (и для жестколопастных турбин чем меньше колебания напоров тем лучше), больше – нет.

9.2 Обоснование оптимальной глубины сработки водохранилища

Выше мы уже рассматривали энергетическую характеристику или кривую выработки электроэнергии за период опорожнения водохранилища в зависимости от глубины сработки водохранилища.

Для удобства восприятия полную энергию получали как сумму двух составляющий: энергии транзитного стока и энергии за счет сработки водохранилища.

Отмечалось, что величина Эсраб растет до определенного предела h_о, после чего снижение напора не компенсируется увеличением используемого стока и полная выработка снижается.

Если изменится транзитный сток за период сработки водохранилища, то изменится и положение кривой. Пунктирная кривая соответствует меньшему значению за время сработки транзитного стока. Такое уменьшение может быть следствием как более низкой водности, так и сокращения периода сработки водохранилища. Новое положение заняла и кривая суммарной энергии ГЭС. Максимум выработки в этом случае соответствует другой глубине сработки h_о1.

Аналогичный характер имеет и кривая полной годовой выработки электроэнергии ГЭС на рис. 7

Рис. 7

Однако из сопоставления двух упомянутых кривых видно, что максимальная годовая выработка наступает при меньшей конечной глубине сработки, чем выработка за период опорожнения водохранилища. Обусловлено это тем, что в период наполнения водохранилища выработка уменьшается за счет снижения и напора, и расхода.

На рис. 7 пунктирными кривыми показана выработка ГЭС с учетом дополнительной выработки на других ГЭС каскада. С учетом эффекта на нижележащих станциях каскада глубина сработки, обеспечивающая максимальную выработку, получается большей.

Итак, каждому сочетанию исходных условий (транзитный сток, режим и длительность сработки, схема каскада и т. д.) соответствует своя глубина сработки водохранилища, при которой будут иметь место максимальные значения обеспеченной годовой выработки электроэнергии ГЭС.

Однако эта глубина сработки не может быть принята окончательно в качестве оптимальной. Анализ представленных выше графиков дает лишь зону, в пределах которой следует искать оптимальную глубину сработки водохранилища. Для обоснования ее кроме изменения энергетических показателей приходится учитывать и другие последствия сработки водохранилища.

Наряду с увеличением выработки, обеспеченной и установленной мощности возрастание полезного объема приводит к росту затрат. Так, более глубокая конечная сработка водохранилища связана с большим заглублением водозабора и удорожанием затворов и гидротехнических сооружений. Увеличение установленной мощности проектируемой ГЭС также связано с дополнительными капитальными вложениями и издержками.. Это затраты на расширение здания ГЭС, увеличение суммарной мощности генераторов, электрическую часть, турбинное оборудование и т. д.

Дополнительные затраты по турбинному оборудованию вызваны увеличением диаметра колеса или числа турбин. Оба мероприятия используются для увеличения установленной мощности и компенсации снижения располагаемой мощности турбин при снижении расчетного напора из-за более глубокой сработки водохранилища. При каскадной схеме использования водотока увеличение полезного объема водохранилища проектируемой ГЭС может привести к целесообразности увеличения установленной мощности на нижних ГЭС каскада. Это также связано с дополнительными капиталовложениями и издержками .

Наконец, при комплексном использовании водотока могут потребоваться дополнительные капиталовложения и издержки по сопутствующим мероприятиям. Таким образом, дополнительные капиталовложения, вызванные увеличением глубины сработки водохранилища при переходе от одного варианта к другому, представляют собой сумму

Аналогично определяются дополнительные издержки и приведенные затраты. Все экономические показатели используются в расчетах с учетом фак­тора времени. Соответственно для варианта проектируе­мой ГЭС рассчитываются заменяющие варианты, для которых также определяются изменения капиталовло­жений, издержек и затрат при последовательном перехо­де от предыдущего варианта к последующему.

В общем случае затраты по заменяемым вариантам или их изменения А3_зам представляют собой сумму за­трат (или приращений) по заменяемым электростан­циям, топливу и сопутствующим мероприятиям

Знак минус при втором слагаемом может иметь место при переходе между вариантами в зоне от /г_0Год До ha (рис. 7), т. е. когда при увеличении глубины сра­ботки мощность продолжает увеличиваться, а годовая выработка уже начинает снижаться.

Однако надо иметь в виду, что уменьшение выработ­ки не всегда тождественно уменьшению экономии топ­лива. Дело в том, что удельная экономия топлива Ь_ш в разные сезоны года различна, в частности, зимой, выше, чем в весенне-летний период. Поэтому при увеличении выработки в период сработки водохранилища (зимой) и уменьшении ее в период наполнения водохранилищ, несмотря на общее уменьшение годовой выработки, суммарная экономия топлива может не снижаться, а возрастать. Для правильной оценки этой составляющей затрат, очевидно, необходимо расчеты по определению экономии топлива производить раздельно по сезонам.

Все показатели по заменяемым вариантам должны определяться соответственно полному эффекту на проектируемой ГЭС и других ГЭС каскада с учетом разновременности получения и использования его.

Обоснование оптимальной глубины сработки водохранилища производится по одному из следующих условий:

1. по равенству приращения затрат при изменении глубины сработки на величину Δh

2. по равенству срока окупаемости дополнительных капиталовложений нормативной величины при увеличtнии сработки на Δh