Лекция 3. Выбор установленной мощности для ГЭС различной степени зарегулированности стока.

3.1 Гэс с суточным регулированием в суточном балансе мощности энергосистемы

Объем водохранилища, необходимый для суточного регулирования, невелик. Как мы уже видели, он не должен превышать объема воды, протекающего в реке за маловодные сутки. Получаемый же от суточного регулирования энергетический и экономический эффект очень велик. Поэтому всегда, за исключением тех случаев, о которых было сказано выше, ГЭС, входящая в смешанную энергетическую систему, работает с суточным регулированием. Количество энергии, которое может выработать ГЭС с суточным регулированием за любые сутки, определяется величиной естественного притока воды к этой ГЭС за сутки. Величину естественного расхода воды в реке мы, как это делали и раньше, будем считать неизменной. Задачей водохранилища суточного регулирования является перераспределение этого равномерного притока в соответствии с требованиями энергосистемы, т. е. в соответствии с характером суточного графика нагрузки и в зависимости от величины естественного расхода воды в реке. Отсюда следует, что величина расхода воды, используемого ГЭС с су-точным регулированием, и величина мощности, развиваемой этой ГЭС в каждый момент, имеют определенную связь с тем расходом воды и с той мощностью, с которой работала ГЭС в предшествующие часы в течение данных суток и с которой она должна работать в последующие часы этих суток.

В этом проявляется одно из существенных различий между ГЭС нерегулируемой и ГЭС, работающей с суточным регулированием. Нерегулируемая ГЭС в каждый момент работает в соответствии только с величиной естественного расхода воды в реке. Поэтому для такой ГЭС знание предстоящего расхода воды не имеет существенного значения, так как режим работы нерегулируемой ГЭС независим ни от каких других условий, связанных с будущим. В этом случае прогноз режима речного стока оказывается имеющим более важное значение главным образом для общего планирования работы ТЭС и всей энергетической системы. Если же ГЭС работает с суточным регулированием, то для определения режима ее работы, т. е. для определения режима регулирования, необходимо знать хотя бы за одни сутки вперед величину предстоящего естественного расхода воды в реке и ожидаемые нагрузки энергетической системы на эти предстоящие сутки. Так как водохранилище суточного регулирования работает в маловодные сезоны, когда величина естественных расходов воды изменяется сравнительно медленно, то краткосрочный прогноз величины естественного расхода воды в реке с заблаговременностью в одни сутки почти всегда возможен с достаточной для практических целей точностью. Также без существенной ошибки можно за одни сутки вперед предвидеть предстоящий характер суточного графика нагрузки энергетической системы. Поэтому установление правильного, т. е. наиболее выгодного для энергетической сисхемы, режима работы ГЭС с суточным регулированием в громадном большинстве случаев не представляет принципиальных затруднений.

Свойство энергетического оборудования ГЭС легко воспринимать резкие колебания нагрузки имеет в рассматриваемом случае особенно важное значение. Оно позволяет помещать ГЭС, имеющую водохранилище суточного регулирования, в верхней части суточного графика нагрузки энергетической системы. Вследствие этого ТЭС получают возможность работать в нижней части суточного графика нагрузки с постоянной или с мало изменяющейся мощностью. Этим достигаются высокий к. п. д. ТЭС и, следовательно, малый удельный расход топлива.

Возможность расположения ГЭС в пиковой части суточного графика нагрузки энергетической системы является одним из основных преимуществ, которое дает суточное регулирование. Такой режим работы позволяет при малой величине среднесуточного расхода воды в реке и, следовательно, при небольшом количестве суточной энергии использовать большую мощность ГЭС. Экономически это оказывается выгодным потому, что увеличение установленной мощности ГЭС при неизменности основных гидротехнических сооружений ее во многих случаях требует меньших капитальных затрат, чем увеличение установленной мощности ТЭС.

Если бы перед ГЭС с суточным регулированием ставилась только одна задача — наиболее полное использование ее мощности в графиках нагрузки энергетической системы, то она должна была бы всегда работать в самой верхней их части. Этим достигалось бы выполнение первого из основных требований энергетической системы, т. е. работа с наибольшей возможной обеспеченностью. Но перед ГЭС с суточным регулированием, так же как и перед всякой другой ГЭС, энергетическая система выдвигает еще одно очень важное требование — увеличение количества вырабатываемой ею энергии до наибольшего возможного предела. Для ГЭС, работающей без всякого регулирования, между этими двумя требованиями энергетической системы не может быть никаких противоречий, так как режим работы такой ГЭС в каждый момент определяется только величиной естественного расхода воды в реке. Точнее говоря, противоречие, имеющееся между двумя основными требованиями энергетической системы, в этом случае разрешается очень легко, если ГЭС всегда работает в оазисной части графиков нагрузки энергетической системы.

ГЭС с суточным регулированием находится в другом положении, так как здесь режим работы в каждые отдельные сутки зависит уже не только от величины естественного притока воды, но и от других условий — формы графиков нагрузки на сутки и возможностей регулирования, т. е. объема водохранилища. Однако для ГЭС, работающей с суточным регулированием, всегда имеется возможность согласовать противоречивые требования энергетической системы. Эта возможность заключается в том, что мы, как это уже отмечено выше, можем предвидеть за короткий срок вперед как величину естественного расхода воды в реке, так и ожидаемую нагрузку энергетической системы на предстоящие сутки. А если эти условия нам известны, то мы всегда можем установить на каждые сутки такой режим работы ГЭС, который удовлетворяет обоим требованиям энергетической системы.

Практическое решение обеих задач — наиболее полное использование установленной мощности ГЭС с суточным регулированием, т.е. наибольшая обеспеченность работы энергетической системы и наибольшее количество вырабатываемой ГЭС энергии, состоит в том, что эта ГЭС не располагается всегда только в верхней части суточного графика нагрузки, но занимает в нем различное положение — от самого верхнего до самого нижнего в зависимости от величины естественного притока воды к ГЭС за каждые сутки.

Если водохранилище ГЭС по своему объему не ограничивает возможностей суточного регулирования, то положение ГЭС в суточном графике нагрузки энергетической системы определяется двумя условиями—суточным количеством энергии ГЭС, зависящим от величины естественного расхода воды в реке за данные сутки, и наибольшей рабочей мощностью ГЭС, которая может быть определена как разность между ее установленной мощностью и резервной мощностью, если, конечно, на ГЭС имеется такая резервная мощность. Очевидно, что ГЭС должна занимать такое положение в суточном графике нагрузки, при котором полностью используется весь естественный приток воды к ней за данные сутки и полностью используется наибольшая возможная рабочая мощность ГЭС во время прохождения суточного пика нагрузки энергетической системы.

Предварительное определение количества энергии, вырабатываемой ГЭС за предстоящие сутки, может быть найдено по уравнению

(11.1)

В этом уравнении величина среднесуточного расхода воды предполагается известной. Если имеются характеристики турбин и генераторов ГЭС, то также известна величина к. п. д. Средняя величина напора за сутки может быть найдена приближенно по среднему положению уровня воды в водохранилище (между отметками НПГ и ГМО) и отметкой уровня воды в нижнем бьефе ГЭС при расходе, равном среднесуточному, как это показано на рис. 11-12. (слайд 5)

Когда величина суточной энергии ГЭС и ее наибольшая возможная рабочая мощность известны, то для определения положения ГЭС с суточным регулированием в суточном графике нагрузки энергетической системы может быть применен следующий простой графический прием, показанный на рис. 11-13 (слайд 6), на котором предварительно построены суточный график нагрузки и интегральная кривая нагрузки. Слева от интегральной кривой нагрузки проведем вспомогательную кривую таким образом, чтобы все ее точки находились на одинаковом горизонтальном расстоянии, равном в принятом масштабе суточной энергии ГЭС, или сдвинем интегральную кривую нагрузки на это расстояние влево. Проведем еще одну вспомогательную кривую так, чтобы все ее точки находились на одинаковом расстоянии по вертикали, равном в принятом масштабе мощности ГЭС, от интегральной кривой нагрузки или сдвинем интегральную кривую на это расстояние вверх. Обе вспомогательные кривые пересекутся между собой. Из точки х пересечения проведем вниз вертикальную прямую до встречи с интегральной кривой нагрузки. Проведя влево две горизонтальные прямые — одну через точку пересечения вспомогательных кривых, другую через точку пересечения вертикальной прямой с интегральной кривой нагрузки, мы найдем положение ГЭС в суточном графике нагрузки энергетической системы. Из известных нам свойств интегральной кривой нагрузки следует, что при найденном нами положении ГЭС ее наибольшая рабочая мощность в течение

суток как раз равна заданной и количество вырабатываемой ГЭС в течение суток энергии также равно заданному.

Чем меньше естественный расход воды в реке и, следовательно, чем меньше суточная энергия ГЭС, тем более высокое положение она занимает в суточном графике нагрузки энергетической системы. Наоборот, по мере увеличения естественного расхода воды и суточной энергии ГЭС она все ниже опускается в суточном графике нагрузки. Это хорошо видно из графика, построенного на рис. 11-14 (слайд 7). На этом графике проведена вспомогательная кривая, представляющая собой интегральную кривую нагрузки, сдвинутую вверх на расстояние, равное в масштабе наибольшей возможной рабочей мощности ГЭС, т. е. равное ее установленной мощности за вычетом резервной. Если суточная энергия ГЭС равна величине Э₁, то, как это следует из построенного нами графика, ГЭС должна работать в самой верхней части суточного графика нагрузки, участвуя при этом своей полной мощностью в покрытии пика нагрузки энергетической системы за данные сутки. При большей величине суточной энергии (величина Э₂ на рис. 11-14) ГЭС работает в средней или полупиковой части суточного графика нагрузки. Когда суточная энергия ГЭС увеличивается до величины Э₃, ГЭС занимает самое нижнее положение в этом графике. При этом возможен частичный сброс воды, если минимальная нагрузка энергетической системы за сутки меньше полной возможной рабочей мощности ГЭС. Такой случай изображен на рис. 11-14. Дальнейшее увеличение естественного расхода воды в реке приводит к необходимости бесполезных сбросов воды уже в течение целых суток. При очень малой величине естественного расхода воды в реке и соответственно при очень малой суточной энергии (меньшей величины Э₁)

ГЭС уже не может использовать всю свою мощность. Если в какие-либо маловодные сутки возможная для использования мощность ГЭС оказывается меньше минимально необходимой или гарантированной мощности для данных календарных суток, наступает нарушение нормальной работы энергетической системы.

У низконапорных ГЭС сильное увеличение естественного расхода воды во время паводка может привести, как уже говорилось, к снижению располагаемой мощности ГЭС вследствие значительного повышения уровня воды в нижнем бьефе и тем самым уменьшения напора. В некоторых случаях при этом возможно суточное регулирование путем закрытия и затворов водосбросных отверстий в часы прохождения повышенных нагрузок. В этих случаях возможность суточного регулирования зависит от величины площади водохранилища и от гидравлических характеристик нижнего бьефа ГЭС.

У плотинных ГЭС в большинстве случаев достаточный для суточного регулирования объем водохранилища получается при очень небольшой разности отметок НПГ и ГМО, т. е. при неглубокой сработке водохранилища. В таких случаях возможность регулирования не ограничивается объемом водохранилища, но ограничение может быть обусловлено повышением уровней воды в нижнем бьефе ГЭС. Ограничения суточного регулирования вследствие недостаточного объема водохранилища встречаются в тех случаях, когда водохранилище создается не в русле реки, а на трассе деривации, особенно если оно представляет собой искусственный бассейн суточного регулирования. Но в этих случаях ограничения суточного регулирования не связаны с уменьшением располагаемой мощности ГЭС. Если бы ГЭС в этом случае работала без суточного регулирования, то уровень воды в ее верхнем бьефе всегда держался бы на отметке НПГ. Следовательно, ГЭС всегда работала бы при данном приточном расходе воды с наибольшим возможным напором, а потому вырабатывала бы наибольшее возможное количество энергии. При суточном регулировании уровень воды в верхнем бьефе ГЭС колеблется между отметками НПГ и ГМО и его среднее положение несколько ниже отметки НПГ. Следовательно, и среднее значение напора ГЭС также несколько меньше наибольшего возможного, а потому при суточном регулировании количество энергии, вырабатываемое ГЭС, всегда несколько меньше того, которое она могла бы выработать, работая без всякого регулирования.

Таким образом, мы приходим к выводу, что суточное регулирование всегда вызывает некоторые потери энергии или за счет снижения уровней воды в верхнем бьефе или повышения их в нижнем бьефе. Однако эти потери энергии не могут быть большими. Значительную часть годовой энергии ГЭС вырабатывает во время паводка, когда она работает в нижней части суточного графика нагрузки всей своей установленной мощностью без суточного регулирования. В остальной части года, когда ГЭС работает с суточным регулированием, естественные расходы воды в реке и суточная энергия ГЭС уменьшаются. Поэтому общие годовые потери энергии, являющиеся следствием суточного регулирования, обычно очень невелики. В большинстве случаев они составляют от 0,5 до 3% от среднегодовой выработки энергии ГЭС за многолетний период. Те очень большие преимущества суточного регулирования на ГЭС, которые получает энергетическая система, конечно, вполне оправдывают такие небольшие потери энергии.