Лекция 4. Выбор установленной мощности для ГЭС различной степени зарегулированности стока.
4.1 Общая характеристика режима работы гэс с годичным регулированием
В полном годовом цикле работы ГЭС, имеющей водохранилище годичного регулирования, можно выделить 4 различных периода. В течение каждого из этих периодов режим работы ГЭС имеет свои особенности. В схематическом виде эти 4 периода показаны на рис. 11-23 (слайд 11).
В течение первого периода происходит опорожнение водохранилища. Начало этого периода на графике совпадает с началом года. В течение этого периода ГЭС использует естественный приток воды, не задерживаемый водохранилищем, или транзитный приток и дополнительно использует запас воды, имеющийся в водохранилище. Транзитный приток не перераспределяется водохранилищем, но вода, забираемая ГЭС из водохранилища, может распределяться любым образом. Так как полная величина регулируемого расхода воды складывается из транзитного расхода и расхода, забираемого из водохранилища или попуска, то возможный режим регулирования зависит главным образом от относительной величины полезного объема водохранилища, а не от его абсолютной величины. В данном случае относительным объемом водохранилища мы должны считать отношение его полезного объема к объему транзитного стока за все время опорожнения водохранилища. Чем больше относительный объем водохранилища, тем больше свобода регулирования, т. е. управления режимом расходов воды и мощности ГЭС.
Во время наполнения водохранилища естественный расход воды делится на две части. Одна часть пропускается через турбины ГЭС, вторая остается в водохранилище. Понятно, что чем меньше полезный объем водохранилища по отношению к объему паводочного стока, тем большая их часть естественного расхода воды при наполнении водохранилища может быть пропущена через турбины ГЭС и тем больше мощность, с которой может работать ГЭС в течение этого периода. При относительно малом объеме водохранилища годичного регулирования ГЭС работает во время его наполнения всей своей полной установленной мощностью. Наоборот, при очень большом объеме водохранилища ГЭС во время его наполнения может работать только минимальной мощностью.
Если объем водохранилища годичного регулирования не очень велик по сравнению с объемом паводочного стока, то после окончания наполнения водохранилища величина естественных расходов воды в реке может превышать наибольшую пропускную способность турбин ГЭС. В этом случае неизбежны бесполезные сбросы воды. Эти бесполезные сбросы воды продолжаются до тех пор, пока естественный расход воды не станет равным полной пропускной способности турбин ГЭС. Работая с полным открытием направляющего аппарата турбин, ГЭС в период бесполезных сбросов развивает всю свою полную установленную мощность, если в это время уровень воды в нижнем бьефе не повышается настолько, что располагаемая мощность ГЭС уменьшается.
После того, как естественные расходы воды в реке становятся равными или меньшими полной пропускной способности турбин, ГЭС работает только на транзитном стоке. Водохранилище в это время держится наполненным до НПГ. На этой отметке уровень воды в водохранилище поддерживается до тех пор, пока естественный расход воды не уменьшится, а нагрузка ГЭС не увеличится настолько, что для получения необходимой мощности на ГЭС потребуется набирать воду из водохранилища в дополнение к естественному расходу воды. С этого момента начинается новый цикл годичного регулирования.
Одно и то же водохранилище годичного регулирования в различные гидрологические годы работает неодинаково. В многоводные годы увеличивается продолжительность периода бесполезных сбросов и периода работы на транзитном стоке. Продолжительность же периодов опорожнения и наполнения водохранилища сокращается. В маловодные же годы, наоборот, увеличивается продолжительность опорожнения и наполнения водохранилища и сокращается продолжительность периодов бесполезных сбросов работы ГЭС на транзитном стоке. Дальнейшее уменьшение паводочного стока приводит к полному отсутствию бесполезных сбросов воды, а затем и периода работы ГЭС на транзитном стоке. В этом случае весь годовой цикл составляется только из двух периодов—наполнения водохранилища и его опорожнения.
Внутри периода опорожнения водохранилища между величинами мощности ГЭС и, следовательно, между величинами регулируемых расходов воды за каждые сутки имеется очень тесная связь. Работа ГЭС с очень большой мощностью в начале этого периода приводит к быстрому опорожнению водохранилища и потому к невозможности получить большую мощность в конце маловодного сезона. Дополнительно отметим, что быстрое опорожнение водохранилища в начале маловодного сезона не только уменьшает объем стока, который может быть использован ГЭС в конце его, но также уменьшает и напор, действующий на ГЭС. В результате этого еще значительнее уменьшаются мощность и количество энергии, вырабатываемой ГЭС в конце этого периода. Наоборот, работа ГЭС в начале маловодного сезона с очень малой мощностью позволяет увеличить мощность в конце периода опорожнения водохранилища, так как в нем остается к этому времени большой запас воды.
Количество энергии, вырабатываемой ГЭС за период опорожнения (сработки) водохранилища, определяется величиной полезного объема водохранилища и режимом его сработки, а также величиной транзитного стока за время его опорожнения, следовательно, не зависит от режима работы ГЭС до начала периода сработки и после его окончания.
Однако распределение этой энергии, т. е. режим регулирования, нельзя считать совершенно независимым от режима работы ГЭС в течение остальной части года. Уже на примере ГЭС, работающей только с суточным регулированием, мы видели, что режим суточного регулирования за некоторые сутки может определяться не только условиями наиболее полного использования энергии и мощности ГЭС за эти сутки. Условия участия такой ГЭС в балансе мощности энергетической системы могут иногда потребовать ограничения суточного регулирования для того, чтобы получить возможность произвести плановый ремонт агрегатов ГЭС. Имеющая водохранилище годичного регулирования, ГЭС почти всегда может перераспределять суточную энергию во время опорожнения водохранилища, т. е. может вести не только годичное, но и суточное регулирование. Вполне понятно, что по этой причине режим ее работы в течение маловодного периода через годовые балансы энергии и мощности энергетической системы еще более тесно связан с режимом работы в течение остальной части года. Чем больше относительная величина полезного объема водохранилища годичного регулирования, тем теснее зависимость режима работы ГЭС во время опорожнения водохранилища с общими условиями участия ГЭС в балансе энергии и в балансе мощности энергетической системы. Во время опорожнения водохранилища ГЭС годичного регулирования располагается в верхней части графиков нагрузки энергетической системы, так же как и ГЭС, работающая только с суточным регулированием в течение маловодной части года.
Даже при самой малой величине относительного объема водохранилища годичного регулирования оно позволяет в какой-то степени перераспределять энергию, вырабатываемую ГЭС в течение маловодного периода. Но если такое небольшое водохранилище в любом самом маловодном году может быть наполнено до НПУ при работе ГЭС полной установленной мощностью, то в этом случае режим работы ГЭС во время наполнения водохранилища подчиняется только одному условию. Это условие заключается в наибольшем возможном количестве энергии, которое должна выработать ГЭС за время наполнения водохранилища. Следовательно, в рассматриваемом случае можно считать, что режим работы ГЭС во время наполнения водохранилища не зависит от режима ее работы в течение других выделенных нами периодов. Но чем больше относительная величина полезного объема водохранилища годичного регулирования, тем все более тесной становится связь режима работы ГЭС за время наполнения водохранилища с режимом ее работы в течение остальной части года. Наконец, в тех случаях, когда относительный объем водохранилища настолько велик, что бесполезные сбросы воды совершенно отсутствуют, а период работы ГЭС на транзитном стоке очень непродолжителен или даже отсутствует, режим работы ГЭС в течение периода наполнения и периода опорожнения водохранилища совершенно не может рассматриваться раздельно. Годовой баланс энергии и баланс мощности энергетической системы в этом случае полностью определяют режим работы ГЭС в течение всего года. В зависимости от относительной величины полезного объема водохранилища годичного регулирования ГЭС может располагаться во время его наполнения как в верхней, так и в нижней части графиков нагрузки энергетической системы.
В течение периода холостых сбросов воды ГЭС работает, конечно, своей наибольшей возможной мощностью. В это время она располагается в самой нижней части графиков нагрузки энергетической системы. Всякое другое положение ее в графиках нагрузки неизбежно привело бы к увеличению бесполезных сбросов воды, т. е. к потерям энергии и к увеличению количества топлива, расходуемого ТЭС. Следовательно, режим работы ГЭС в период бесполезных сбросов воды определяется только гидрологическими условиями и не зависит от режима ее работы в течение остальной части года. В это время режим работы ГЭС, имеющей водохранилище годичного регулирования, ничем не отличается от режима работы нерегулируемой ГЭС, так как ее среднесуточная мощность совпадает по величине с пиковой мощностью и в каждые сутки определяется величиной естественного расхода воды в реке за эти сутки. В некоторых случаях во время холостых сбросов воды ГЭС годичного регулирования может вести ограниченное суточное регулирование путем изменения величины расхода воды, сбрасываемой через водослив. Этот способ заключается в следующем. За некоторое время до наступления наибольшей нагрузки (пика) закрываются затворы водосбросных сооружений, через которые сбрасывается избыточный приток. Если площадь наполненного до отметки НПУ водохранилища достаточно велика, то повышение уровня воды в нем в течение тех нескольких часов, когда прекращается сброс избыточной воды, оказывается небольшим.
Наконец, в последний период, когда ГЭС с годичным регулированием работает на транзитном стоке, режим ее можно считать подобным режиму ГЭС, имеющей водохранилище суточного регулирования.
Перераспределение энергии, вырабатываемой ГЭС годичного регулирования во время опорожнения водохранилища (а для относительно больших водохранилищ также и вовремя их наполнения), должно производиться таким образом, чтобы одновременно были удовлетворены два установленных нами требования энергетической системы — достижение наибольшей обеспеченности в работе ГЭС и наибольшая экономия топлива на ТЭС, т. е. наибольшее количество энергии, вырабатываемой ГЭС.
При годичном регулировании имеется связь между величинами суточной энергии внутри сезона, а для относительно больших водохранилищ и внутри всего года. Выбор наиболее выгодного режима работы ГЭС требует в этом случае прогноза режима предстоящего стока реки по крайней мере на сезон. Современное состояние наших метеорологических и гидрологических знаний лишь в сравнительно редких случаях позволяет получать такой прогноз с достаточной уверенностью. Для большинства же ГЭС, работающих с длительным регулированием, такой долгосрочный прогноз режима речного стока или совершенно невозможен, или недостаточно полон, т. е. не дает возможности с достаточной точностью предвидеть все необходимые характеристики режима естественного стока реки даже на один сезон вперед. В связи с этим управление режимом работы ГЭС, имеющей водохранилище годичного регулирования, связано с дополнительными трудностями, которые отсутствуют в более простых случаях.