Заиров Х.И. Гидроэлектростанции. Часть 1

Подождите немного. Документ загружается.

Лекции по дисциплине “Гидроэлектростанции”

Санкт-Петербургский Государственный Политехнический Университет

года в год. Бывают годы многоводные, со стоком выше среднего и

маловодные со стоком ниже среднего.

Параметры стока:

- Средний объем годового стока

за многолетний период

www

n21

⋅

= ,

где W

, W

- объемы стока за отдельные годы, м

;

n - число лет наблюдений.

- Модуль годового стока

F105.31

W1000

⋅

= ,

где W

- объем стока за конкретный год, м

;

F - площадь бассейна реки, км

;

31,5⋅10

- число секунд в году.

- Модуль среднегодового стока

F105.31

W1000

⋅

= .

Величина М

дает расход реки в литрах в секунду с 1 км

площади ее

бассейна.

- Модульный коэффициент годового стока

K =

Изменчивость годового стока характеризуется коэффициентом

вариации

()

−

∑

а симметричность распределения стока - коэффициентом

асимметрии

(

)

()( )

C2n1n

1Kn

⋅−⋅−

−

∑

Для большинства рек европейской части России величина С

находится

в пределах 0.20 - 0.25. В засушливых районах С

доходит до 1.0, а для

Енисея и Лены С

= 0.12. Обычно величину С

принимают равной 2С

Лекции по дисциплине “Гидроэлектростанции”

Санкт-Петербургский Государственный Политехнический Университет

2.3 Моделирование речного стока

Главным источником получения данных о гидрологических процессах

и явлениях на реках, озерах, водохранилищах и метеорологических факторах

служит опорная и специализированная сеть станций и постов наблюдения.

Получаемые данные хранятся, обрабатываются, систематизируются и

публикуются Гидрометцентром России. Накоплены данные примерно по

35000 пунктам наблюдений.

На 70% пунктов наблюдения ведутся более 25 лет, на

30 % - более 50

лет (на некоторых до 70 - 80 лет).

В практике проектирования гидроэнергетических сооружений

получило распространение 2 способа использования исходной

гидрометрической информации:

♦ непосредственное применение календарного ряда прошедших лет для

проведения водохозяйственных и водноэнергетических расчетов с

последующей статистической обработкой их результатов;

♦ предварительная статистическая обработка гидрологических рядов, на

основании которой создается математическая модель процесса речного

стока и оцениваются необходимые его вероятностные характеристики, с

последующим использованием полученной модели стока для проведения

водохозяйственных и водноэнергетических расчетов.

Как видно, в первом способе предполагается, что использование для

расчета данные прошлых наблюдений отражают все сложные

закономерности процесса стока в будущем.

Однако небольшой объем данных наблюдений иногда приводит к

значительным погрешностям при

определении водноэнергетических и

водохозяйственных показателей или характеристик ГЭС.

В таких случаях применяется второй способ т.е. осуществляется

моделирование многолетних и внутригодовых колебаний речного стока.

Такое моделирование может осуществляться различными методами.

Так метод Монте - Карло позволяет получать искусственные

гидрологические ряды, соответствующие закономерностям стока конкретных

рек. Основным критерием подобия исходного и смоделированного

рядов

является подобие их функций распределения вероятностей. Алгоритм

моделирования искусственного гидрологического ряда среднегодовых

расходов реки можно представить следующей последовательностью

действий:

1) на основе заданного ряда среднегодовых расходов реки Q

длиной n

определяются статистические характеристики речного стока:

Лекции по дисциплине “Гидроэлектростанции”

Санкт-Петербургский Государственный Политехнический Университет

среднемноголетний расход воды в реке

∑

= (2.1)

коэффициент вариации

()

;

1nQ

−⋅

−

∑

(2.2)

коэффициент асимметрии

()

()( )

;

2n1nQC

nQQ

−⋅−⋅⋅

⋅−

∑

(2.3)

2) воспроизводится последовательность случайных чисел ξ

равномерно распределенных в интервале от 0 до 1. Количество таких чисел

должно быть равно числу лет моделируемого гидрологического ряда. Для

получения случайных чисел можно использовать соответствующие таблицы,

приводимые, например, в книге “Гидрология и гидротехнические

сооружения” (под ред. Г.П. Смирнова М. Высшая школа, 1988).

Моделирование длинных гидрологических рядов выполняется на ЭВМ. В

этом

случае необходимый ряд чисел генерируется специальными

подпрограммами - генераторами псевдослучайных чисел. Такие

подпрограммы имеются на всех современных ЭВМ;

3) каждое случайное число умножается на 100 и приравнивается к

обеспеченности р

среднегодового расхода. По таблицам ординат

интегральных кривых распределения С.Н. Крицкого и М.Ф. Менкеля (И.И.

Леви Инженерная гидрология. М. Высшая школа, 1968) или нормированных

отклонений от среднего значения ординат биноминальной кривой

обеспеченности среднегодовых расходов (см. кн. Г.П. Смирнова)

определяются коэффициенты К

⋅(С

,С

,р

) или Ф

⋅(С

,р

) соответственно.

Далее определяются среднегодовые расходы искусственного

гидрологического ряда по формуле:

= ⎯Q⋅K

⋅(C

, С

) (2.4)

или

= ⎯Q⋅(1 + Ф

(С

,р

))⋅С

(2.5)

Лекции по дисциплине “Гидроэлектростанции”

Санкт-Петербургский Государственный Политехнический Университет

Для пояснения алгоритма приведем пример получения фрагмента

искусственного гидрологического ряда.

На основе ряда наблюдений за речным стоком реки Нарын по

формулам (2.1-2.3) получены статистические характеристики ⎯Q = 462м

/c,

=0,2, С

= 0,8.

Фрагмент таблицы случайных чисел (см. кн. И.И. Леви) дает

следующий ряд: 86 515, 90 795, 66 155, 66 434. Приравняем первые два знака

числа 86 515 случайному числу ξ

и обеспеченности среднегодового расхода

, вторые два знака - числу ξ

и обеспеченности р

и т. д. (таблица). Далее

определим по указанным книгам К

или Ф

, а затем по (2.4) или (2.5) найдем

значения Q

Табличное определение Q

Год

, % К

1 0,86 86 0,79 369 -1,02 368

2 0,51 51 0,98 463 -0,13 450

3 0,59 59 0,93 430 -0,36 429

4 0,07 7 1,31 605 1,64 614

5 0,95 95 0,72 333 -1,38 334

6 0,66 66 0,90 416 -0,49 417

7 0,15 15 1,20 557 1,06 555

8 0,56 56 0,96 444 -0,26 438

9 0,64 64 0,90 416 -0,47 419

10 0,34 34 1,06 490 0,29 489

2.4 Типы водохранилищ и их характеристики

Водохранилище - искусственный водоем с замедленным

водообменом, уровенный режим которого регулируется гидротехническими

сооружениями.

В развитии хозяйства всех стран мира водохранилища играют важную

роль. Без них в ряде регионов мира невозможно обеспечить водой население,

промышленность, сельское хозяйство, водные рекреации, предотвратить

долины рек от опустошительных наводнений, селей, обеспечить

эффективную работу современного водного транспорта, решение

экологических проблем. Это положительные моменты. Однако создание

водохранилищ связано с теми или иными нарушениями в природе и

хозяйстве. Поэтому отношение к водохранилищам противоречиво и

вызывает ожесточенные дискуссии.

Лекции по дисциплине “Гидроэлектростанции”

Санкт-Петербургский Государственный Политехнический Университет

Типы водохранилищ:

• Речные, созданы путем перегораживания рек плотинами;

• Озерные, созданы путем зарегулирования озер плотинами;

• Наливные, заполненные водой понижения местности;

• Водохранилища создаваемые в эстуариях рек;

• Водохранилища создаваемые в карстовых пустотах;

• Водохранилища, образовавшиеся на польдерах.

Речные водохранилища имеют ряд важных особенностей:

а) с созданием водохранилищ резко нарушается относительное

равновесие, установившееся

в природе, и начинается бурное развитие таких

природных процессов, как переформирование берегов и дна, повышение

уровня грунтовых вод, всплывание торфяников, изменение климата

прибрежных районов, растительности и т. п.;

б) создание водохранилищ вызывает существенные изменения в

хозяйстве прилегающих районов и в долине реки ниже плотины;

в) все процессы на разных участках

водохранилищ (в предплотинной

зоне, в зоне выклинивания подпора, в заливах) развиваются неодинаково;

г) параметры и режим эксплуатации, от которых зависит развитие тех

или иных процессов, определяются людьми, и таким образом, от глубины

наших знаний во многом зависят направление и интенсивность развития

природных процессов;

д) водохранилища выступают в двух системах связей;- природных

общественных явлений и в своем развитии испытывают воздействие

различных элементов каждой из этих систем.

Во всем мире количество водохранилищ с каждым годом существенно

увеличивается, и этот процесс будет продолжаться еще многие десятилетия.

Для регулирования стока основными являются озерные и речные

водохранилища.

Характеристики водохранилища

Для создания речного водохранилища обычно строится

плотина,

которая подпирает реку. Водное пространство перед плотиной и другими

подпорными сооружениями имеет более высокий уровень и называется

верхним бьефом, а пространство за этими сооружениями, имеющие

более низкий уровень, называется нижним бьефом.

Лекции по дисциплине “Гидроэлектростанции”

Санкт-Петербургский Государственный Политехнический Университет

Отметки уровня воды обозначаются знаком ∇ с соответствующим

числом, которое показывает высоту над уровнем моря (абсолютная отметка)

или над какой-либо плоскостью сравнения (относительная отметка).

Существуют различные классификации водохранилищ :

♦ по степени регулирования стока - многолетнего, годичного, недельного,

суточного регулирования;

♦ по географическому положению - равнинные, предгорные горные

водохранилища.

По условиям использования в интересах

гидроэнергетики следует

выделить следующие группы водохранилищ:

1) энергетические водохранилища, работающие в режимах,

отвечающих требованиям, предъявляемым к ним энергетическими

системами;

2) комплексные водохранилища, режим работы которых диктуется

совокупными требованиями всех участников водохозяйственного

комплекса.

В гидроэнергетике по местоположению различают

водохранилища:

• а) верховые, расположенные на реке или на ее притоках выше

данной ГЭС;

• б) собственные, т.е. образованные сооружениями, входящими в

состав данной ГЭС;

• в) низовые, расположенные на реке ниже данной ГЭС.

Существуют и создаются каскады водохранилищ для совместного

регулирования стока.

Объемы и уровни водохранилища.

Нормальным подпорным уровнем (НПУ) называют

тот наивысший уровень воды, на который по условиям устойчивости

рассчитывается нормальная работа подпорных и других сооружений (рис.

2.2)

Форсированным подпорным уровнем (ФПУ)

называется уровень, который

может быть допущен на короткое время при

пропуске расходов, имеющих вероятность ниже расчетной, принятой для

нормальных условий эксплуатации.

Лекции по дисциплине “Гидроэлектростанции”

Санкт-Петербургский Государственный Политехнический Университет

Рис. 2.2. Характеристики водохранилища

Уровень наинизшей сработки называют уровнем мертвого

объема (УМО). Объем воды в водохранилище, заключенный между НПУ

и УМО, называют полезным или рабочим объемом. Объем воды,

находящийся ниже уровня сработки, не участвует в регулировании стока и

поэтому его обычно называют мертвым объемом. Рабочий (полезный) и

мертвый объемы совместно составляют полный объем водохранилища

при НПУ.

Объем водохранилища между отметками НПУ и ФПУ обычно

называется резервным и используется для трансформации половодья и

паводка.

Определение объема водохранилища обычно производится по

топографическим планам местности. Планиметрированием площади,

ограниченной соответствующими горизонталями и створом плотины,

находится зависимость между высотной отметкой Z и площадью зеркала

воды в водохранилище F = f(Z), которая называется кривой объема

водохранилища (рис.2.3).

2.5 Потери воды из водохранилища

Различают следующие виды возможных потерь воды из

водохранилища: а) испарение; б) фильтрация через толщу грунта или утечка

через трещины чаши водохранилища; в) фильтрация сквозь тело плотины,

Лекции по дисциплине “Гидроэлектростанции”

Санкт-Петербургский Государственный Политехнический Университет

Рис. 2.3. Кривые зависимости горизонтальных площадей F и статических объемов V

водохранилища от уровня воды Z в водохранилище

под нею и в обход ее; г) утечка через неплотности затворов; д) потери в

результате льдообразования.

Кроме этих действительных потерь для ГЭС, находящейся при

водохранилище, оказывается “потерянной” также вода, забираемая из

верхнего бьефа для шлюзования, орошения, водоснабжения и т.д.

Испарение воды из водохранилища может достигать очень

большой величины. В пределе

весь приток воды в водохранилище может

испариться из него полностью. Этим и объясняется наличие бессточных

морей таких как Каспийское и Аральское, озер Балхаш, Иссык -Куль и др.

Полные потери испарения определяются произведением площади

зеркала водохранилища F

на толщину слоя испарившейся воды Z

Средняя многолетняя толщина слоя испарения в мм/ год с зеркала

малых водоемов Европейской части России достигает:

• для северной части 400 - 500;

• для средней полосы 500 - 800;

• для южной части 800 - 1000;

• для Закаспийской части ≅ 1500.

В течение 4-х летних месяцев испаряется до 70 % воды.

Лекции по дисциплине “Гидроэлектростанции”

Санкт-Петербургский Государственный Политехнический Университет

2.6 Наполнение и сработка водохранилищ

Различают следующие виды наполнения водохранилища:

первоначальное; эксплуатационное, чрезвычайное.

Первоначальное наполнение производится в период

строительства сооружений. Для наполнения водохранилища производится

тщательная подготовка его ложа к затоплению - переносятся строения с

затапливаемых территорий, производится очистка от деревьев, санитарная

очистка и т. д. При первоначальном наполнении ставится цель возможно

скорее

заполнить водохранилище до пусковой отметки, т. е. до минимальной

отметки, при которой возможна работа турбины с минимальным напором.

Дальнейшее заполнение водохранилища происходит при работающих

агрегатах. Водохранилища многолетнего регулирования обычно требуют

несколько лет для заполнения до отметки, позволяющей перейти на

нормальную отдачу.

Эксплуатационное наполнение водохранилищ

годичного регулирования стока производится каждый год до

НПУ. Эти

водохранилища обычно ежегодно срабатываются до УМО. Водохранилища

многолетнего регулирования в период эксплуатации наполняются до НПУ в

особо многоводные периоды лет и срабатываются до УМО в случае

наступления нескольких маловодных лет. Эксплуатационное наполнение

чередуется со сработкой водохранилища.

Чрезвычайное наполнение водохранилищ производят

при пропуске исключительно больших половодий и паводков, которые

иногда называются катастрофическими. Главным требованием является

обеспечение безопасности гидротехнических сооружений гидроузла и

находящихся на пойме нижнего бьефа и верхнего бьефа предприятий,

сооружений, жилых зданий и населения.

При регулировании стока, наполнении и сработке водохранилищ

необходимо учитывать требования и неэнергетических водопользователей и

водопотребителей.

2.7 Водохранилища мира и России

Хотя создание водохранилищ началось примерно 4

тыс. лет тому

назад в Египте, Месопотамии, Китае в основном для орошения земель,

первые значительные водохранилища были построены в 20-е и 30-е годы

прошлого века.

Массовый и повсеместный характер создание водохранилищ

приобрело после Второй Мировой войны. За последние сорок лет их число

возросло на Земном шаре в 4 раза, а объем увеличился

в 10 раз, в том числе в

Лекции по дисциплине “Гидроэлектростанции”

Санкт-Петербургский Государственный Политехнический Университет

странах Латинской Америки, Африки и Азии в 40-90 раз. За этот период

были созданы все крупные водохранилища мира (табл.2.1)