Заиров Х.И. Гидроэлектростанции. Часть 1

Подождите немного. Документ загружается.

Таблица 2.1

Крупнейшие водохранилища мира

п/п

Название Река Страна Год

заполнения

Объем

полный,

км

Объем

полезный,

км

Площадь

водного

зеркала,

км

1 Оуэн Фолс Виктория-Нил

Уганда,

Кения,

Танзания

1954 270,0 204,8 76000

2 Братское Ангара Россия 1967 169,3 48,2 54700

3 Кариба Замбези

Замбия,

Зимбабве

1963 180,6 46,2 4450

4 Насер Нил

Судан,

Египет

1970 168,9 74,0 5120

5 Вольта Вольта Гана 1965 153,0 90,0 8480

6 Гури Карони Венесуэла 1968-1986 138,0 55,0 4250

екции по дисциплине “Гидроэлектростанции”

Санкт-Петербургский Государственный Политехнический Университет

Лекции по дисциплине “Гидроэлектростанции”

Санкт-Петербургский Государственный Политехнический Университет

Сейчас во всех странах мира эксплуатируется более 30 тыс.

водохранилищ. Их полный объем превышает 6 тыс. км

, а площадь водного

зеркала составляет около 400 тыс. км

Создание водохранилищ привело к тем или иным изменениям

природных и хозяйственных условий на территории в 1,5 млн. км

, что равно

суммарной площади таких государств как Франция, Испания,

Великобритания и Германия.

В СНГ насчитывается около 4000 водохранилищ. Их суммарный

полный объем составляет 1200 км

, полезный - 600 км

, площадь водного

зеркала - 145 тыс. км

Представление о водохранилищах дают таблицы 2.2 и 2.3. Из них

видно, что на водохранилища с полным объемом от 100 млн. м

и более

приходится более 98 % объема всех водохранилищ страны и около 90 %

площади их водного зеркала.

Табл. 2.2

Основные показатели водохранилищ СНГ

полным объемом 100 млн. м

и более

Годы

создания

Число

водохранилищ.

Процент

от “ итого”

Объем

полный,

км

Объем

полезный,

км

Площадь

водного

зеркала, тыс.

км

До 1950 42 19,2 75,3 41,6 14,0

1951-1960 39 17,9 262,3 160,7 66,4

1961-1970 64 29,4 432,4 179,4 30,9

1971-1980 50 22,9 242,6 98,9 10,9

1981-1990 23 10,6 97,9 40,5 9,5

Итого 218 100 1110,5 521,1 131,7

Лекции по дисциплине “Гидроэлектростанции”

Санкт-Петербургский Государственный Политехнический Университет

Табл.2.3

Основные показатели крупнейших водохранилищ России

Название Река Годы

наполне

ния

Объем

полный

млн.м

Объем

полезн.

млн.м

Площадь

водного

зеркала,

км

Вид

использов

ания

Братское Ангара 1961-67 169300 48200 54700 ЭСРВЛО

Красноярское Енисей 1967 73293 30428 2000 ЭСЛВРО

Зейское Зея 1974 68420 32120 2119 ЭСЛР

Усть-

Илимское

Ангара 1974-77 58930 2740 1870 ЭС

Куйбышевское Волга 1955-57 58000 34600 5900 ЭСВОРИ

Иркутское Ангара 1956-59 47600 46600 32966 ЭСЛВРО

Вилюйское Вилюй 1965-72 35880 17830 2176 ЭВС

Волгоградское Волга 1958-60 31450 8250 3117 ЭВРИСО

Рыбинское Волга 1940-49 25420 16670 4550 ЭСВРЛО

Примечание: виды использования:

Э - энергетика; И - ирригация; В - водоснабжение; Р - рыбное хоз-во;

Л - лесосплав; C - cудоходство; О - рекреация.

2.8 Виды регулирования расходов воды, мощности и выработки

энергии ГЭС

Различают основные и специальные виды регулирования расходов

воды. К основным видам регулирования расходов воды относят:

Многолетнее регулирование, которое позволяет в

маловодные годы увеличить

расход воды и выработку электроэнергии

гидростанциями за счет стока многоводных лет. При многолетнем

регулировании водохранилище наполняется избыточным стоком

многоводных лет и опорожняется в течение ряда маловодных лет. В

многолетнем регулировании заинтересованы все потребители и

водопользователи, но для его осуществления требуется большой объем

водохранилища.

Лекции по дисциплине “Гидроэлектростанции”

Санкт-Петербургский Государственный Политехнический Университет

Для глубокого многолетнего регулирования необходим полезный

объем водохранилища, равный одному - двум среднегодовым стокам реки.

Частичное многолетнее регулирование возможно уже при емкости

водохранилища порядка 50 % среднегодового стока;

годичное регулирование, имеющее целью

перераспределение расхода воды в течение года в соответствии с

потребностями водопользователей и водопотребителей. В многоводные

сезоны водохранилище наполняется, а в маловодные - опорожняется

. Цикл

регулирования составляет 1 год. Потребный объем от среднегодового стока

составляет от 3-10 % при частичном до 40-60 % при полном годичном

регулировании стока;

суточное регулирование, которое при сравнительно

постоянном в течение суток притоке воды имеет целью обеспечить

неравномерный расход воды через гидроагрегаты, следуя суточным

колебаниям нагрузки энергосистемы. Необходимый объем бьефа или

бассейна суточного регулирования

определяется расчетом. Примерный

объем составляет от 5 до 10 % суточной пропускной способности всех

турбин ГЭС;

недельное регулирование, имеющее целью обеспечить

повышение мощности и выработки энергии ГЭС в рабочие дни за счет

снижения используемого стока в выходные дни, когда нагрузка в

энергосистеме снижается. Для недельного регулирования требуется объем

водохранилища порядка 50-10 % суточной пропускной способности всех

турбин ГЭС.

К числу специальных видов регулирования относят:

компенсирующее, которое может производиться верховым

водохранилищем для того, чтобы компесировать неравномерность притока с

промежуточного водосбора между створами водохранилища и ГЭС;

контррегулирование, или обратное перерегулирование,

которое выравнивает поступающие от основной ГЭС переменные расходы

воды;

трансформация паводков и половодий, которая

позволяет задерживать пиковую часть

паводка в водохранилище;

аварийное использование водохранилища производится при

аварии в энергосистеме. После ликвидации аварии дополнительно

израсходованный объем воды восстанавливается путем снижения нагрузки

ГЭС или за счет ближайшего половодья.

Лекции по дисциплине “Гидроэлектростанции”

Санкт-Петербургский Государственный Политехнический Университет

3. РАСЧЕТЫ ГОДИЧНОГО И МНОГОЛЕТНЕГО РЕГУЛИРОВАНИЯ СТОКА РЕК

3.1 Расчетные схемы регулирования стока

Гидроэлектростанции во многих случаях входят в водохозяйственные

системы, которые непрерывно развиваются. В этих условиях расчеты

регулирования стока представляют большие сложности. Расчеты надо

производить для совокупности гидроэлектростанций, имея целью получение

наибольшего народнохозяйственного эффекта. Преодоление этих трудностей

возможно посредством применения иерархического деления водохранилищ.

Простейшим является расчет по календарным

рядам

наблюденного стока в прошедшем периоде. Такие расчеты годичного и

многолетнего регулирования стока проводятся табличным способом или

графически по интегральной кривой стока

В практике проектирования и эксплуатации расчеты годичного и

многолетнего регулирования стока производятся преимущественно по

диспетчерским графикам.

3.2 Расчеты годичного регулирования стока

Расчеты годичного регулирования стока производятся для

водохозяйственного года -

с начала половодья данного

календарного года до начала половодья следующего календарного года. В

зависимости от конкреных услоаий ставится задача зарегулировать расход

воды для орошения, водоснабжения и т. п., а для энергетики - расход воды

или мощность ГЭС. На практике чаще всего встречаются случаи, когда объем

водохранилища позволяет провести лишь неполное годичное регулирование

стока.

Графический расчет по интегральной

кривой

Интегральная кривая представляет собой кривую нарастания притока

воды в водохранилище во времени. Она обычно строится в косоугольных

координатах. По оси абсцисс откладывается время, а по оси ординат -

разность между суммарным фактическим притоком и условным

равномерным притоком. Расходы воды определяются по лучевому масштабу.

Допустим, имеется

интегральная кривая (рис.3.1) притока воды к

водохранилищу за отрезок времени несколько больше года. Заданы полезная

емкость водохранилища V и пропускная способность Q

всех турбин ГЭС.

Требуется провести регулирование стока на выравнивание расхода воды.

Если провести касательную АF к интегральной кривой, то направление

линии АF определит значение среднего расхода Q

за водохозяйственный

Лекции по дисциплине “Гидроэлектростанции”

Санкт-Петербургский Государственный Политехнический Университет

год. Значение Q

можно определить по лучевому масштабу, проведя из

фокуса 0 луч, параллельный линии АF. Проведем касательную к точке К

интегральной кривой, параллельную линии АF. Расстояние по вертикали

между этими касательными определит объем водохранилища

,необходимый для полного годичного регулирования стока на постоянный

расход Q

. Имеющийся объем V < V

, поэтому можно провести только

неполное годичное регулирование.

Для облегчения расчетов построим вспомогательную кривую JJ, все

точки которой отстоят по вертикали от соответствующих точек интегральной

кривой на значение полезной емкости водохранилища V. Кривая JJ

называется нижней контрольной линией. Допустим, что

можно пренебречь разницей в потерях испарения при наличии и отсутствии

водохранилища.

Предположим, что в

половодье гидростанция работает с постоянным

расходом Q

, равным пропускной способности всех ее турбин. Проведем к

интегральной кривой в точке 0 касательную ОС, параллельную лучу

турбинного расхода Q

. Эта линия пересечет нижнюю контрольную линию JJ

в точке В.

Начиная с момента t

происходит наполнение водохранилища, так как

расходы притока оказываются больше пропускаемого через турбины расхода

. В момент t

водохранилище полностью наполнено, а расходы притока все

еще больше Q

. Следовательно, начиная с момента времени t

, происходит

сброс излишков воды сверх Q

. В момент времени t

расход притока станет

равным Q

и сброс воды прекратится. Момент t

равенства расходов

определяется точкой n касания линии Q

′

, параллельной лучу расхода Q

. За

время t

- t

через водосброс будет сброшен излишний объем воды,

измеряемый отрезком сm. В течение времени от t

- t

ГЭС будет работать на

естественных расходах, меньших Q

Для определения постоянного зарегулированного расхода Q

проведем

касательную DE к нижней контрольной линии (точка D) и интегральной

кривой (точка Е). Значение зарегулированного расхода определим по

лучевому масштабу, проведя луч параллельно линии DE. В момент t

ГЭС

переходит на работу с постоянным расходом Q

. К этому моменту уровень

воды в водохранилище достигает своего наинизшего положения.

Если с момента времени t

(точка D) выпускать из водохранилища

постоянный расход, больший Q

, то водохранилище преждевременно

опорожнится (см. точку L), после чего придется переходить на работу с очень

малыми естественными расходами воды. При пропуске же из

Лекции по дисциплине “Гидроэлектростанции”

Санкт-Петербургский Государственный Политехнический Университет

Рис. 3.1. Неполное годичное регулирование расхода воды:

а) лучевой масштаб; б) интегральная кривая притока (П) и графический расчет регулиро-

вания; в) объемы наполнения водохранилища; г) уровни ВБ; д) уровни НБ; е) расходы

воды; ж) зарегулированная мощность; I – наполнение водохранилища; II – сброс излиш-

ков воды; III – сработка водохранилища от НПУ до УМО; IV – неиспользуемая мощность

водотока

Лекции по дисциплине “Гидроэлектростанции”

Санкт-Петербургский Государственный Политехнический Университет

водохранилища расходов, меньших Q

, водохранилище будет

недоиспользовано и к моменту начала половодья следующего года в нем

останется недоиспользованный объем воды.

На рис.3.1 показаны расходы притока и зарегулированные расходы,

объемы V

′

воды в водохранилище, уровни воды в бьефах, напоры и

зарегулированные мощности ГЭС. Объем V

′

определяется отрезками

вертикальных прямых между интегральной кривой притока OKE и

зарегулированного стока ABmDE.

Уровни верхнего бьефа Z

ΒБ

в каждый момент времени могут быть

определены по объему воды V

′

в водохранилище и кривой объемов. При

этом объемы V

′

откладываются вправо от мертвого объема.

Уровни нижнего бьефа Z

ΗБ

определяются расходами воды,

поступающими в нижний бьеф, независимо от того, идут ли они через

турбины ГЭС, через судоходный шлюз или через водосброс. Для

определения отметок уровня нижнего бьефа используется кривая связи

расходов и уровней.

Напор Н в каждый момент времени будет равен разности уровней

воды в верхнем и нижнем бьефах

за вычетом потерь напора ∆ h на вход и по

длине водопроводящего тракта:

Н = Н

стат

-∆h = Z

ΒБ

- Z

НБ

- ∆h.

Зарегулированные мощности, кВт, в каждый момент времени можно

подсчитать по формуле

N = 9,81 QНη ,

где Q - зарегулированный расход воды, м

/с; H - соответствующий

напор, м; η - коэффициент полезного действия ГЭС.

Неиспользованная мощность водотока, определяемая холостыми

сбросами воды, выделена на рис.3.1 горизонтальной штриховкой.

Табличный расчет регулирования стока.

Расчеты регулирования стока в табличной форме производят на основе

баланса объемов воды. За промежуток времени ∆t изменение объема воды

∆V в водохранилище равно разности между

объемом притока ∆W

пр

объемами зарегулированного стока ∆W

и потерь ∆W

воды из

водохранилища :

∆V =∆W

пр

- (∆W

+ ∆W

Перейдя от объемов к средним расходам воды за промежуток времени

∆t получаем

Лекции по дисциплине “Гидроэлектростанции”

Санкт-Петербургский Государственный Политехнический Университет

∆V = Q

ПР

∆t - (Q

Р +

) ∆t.

Расход Q

определяется требованиями всех водопотребителей и

водопользователей. Необходимый расход для гидроэлектростанции

подсчитывается исходя из заданной мощности, которая назначается на

основе предварительных расчетов и окончательно устанавливается в

результате рассматриваемых расчетов регулирования. Зная расход притока

ПР

, потерь Q

и зарегулированный расход Q

, можно подсчитать изменение

наполнения водохранилища ∆V. Суммируя ∆V с объемом V

наполнения на

начало данного промежутка времени, получим объем V

наполнения к концу

этого промежутка:

К =

+ ∆V.

По значениям объемов V

и V

, пользуясь кривой объемов, можно

определить уровни верхнего бьефа на начало и к концу промежутка времени.

Уровень нижнего бьефа определяется обычным способом по значению

расхода воды, поступающей в нижний бьеф. Зная Z

ВБ

и Z

НБ

, можно

определить напор, подсчитать мощность и выработку энергии.

Регулирование стока по диспетчерскому

графику

Допустим диспетчерский график задан в простейшем виде Q= f(V,t) с

выделением зон гарантированных расходов Q

, Q

и зоны работы ГЭС с

полной пропускной способностью всех турбин Q

(рис. 3.2). Если, например,

Рис. 3.2. Применение диспетчерского графика для расчетов регулирования стока

на 1 декабря в водохранилище имелся объем V

, то согласно диспетчерскому

графику на декабрь можно задать расход Q

. В проектных условиях приток

ПР

= Q

ЕСТ

+ Q

ЛЬДА

прошедшего месяца, т. е. декабря, берется из таблицы

Лекции по дисциплине “Гидроэлектростанции”

Санкт-Петербургский Государственный Политехнический Университет

притока воды. Объем наполнения водохранилища V

на начало следующего

месяца, т.е. на 1 января определяется расчетом. Например,

= V

+ ( Q

ПР -

Р -

) ∆t,

где Q

П -

потери на испарение и фильтрацию, м

/ с; ∆t - число секунд в

декабре.

Если V

= V

, то на январь можно задать расход Q

. При V

= V

′

можно принять Q

= Q

. Если же декабрь был очень маловодным и объем

воды в водохранилище оказался равным V

. то на январь задается

пониженный расход Q

СН

Полученные объемы водохранилища наносятся на интегральную

кривую, что дает наглядное представление о зарегулированном режиме. Зная

объемы воды в водохранилище и зарегулированные расходы, можно

обычным способом определить напор, мощность и подсчитать выработку

энергии.

3.3 Годичное регулирование стока комплексным водохранилищем

При комплексном использовании водных ресурсов назначается режим

регулирования стока оптимальный для комплекса в

целом. Обычно

оказывается целесообразным регулирование переменных расходов, которые

определяются технико-экономическими расчетами.

Рассмотрим расчет регулирования стока для ирригации и энергетики.

Имеются интегральные кривые за 3 года, один из которых, 1984 -

1985г., крайне маловодный год с обеспеченностью меженных расходов 95 %.

Для орошения требуется в период май-сентябрь из верхнего бьефа в

среднем 500м

/с и из нижнего бьефа –800м

/c.

В 1984 году расход на орошение может быть снижен до 400 м

/ с из

верхнего бьефа и 700 м

/ с из нижнего бьефа. Для энергетики средний

гарантированный расход воды в зимний период (декабрь-февраль) определен

в размере 1050 м

/c. Пропускная способность всех турбин ГЭС Q

= 2000м

/с.

При этих заданных условиях графический расчет по интегральным кривым

представлен на рис.3.3.