Стартовая >> Архив >> Генерация >> Гидроэлектрические станции

Водохозяйственные и водноэнергетические расчеты - Гидроэлектрические станции

Оглавление
Гидроэлектрические станции
Введение
Гидравлическая энергия
Водные ресурсы и водохозяйственные комплексы
Водохозяйственные и энергетические комплексы
Состав сооружений и компоновка
Гидроэлектростанции с приплотинными зданиями
Деривационные гидроэлектростанции
Головные узлы, сооружения станционных узлов деривационных гидроэлектростанций
Использование технико-экономических показателей при проектировании
Водохозяйственные и водноэнергетические расчеты
Многолетнее регулирование стока
Диспетчерское регулирование
Водноэнергетические расчеты на основе балансового метода
Работа гидроэлектростанций в энергосистеме
Гидроаккумулирующие электростанции
Схемы гидроаккумулирующих электростанций
Особенности компоновок ГАЭС
Приливные электрические станции
Нетрадиционные источники гидравлической энергии
Волновые энергетические установки
Состав оборудования зданий
Выбор агрегатов ГЭС
Гидрогенераторы
Системы и устройства гидрогенераторов
Схемы главных электрических соединений
Повышающие трансформаторы
Схемы питания собственных нужд
Элегазовые подстанции
Средства измерения
Механическое оборудование
Сороудерживающие стержневые решетки и их очистка
Подъемно-транспортное оборудование
Масляное хозяйство
Пневматическое хозяйство
Система осушения проточной агрегатов
Служебные помещения здания станции
Подъездные пути
Русловые здания
Русловые здания совмещенного типа
Русловые здания с горизонтальными агрегатами
Водоприемники русловых зданий станций
Особенности приплотинных зданий станций
Здания деривационных станций
Подземные здания гидроэлектростанций
Размещение главных повышающих трансформаторов
Конструкции обделок подземных зданий
Полуподземные здания станций
Русловые здания малых ГЭС
Приплотинные здания и здания деривационных малых ГЭС
Элементы конструкций зданий
Конструкции и размеры надагрегатной части зданий станций
Температурные и осадочные швы
Монтажная площадка
Специальные вопросы гидравлики зданий
Элементы отводящего русла
Здания гидроаккумулирующих электростанций
Здания ГАЭС с двухмашинными агрегатами
Специальные типы агрегатов и зданий ГАЭС
Здания приливных электростанций
Водоприемники гидроэлектростанций
Работа, типы и конструкции безнапорных водоприемников
Отстойники гидроэлектростанций
Типы отстойников гидроэлектростанций
Деривационные каналы
Деривационные туннели
Напорные деривационные   трубопроводы
Технико-экономические расчеты деривационных водоводов
Напорные бассейны ГЭС
Бассейны суточного регулирования ГЭС и верхние бассейны ГАЭС
Напорные станционные водоводы
Конструкции стальных трубопроводов
Опоры свободно лежащих стальных трубопроводов
Железобетонные и сталежелезобетонные трубопроводы
Туннельные станционные водоводы
Неустановившиеся режимы работы гидроэлектростанций
Строительство, монтаж оборудования
Пусковой комплекс
Эксплуатация гидроэлектростанций
Проектирование гидроэлектростанций
Порядок выполнения и утверждения проектов гидроэлектростанций
Список литературы

ГЛАВА 5
ВОДОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ И ВОДНОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ

ЗАДАЧИ РАСЧЕТОВ И ИСХОДНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Задача водохозяйственных и водноэнергетических расчетов заключается в определении основных параметров водохозяйственного комплекса — установленной мощности и выработки электроэнергии, расчетных расходов для всех потребителей воды (орошение земель, водоснабжение, рыбное хозяйство и др.), колебаний уровней воды в водохранилище и в нижнем бьефе и других характеристик, необходимых для проектирования гидротехнических и энергетических сооружений. Ряд параметров гидроузла (Nуст, НПУ и др.) определяются совместно на основании водноэнергетических и технико-экономических расчетов (см. гл. 6). В задачу расчетов входит составление рекомендаций по режимам работы водохранилищ.
Распределение естественного речного стока во времени, как правило, не отвечает требованиям отдельных водопользователей. Вследствие этого возникает необходимость в перераспределении естественных расходов воды путем их регулирования водохранилищами.
Полнота исходной информации о речном стоке и его формировании в значительной степени определяет точность водноэнергетических и водохозяйственных расчетов и методы их проведения. Исходными данными для расчетов являются:
сведения о стоке в створах намеченных гидроузлов за весь период наблюдений;
данные об экстремальных расходах (максимальных и минимальных);
зависимости между расходами и уровнями воды в створах в условиях летнего и зимнего режимов и с учетом влияния подпора нижележащих гидроузлов;
топографические характеристики водохранилищ, представленные в виде зависимостей объема и площади зеркала водохранилища от уровня верхнего бьефа;
внутригодовое потребление воды неэнергетическими водопользователями, необходимые санитарные, навигационные и другие пропуски;
данные об осадках и испарении с водной поверхности и суши водосборного бассейна;
потери стока на фильтрацию из водохранилища;
данные о твердом стоке в районе проектируемого гидроузла;
сведения о районах энергоснабжения, включающие состав электростанций энергосистемы и их характеристики, графики нагрузок энергосистемы на ближайшую и дальнюю перспективу;
принятая схема компоновки сооружений гидроузла и возможные конкурирующие варианты размещения сооружений с указанием возможного диапазона колебаний НПУ, размеров некоторых сооружений (например, длины деривации и др.).

ВИДЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ РЕЧНОГО СТОКА

Регулирование речного стока водохранилища производится с целью перераспределения во времени объема стока в соответствии с требованиями водопользования.
Вид возможного регулирования стока водохранилищем зависит от соотношения полезного объема водохранилища Wпол, объема среднемноголетнего стока Wcр и неравномерности распределения естественного стока во времени.
Коэффициент объема (вместимости) водохранилища, по которому можно приближенно определить степень регулирования стока, представляет отношение
(5-1)
Неравномерность распределения стока во времени характеризуется коэффициентами вариации Cv и асимметрии Cs годовых и сезонных объемов стока.
Регулирование стока основывается на хронологических рядах естественного стока. Для заданного объема водохранилища установленное водопотребление может быть удовлетворено в течение ряда лет т из имеющихся п лет в хронологическом ряду. В остальные п — т лет водопотребление не может быть выдержано. Число лет т, взятое в процентах по отношению ко всему ряду п, в течение которых водоотдача удовлетворяется, называется обеспеченностью водопотребления р, %, которая может быть выражена по приближенной формуле

 

При выборе параметров водохозяйственного объекта назначают расчетную обеспеченность рр, которая характеризует надежность водоотдачи. Для гидроэлектростанций рр указывает на вероятность того, что вырабатываемая электроэнергия и  мощность гидроэлектрической станции будут равны расчетным значениям или больше них. В течение времени (в процентах), определяемого как разность 100 — pр, допускаются перебои в выдаче мощности и электроэнергии. Этот дефицит должен компенсироваться тепловыми электростанциями, работающими в той же энергосистеме. Уменьшением рр можно повысить мощность и энергоотдачу гидроэлектрической станции, но при этом дефицит по энергетическим показателям за пределами расчетной обеспеченности возрастает. Обоснование оптимальной расчетной обеспеченности определяется на основании технико-экономического анализа, учитывающего возможности гидроэлектростанции (при заданной обеспеченности) и возможности других станций энергосистемы (например, ТЭС).
При выборе параметров гидроэлектростанции часто назначается нормальная· расчетная обеспеченность. Для крупных она колеблется в пределах рр=85-:-98%.
Различают несколько видов регулирования стока.
Многолетнее регулирование стока можно осуществить при достаточно большом коэффициенте Объема водохранилища. При многолетнем регулировании естественный речной сток перераспределяется не только в течение одного года, но и за ряд лет. Накопление стока в водохранилище происходит в многоводные годы, а его сработка —в маловодные. При этом виде регулирования гарантированная мощность и электроэнергия гидроэлектростанции существенно возрастают по сравнению с использованием стока без регулирования. В качестве первого приближения многолетнее регулирование можно ожидать при β=0,5-:-0,6, а при малой изменчивости стока — даже при β=0,3.
Годичное или сезонное регулирование осуществляет перераспределение стока только в пределах одного года. В период паводка водохранилище наполняется, а в период межени происходит его опорожнение. Для годичного регулирования достаточно иметь β>0,1.
Недельное регулирование связано с пониженным потреблением энергии (или воды) в нерабочие дни недели. В эти дни имеется возможность дополнительно накапливать воду в водохранилище, с тем чтобы повысить отдачу в рабочие дни.
Суточное регулирование проводится в пределах суток, в течение которых расход в створе гидроузла считается постоянным, а потребление воды переменным. Для гидроэлектростанций мощность и выработка электроэнергии в соответствии с требованиями энергосистемы в течение суток могут изменяться весьма существенно. Поэтому для перерегулирования стока с равномерного на неравномерный необходимо иметь некоторый объем воды для осуществления суточного регулирования. Этот объем зависит от степени неравномерности потребления воды в разрезе суток и колеблется от 0,3 до 0,6 объема суточного стока.

ГОДИЧНОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ СТОКА

При годичном регулировании возможности гидроэлектростанции по мощности и энергии определяются для маловодного года с расчетной обеспеченностью по стоку. При заданном водопотреблении требуемый полезный объем водохранилища зависит от внутригодового распределения стока. Для этого рассматривают несколько маловодных лет, близких по стоку, но с различным внутригодовым распределением и выбирают год, для которого требуется наибольший полезный объем водохранилища (и как следствие — более глубокая его сработка). Показатели гидроэлектростанции по такому расчетному году рассматриваются как гарантированные на период будущей ее работы. По году средней водности определяют среднемноголетнюю выработку электроэнергии.
В качестве примера ниже приводится определение мощности и выработки электроэнергии при годичном регулировании стока путем решения уравнения (5.2) — (5.3) графоаналитическим методом. Исходными данными для расчета являются: гидрограф расходов
в рассматриваемом створе Qn(t) (естественных или зарегулированных вышележащими водохранилищами), отметки НПУ и УМО, топографическая характеристика водохранилища и зависимость уровней от расходов в нижнем бьефе (рис. 5.1). Во многих случаях потерями стока на фильтрацию и испарение водохранилища можно пренебречь. При относительно больших потерях гидрограф бытовых расходов корректируется (берется разность, после чего используется для расчетов регулирования стока.
По гидрографу расходов (рис. 5.1,а) в косоугольной системе координат строится интегральная кривая стока (рис. 5.1,б). Ее построение целесообразно вести с помощью лучевого масштаба (рис. 5.1,в), который строится на основании принятых масштабов объема и времени, а также среднегодового расхода Qcp. Удобной является такая форма графика, при которой луч среднего расхода направлен горизонтально. Полюсное расстояние Т выражается целым числом секунд, например (10 — 20) 106 с, и откладывается в масштабе времени, принятом для интегральной кривой. По оси ординат лучевого масштаба откладываются объемы стока в принятом масштабе. Лучи, соответствующие различным значениям расходов, представляют собой пучок прямых, выходящих из полюса 0.
Зная полезный объем водохранилища (рис. 5.1,2), на рис. 5.1,б проводят вторую интегральную кривую, отстоящую от первой на величину Vпол в соответствующем масштабе. Между двумя интегральными кривыми проводят линию потребления расходов воды из водохранилища. Одним из возможных вариантов проведения линии потребления является построение ее по условию максимального выравнивания естественных расходов воды. При этом остатки объемов воды в водохранилище Vост на начало и конец года должны быть одинаковыми, так как процесс регулирования стока не может увеличить его объем за расчетный интервал времени (например, год).
По линии потребления на любой момент времени определяются зарегулированный расход и использованный объем воды в водохранилище, по которому из топографической характеристики (рис. 5.1,г) устанавливается уровень воды в верхнем бьефе. Уровни воды в нижнем бьефе определяются по расходам воды, пропускаемым через турбины, или при наличии холостых сбросов в целом через гидроузел (рис. 5.1,д).  Напор на гидротурбинах вычисляется с учетом потерь напора в подводящих и отводящих водоводах. Поскольку габариты водоводов еще не известны, hпот определяется приближенно: в зависимости от протяженности водоводов составляет от 5 до 15% статического напора.

 


Рис. 5.1. Водноэнергетические расчеты гидроэлектрической станции при годичном регулировании стока: а- гидрограф естественных расходов; б — интегральные кривые естественного и зарегулированного стока; в —лучевой штаб; г — топографическая характеристика водохранилища; д — кривая связи расходов и уровней в нижнем бьефе ГЭС; е - график колебаний уровней в водохранилище; ж — график колебания уровней в нижнем бьефе; з — график напоров на ГЭС; и - среднесуточные мощности ГЭС; к — график обеспеченности среднесуточных мощностей

По значениям зарегулированных расходов Q и Я определяется мощность гидроэлектростанции по формуле
(5.4)
Эту мощность следует рассматривать как среднесуточную. Без большой погрешности можно принять КПД турбин т)т и генераторов % постоянными, равными некоторому среднему их значению (ηт=0,89 и ηг=0,98), тогда формула (5.4) упростится:

Зарегулированные среднесуточные мощности гидроэлектростанции показаны на рис. 5.1,и. Площадь под этим графиком (в кВт-ч) представляет собою возможную годовую выработку электроэнергии.
На рис. 5.1,к с использованием рис. 5.1,и построен график обеспеченности среднесуточных мощностей.
В результате водноэнергетических расчетов определяются обеспеченные среднемесячные (среднедекадные) мощности за ряд характерных сезонов — летняя межень, зимняя межень или отдельные месяцы (например, август, декабрь). Для этого по многолетнему ряду делается статистическая обработка зарегулированных фазово-однородных мощностей (например, только декабрьских) и определяется декабрьская мощность с заданной расчетной обеспеченностью.
В тех случаях, когда годичное регулирование относительно слабое и нельзя полностью зарегулировать сток в период прохождения паводка, линию потребления приходится проводить с меньшим расходом (Q=190 м3/с на рис. 5.1,6), учитывая предполагаемую максимальную пропускную способность гидротурбин. В точке а интегральной кривой водохранилище наполнено и начинается холостой сброс воды. Период сброса составляет Τсбр, и суммарно за это время сбрасывается через водосбросы объем Wсбр.
При новой линии потребления за период Тсбр соответственно изменяются графики для Н и N (на рис. 5.1 эти изменения показаны пунктиром).
Проведение линии потребления. Выше рассматривалось построение линии потребления на максимально выравненный расход. При таком регулировании за отдельные периоды времени водохранилище относительно равномерно наполняется и срабатывается. С энергетической точки зрения этот способ регулирования не является наилучшим. Если поставлено условие, чтобы на заданном интервале времени Т, например от момента наполнения водохранилища до конца межени (рис. 5.2), энергоотдача была максимальной и удовлетворяла условию
(5.5)

то линия потребления пойдет вначале с небольшим опорожнением водохранилища для сохранения относительно высокого напора, а затем ближе к паводку начнется интенсивная его сработка до полного опорожнения. Решение интегрального уравнения (5.5) с учетом налагаемых ограничений, например по мощности ГЭС, по требованиям энергосистемы и др., представляет собой вариационную задачу.
Если поставлено требование выдержать на отдельных отрезках времени постоянную мощность гидроэлектростанции, например N1 =const; N2=const... (рис. 5.2), то линия потребления может быть построена по уравнению
(5.6)
где N — постоянная мощность на отрезке времени.
Задача решается приближенным способом, путем разделения отрезка времени tx на малые интервалы Δt с проведением на каждом интервале линии потребления с расходом по уравнению (5.6). При этом целесообразно построить вспомогательный график Q=f(H) (рис. 5.2) при двух-трех постоянных значениях мощности.

При наличии других водопотребителей, кроме гидроэнергетики (судоходство, орошение земель и др.), линия потребления проводится с учетом требований этих водопользователей. Для судоходства, например, в период навигации надо подавать в нижний бьеф расход, обеспечивающий судоходные глубины, для орошения земель — расходы, обеспечивающие увлажнение земель в период вегетации.
Применение ЭВМ. Водохозяйственные и водноэнергетические расчеты, выполняемые календарным (балансовым) методом, даже для относительно коротких календарных рядов (более 15 — 20 лет) вручную выполнять весьма трудоемко. Для этих расчетов применяют расчеты на ЭВМ, с помощью которых можно проанализировать большое число вариантов регулирования стока (например, при различных глубинах сработки водохранилища) и найти оптимальное решение (см. § 5.9).



 
« Гидратный водно-химический режим на электростанциях с барабанными котлами   Главные электрические схемы электростанций »
электрические сети