Использование календарных рядов для водноэнергетических расчетов предполагает наличие полного прогноза стока на весь период эксплуатации станции. В действительности достоверного прогноза даже на относительно короткую перспективу не существует и следует создавать определенные правила, регламентирующие сработку и заполнение водохранилищ в период эксплуатации.
Рассмотрим случай годичного регулирования стока. В момент t1 (рис. 5.7) водохранилище опорожнено. Если бы был известен ход стока на предстоящий период времени, то линию потребления с наполнением водохранилища к моменту t2 можно было бы провести по направлению 1. Так как гидрограф бытовых расходов на перспективу не известен, то линию потребления при отсутствии каких-либо правил регулирования можно провести по направлению 2 или 3. При этом в первом случае водохранилище к концу паводка t2 будет заполнено не на полный объем Vпол, а во втором случае появится холостой сброс воды с суммарным объемом Wсбр.
Ряс. 5.6. Определение годичной составляющей объема водохранилища
Рис. 5.7. Возможные направления линий потребления при отсутствии диспетчерского регулирования
Рис. 5.9. Диспетчерский график опорожнения (1) и наполнения (2) водохранилища:
а - позднее начало паводка; б — зона разрыва между диспетчерскими кривыми и работа ГЭС на транзитном стоке
Ни тот, ни другой режим работы водохранилища не является приемлемым с точки зрения его рационального использования.
В период сработки водохранилища t2 — t3 при заранее известном ходе стока на предстоящий период линию потребления можно было бы провести по направлению 4. При отсутствии прогноза — по 5 или 6. По линии потребления 5 еще до начала половодья произойдет полное опорожнение водохранилища и возникнет дефицит в гарантированной водоотдаче расхода (или мощности); при потреблении стока по направлению 6 к началу половодья в водохранилище образуется остаток Vост, который нельзя или затруднительно будет использовать в дальнейшем.
Для предотвращения указанных выше явлений при эксплуатации водохранилища создаются специальные правила, называющиеся диспетчерскими графиками, которые должны обеспечить в любое время года гарантированную водоотдачу (мощность), выявить избытки воды в водохранилище для использования их в целях повышения водоотдачи в будущем, снизить холостые сбросы, а также смягчить продолжительность перебоев в водоотдаче в крайне маловодные периоды за пределами расчетной обеспеченности [60].
Диспетчерские графики основываются на анализе работы водохранилища по календарному ряду за прошлый период. При этом особое внимание уделяется сочетанию маловодных и многоводных лет. В итоге создаются рекомендации по режиму работы водохранилища, выражаемые в виде диспетчерских графиков, на которых по оси обсцисс откладывается время, а по оси ординат — уровни в верхнем бьефе [zв.б=f(t)] или полезные объемы водохранилища [V=f(t)].
Построение диспетчерского графика за период сработки водохранилища в условиях энергетического годичного регулирования в координатах время t — уровень верхнего бьефа zв.б рассматривается на рис. 5.8.
Рис. 5.8. Построение диспетчерского графика при опорожнении водохранилища
Для этого из имеющегося календарного ряда наблюдений за стоком отбирается несколько маловодных лет (1955, 1936, 1925 гг.) и для каждого года на график наносится дата окончания меженного периода. К этому моменту водохранилище должно быть опорожнено. От него навстречу ходу времени строятся линии потребления при условии сохранения обеспеченной среднесуточной мощности No6 (или расхода) за весь период сработки.
Так как все меженные периоды отобранных лет отличаются не только водностью, но и разным временем наступления паводка, то на графике изображено несколько пересекающихся кривых, проведенных при условии Nоб=const. По ним проводится огибающая кривая сработки (пунктирная линия аб) с некоторым запасом, фиксирующая диспетчерские запасы воды в водохранилище на каждую календарную дату, обеспечивающие при сработке водохранилища условие N>Nоб. Эта огибающая кривая называется диспетчерской линией опорожнения водохранилища. Если при эксплуатации водохранилища в начале межени выдерживалось условие Nоб=const, а на 15-е января уровень в водохранилище занял положение А — выше диспетчерской линии на Δz, то в водохранилище на эту дату имеется избыток объема против диспетчерской линии, который можно использовать с более интенсивной сработкой водохранилища, например, за 15 дней января по направлению АБ и получить за это время N>Nоб. Аналогичные построения делаются для периода паводка с целью получения второй диспетчерской линии наполнения водохранилища (рис. 5.9).
Рис. 5.10. Режим работы водохранилища по диспетчерскому графику:
а — проведение линии потребления; б — кривая обеспеченности расходов без регулирования (1) с регулированием (2)
Объединив диспетчерские линии опорожнения 1 и наполнения 2 водохранилища, получим диспетчерский график годового энергетического регулирования с двумя зонами мощностей ГЭС. В первой зоне, расположенной выше диспетчерских линий, может быть обеспечена мощность N>Nоб. Точка пересечения двух диспетчерских линий А определяет высоту резервного слоя hрез в водохранилище для лет с поздним началом паводка (рис. 5.9,а). Такая схема характерна для водохранилищ с большим относительным объемом. Для водохранилищ с малой регулирующей способностью между диспетчерскими кривыми может быть разрыв во времени t1 — —t2 (рис. 5.9);, в течение которого ГЭС работает на транзитном стоке при УМО в водохранилище.
В случае многолетнего регулирования основные принципы, положенные в основу при составлении диспетчерского графика для годичного регулирования, остаются теми же. За несколько лет сработки водохранилища в нем устанавливаются минимальные диспетчерские остатки полезного объема, обеспечивающие гарантированную водоотдачу (или мощность ГЭС). Использование краткосточных прогнозов позволяет повысить эффективность диспетчерского регулирования.
В качестве примера на рис. 5.10,а показан режим работы водохранилища за 3 года в соответствии с диспетчерскими правилами, полученными по 26-летнему исходному календарному ряду. На интегральных кривых стока при полезном объеме водохранилища Vпол =7,5 км3 указаны четыре зоны с диспетчерскими остатками объема и водохранилище на каждую календарную дату соответственно с расходами: Qгар=535 м3/с— гарантированная водоотдача с обеспеченностью р=95%; Q=428 м3/с — ограниченная водоотдача; Qмакс=750 м3/с—повышенная водоотдача; Qмакс=
=1500 м3/с—максимальная возможная водоотдача (расчетный расход гидроэлектростанции). Линия потребления пересекает все четыре зоны, сохраняя в каждой зоне один из четырех расходов, заданных диспетчерским графиком. В многоводный 1922/23 г. имеется небольшой холостой сброс избыточного стока W.
На рис. 5.10,б по результатам регулирования стока (рис. 5.10,а) показаны две кривые обеспеченности: бытовых расходов в реке (/) и расходов с учетом их регулирования водохранилищем (2). Обеспеченность расчетного водопотребления Qгар=535 м3/с составляет 95 %, т. е. в течение свыше 11 мес в году расчетное водопотребление будет выдержано. Перебои в водопотреблении ожидаются продолжительностью меньше одного месяца в году (5 %).
Компенсирующее регулирование предполагает взаимосвязанную работу нескольких водохранилищ. В качестве примера рассматривается работа двух водохранилищ на общем водотоке (рис. 5.11,а). Верхнее водохранилище № 1 имеет высокую степень регулирования стока, водохранилище № 2 расположено ниже первого и обладает ограниченным регулированием стока. Если не учитывать время добегания расходов, то расход воды Q2 в створе второго водохранилища может быть получен из выражения
(5.8)
где Q1 — зарегулированный расход, поступающий из водохранилища № 1; Qпр— расход боковой приточности с части водосбора между водохранилищами.
Поскольку расход боковой приточности Qпр не регулируется, он должен был использован во втором створе в первую очередь. Водохранилище № 1 называется компенсирующим и регулирует сток в первом створе в зависимости от боковой приточности Qnp ко второму водохранилищу. На рис. 5.11,б показан гидрограф расходов боковой приточности с части водосборного бассейна ниже первого створа. По условиям режима работы водохранилище № 2 должно обеспечивать подачу в нижний бьеф постоянного среднесуточного расхода Q2=100 м3/с. В паводковый период при Qпр> 100 м3/с компенсирующий расход из водохранилища № 1 не требуется и во втором створе при избытке стока от боковой приточности производятся холостые сбросы. В меженный период при Qпр<100 м3/с в работу вступает компенсирующее водохранилище № 1. Для определения полезного объема компенсирующего водохранилища строится интегральная кривая естественного стока в первом створе (рис. 5.11,в).
Рис. 5.11. Компенсирующее регулирование:
а — схема размещения водохранилища;
б — гидрограф расходов боковой приточности; в — интегральный график работы компенсирующего водохранилища
Из точки А (полное водохранилище) проводится линия потребления по уравнению Q1= 100 — Qпр.
Наибольший объем водохранилища № 1 для заданного режима регулирования составляет 1,15 км3 и определяется в точке Б в конце третьего года.
РЕГУЛИРОВАНИЕ СТОКА В КАСКАДЕ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ
При наличии каскада регулирование стока водохранилищами и работа каждой ГЭС не могут рассматриваться изолированно. Определяя параметры отдельной ступени каскада, необходимо учитывать регулирование стока всеми вышележащими водохранилищами и отбор части стока на нужды народного хозяйства, а также потери воды, связанные с испарением с водной поверхности и фильтрацией из водохранилищ.
Водноэнергетические и водохозяйственные расчеты для каскада ГЭС в значительной мере осложняются в связи с наличием в комплексных гидроузлах кроме гидроэнергетики других водопользователей (мелиорация, судоходство, рыбное хозяйство и др.), предъявляющих часто противоречивые требования к использованию стока и режимам уровней в бьефах гидроузлов.
В задачу водноэнергетических расчетов входит нахождение оптимального режима работы каскада, при котором достигаются максимальный народнохозяйственный эффект и минимум ущербов. Ущербы связаны с ограничением водопотребления и энергоснабжения для отдельных участков водохозяйственного комплекса (например, уменьшение расхода в нижнем бьефе гидроузла по требованию рыбного хозяйства, нарушение судоходства в связи со снижением глубин в свободном русле и др.).
При проектировании каскада одним из важных вопросов является размещение на водотоке регулирующих водохранилищ, способных перераспределить поступающий в них естественный сток в соответствии с требованиями народного хозяйства. Чем выше по каскаду размещается гидроузел с регулирующим водохранилищем, тем большее влияние оказывает он на нижележащие ступени, создавая на них выравнивание стока и повышая гарантированную отдачу. Недостатком при расположении регулирующих водохранилищ в начале каскада является ограниченный объем речного стока, используемый для регулирования.
Размещение регулирующих водохранилищ в нижней части каскада позволяет регулировать больший объем стока, но использовать его в энергетических целях можно лишь на части длины водотока.
Водохранилища, размещаемые в верхней части каскада, как правило, должны вести компенсирующее регулирование стока. Оптимальное размещение водохранилищ в каскаде не всегда может быть достигнуто, поскольку расположение каждого гидроузла определяется также природными условиями района, размещением населенных пунктов, полезных ископаемых и ценных земель в бассейне реки.
Задача регулирования стока каскадом водохранилищ может быть упрощенно решена в предположении, что в створе каждого гидроузла известны гидрограф бытовых расходов за расчетный период времени и полезный объем водохранилища. Расчеты регулирования стока начинают с верхнего водохранилища. Зарегулированные этим водохранилищем расходы с учетом требований всех участников комплексного гидроузла суммируются с дополнительной приточностью стока между первым и вторым гидроузлами и служат исходной информацией для регулирования стока вторым водохранилищем. Аналогичные расчеты ведутся последовательно по всем ступеням каскада вниз по течению реки. Оптимизация режима работы каскада ГЭС может осуществляться методом нелинейного математического программирования, причем задача решается с применением ЭВМ. В результате достигается ощутимый экономический эффект [5].
Например, оптимизация работы Волжско- Камского каскада ГЭС позволила увеличить среднемноголетнюю выработку электроэнергии на каскаде примерно на 4 — 5 % по сравнению с проектными данными, при которых сток считался известным на один ближайший интервал времени (месяц).
