Балансовые водноэнергетические расчеты могут проводиться как для годичного, так и для многолетнего регулирования речного стока по календарным стоковым рядам. Для этого должны быть известны НПУ, предельный УМО, гидрограф притока естественных расходов за расчетный ряд лет, топографическая характеристика водохранилища, зависимость расходов и уровней в нижнем бьефе ГЭС и предполагаемые потери стока из водохранилища (на фильтрацию, испарение и ледообразование), а также требования для нужд мелиорации земель, судоходства и др.
Расчеты следует начинать при достижении уровнем водохранилища НПУ или УМО. В зависимости от ожидаемого притока в водохранилище и периода его сработки (или наполнения) назначается расчетный расход на ГЭС. В маловодные годы следует в период сработки обеспечивать постоянную мощность. В многоводные месяцы расход ограничивается максимальной пропускной способностью турбин и могут производиться холостые сбросы. Если из предварительных расчетов устанавливается обеспеченная среднемесячная мощность, то при регулировании стока в маловодный период ее стараются выдержать на возможно большем отрезке времени.
Все расчеты ведутся в табличной форме (табл. 5.1). Интервалы времени для расчета берутся месячные, а в период половодья — декадные. Рассмотрены три декады апреля. Потери на испарение в это время года малы и поэтому в расчете не учитывались. На фильтрацию из водохранилища потери приняты равными 6 м3/с. В первые две декады потери на ледообразование составляли по 139 м3/с, а в третью декаду в связи с таянием снега и льда возник прирост стока и потери получили отрицательное значение (—712 м3/с).
В зависимости от схемы ГЭС назначаются ориентировочно (в процентах) потери напора в подводящих водоводах к гидротурбинам и по статическому напору определяется напор нетто. Мощность ГЭС на шинах генераторов вычисляется при некоторых средних значениях КПД турбин и генераторов (5.4).
В итоге по всему календарному расчетному ряду вычисляются среднемесячные (среднедекадные) мощности ГЭС и выработка электроэнергии.
Таблица 5.1
Сведения, порченные по балансовым водноэнергетическим расчетам, позволяют построить кривые обеспеченности фазово-однородных величин (например, только среднедекабрьских мощностей), напоров, выработки электроэнергии и других характеристик. Расчеты по этому методу в сравнении с графическим обладают более высокой точностью и позволяют осуществлять надежный контроль в вычислении отдельных величин. К недостаткам метода следует отнести большую трудоемкость расчета и меньшую наглядность по сравнению с графоаналитическим методом. Использование ЭВМ в балансовом методе в значительной мере ускоряет расчеты.
ПРИМЕНЕНИЕ ЭВМ ДЛЯ ВОДНОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ РАСЧЕТОВ
В задачу водноэнергетических расчетов входит определение основных энергетических показателей ГЭС и изменения их во времени и др. Представление указанных временных показателей может быть различным: в виде календарной последовательности значений, кривых обеспеченности, в виде осредненных за определенный отрезок времени значений. Как было показано выше, задача сводится к решению уравнения водного баланса (5.2) для заданной характеристики стока (гидрографы для расчетов по календарным рядам или осредненные значения и параметры распределения при расчетах обобщенными статистическими методами) с учетом заданных условий (параметры водохранилища) и предъявляемых требований.
В практике проектирования наиболее широко используется календарный метод водноэнергетических расчетов, при котором принимается, что приток к водохранилищу известен (прогнозируется) только на ограниченный отрезок времени (месяц, декаду), а режим сработки и наполнения водохранилища производится в соответствии с диспетчерским графиком. Таким образом, водноэнергетические расчеты приближаются к реальным условиям эксплуатации ГЭС (в рассмотренных выше графических методах расчетов по интегральным кривым исходят Из того, что приток заранее известен на весь период регулирования).
Рис. 5.12. Схема программы для водноэнергетических расчетов
Трудность состоит в том, что одновременно надо решить две взаимосвязанные задачи: определить изменение параметров ГЭС во времени с учетом регулирования и найти вид диспетчерского графика, удовлетворяющий поставленным требованиям (см. § 5.6). Обе задачи решают способом проб (итерацией): принимают исходный диспетчерский график и на его основе выполняют водноэнергетические расчеты; базируясь на полученных результатах, корректируют диспетчерский график и снова проводят водноэнергетические расчеты.
Опыт показывает, что после двух — четырех проб удается найти удовлетворительное решение. Однако при этом приходится выполнить большой объем вычислений, что диктует необходимость использования ЭВМ.
Программа водноэнергетических расчетов. Схема программы водноэнергетических расчетов при длительном (годичном, сезонном) регулировании водохранилищем, которая включает семь элементов, показана на рис. 5.12.
Ввод общих данных, характеризующих расходы притока, водохранилище и нижний бьеф:
среднемесячные расходы притока Q(M) задаются в виде массива М — порядковые номера месяцев от 1; MF — общее число месяцев в расчетном ряде лет; Ml — календарный месяц, с которого начинается расчетный ряд (например, если с января, то М1 = 1, если с июня, то Ml =6); кривая объема водохранилища задается в виде двух взаимосвязанных массивов: W(N)—объемы, млн. м3, и ZUU (N) — отметки верхнего бьефа, м; NF — число узловых точек;
кривая отметок в нижнем бьефе задается в виде двух взаимосвязанных массивов: QLL(I) — расходы к ZLL(I)—отметки, причем JF —число узловых точек. Кривые объемов и отметок нижнего бьефа представляются кусочно-линейными зависимостями, состоящими из NF—1 и JF—1 отрезков прямых, как показано на рис. 5.13.
Ввод исходных условий работы водохранилища:
среднемесячные расходы на потери и потребление
воды из водохранилища (например, орошение земель, водоснабжение) представлены в виде массива QU(MD), MD — календарный месяц (число значений MD должно быть равно 12; если в каком-либо месяце, например в феврале, потерь и отбора воды нет, то QIJ (2) =0);
Vu(MD)—принятый (исходный) диспетчерский график в виде массива, определяющий требуемые остатки в пределах полезного объема водохранилища на конец календарного месяца, MD — начиная с января, MD=1 до MD—12:
VU — полезный объем водохранилища;
VR — мертвый объем водохранилища;
QR — гарантированный (минимальный) расход
ГЭС;
QPF — общий (максимальный) расход ГЭС (с целью упрощения здесь он принят не зависящим от напора, в более полных программах может учитываться н реальная эксплуатационная характеристика турбин);
DK — параметр для приближенного учета потерь напора в водоподводящем тракте ГЭС;
LA — параметр, характеризующий тип ГЭС. При LA=0 ГЭС с индивидуальными водоводами, потерн напора QPL=DK; при LA=l ГЭС с общим напорным водоводом (тип Ингурской ГЭС);
QPl=DK(Q)2, где Q — расход ГЭС. Как видно, в первом случае DK (в м), а во втором—коэффициент потерь (в с2/м5).
Рис. 5.13. Определение отметок уровней верхнего и нижнего бьефов
Возможны в другие способы учета потерь в водоводах, но поскольку расчет ведется по среднемесячным расходам ГЭС, потери могут учитываться только приближенно;
EFF —КПД гидроагрегата (EFF=ηtηr, где η— КПД турбины и генератора).
- Помесячное вычисление искомых параметров, образующих массивы с числом членов MF в каждом массиве (т. е. столько, сколько месяцев в расчетном ряду):
QP(M) — расход ГЭС;
QS (М) — расход водосбросов;
ZU (М) — отметка верхнего бьефа (в конце месяца) ;
ZL(M) — отметка нижнего бьефа (среднемесячная);
PH (М) — напор статический (разность отметок уровней верхнего и нижнего бьефов);
PN (М) — мощность ГЭС (условно среднемесячная);
MDK(M)—календарные номера порядковых месяцев.
- 5. Для выполнения указанных выше расчетов необходимы еще два блока для вычислений: FZU (V) — отметки верхнего бьефа в зависимости от заполнения объема водохранилища, FZL (Q) — отметки нижнего бьефа по расходу в нижнем бьефе. Оба представляют программы-функции и осуществляют интерполяцию между узловыми точками массивов W(N)—ZUU(N) и QLL(I)— ZLL(I) (рис. 5.13).
- Суммирование, в итоге которого получаются два важных показателя: ЕЕР — среднегодовая выработка энергии ГЭС;
S — общий объем сбросов через водосбросы.
- Вывод на печать всех требуемых данных.
Далее либо вводятся новые данные для расчета —
и тогда весь цикл повторяется с элемента 2, либо все расчетные случаи исчерпаны — и счет останавливается.
Текст программы на языке ФОРТРАН, соответствующий схеме рис. 5.12, приведен ниже.
Остановимся на некоторых особенностях этой программы.
Строка 1 — комментарий — имя программы WRST (water regulation, student). Строки 2 и 3 осуществляют выделение ячеек памяти для массивов и для общих данных с программами-функциями |А1| и |А2|. Здесь предусмотрено максимальное значение MF=120, т. е. длительность расчетного ряда 10 лет. Конечно, можно принять и большее значение.
Строка 4 — ввод целочисленных параметров, которые указаны в описании схемы, KF —число расчетных случаев.
Программа водноэнергетических расчетов
Строка 5 — формат считываемых величин 613.
Строки 6 и 7 вводят массив Q (М) — среднемесячных расходов расчетного ряда в формате 12Е8.4.
Строки 8 — 13 обеспечивают ввод и вывод на печать массивов объемов водохранилища и уровня нижнего бьефа. Наибольшее значение NF и JF равно 10, т. е. кривые могут представляться девятью отрезками прямых.
Со строки 14 (К=1) начинается ввод условий работы водохранилища для первого расчетного случая.
Строки 15 — 17 определяют ввод и вывод на печать шести исходных данных, указанных при описании схемы на рис. 5.12 (элемент 2).
Строки 18 и 19 осуществляют ввод принятого диспетчерского графика VD(MD) и графика потерь и потребления из водохранилища.
Со строки 20 начинается помесячный счет.
В строках 21 в 22 находится календарный месяц, после которого идет расчетный ряд.
Начальный объем водохранилища берется по диспетчерскому графику на конец соответствующего месяца (строка 23), а приращение объема VD=0 (строки 24). Определяется расход ГЭС QP1 (строка 26), проверяется не превышает ли расход предельный (строка 27) и фиксируется, что сброса нет (строка 30). Далее находится приращение объема водохранилища DV1 и значение объема VM1. Затем делается проверка: не оказался ли найденный объем заполнения водохранилища VM1 меньше, чем полезный объем, и больше, чем требуемый по диспетчерскому графику (строка 34), не оказался ли полученный объем больше полезного, т. е. не происходит ли переполнение водохранилища (строка 35)? Соответственно счет разветвляется и направляется на метку 11 (строка 38), либо на метку 12 (строка 55).
Если эти условия не удовлетворяются, то это означает, что водохранилище срабатывается больше, чем допустимо по диспетчерскому графику. Тогда расход ГЭС уменьшается (строка 36) и счет переводится на метку 13. С метки II формируются исходные массивы бьефа ZU1 (строка 41), уровень нижнего бьефа ZL1 (строка 43), напор РН1 (строка 44), потери в водоводах PHL (строки 49 — 51) и мощность ГЭС PN1 (строка 52). Далее счет переходит на метку 14, дается приращение порядковому номеру месяца М=М-:-1 и производится переприсваивание начального значения (строка 67) и счет переходит опять на метку 8 (строка 26).
В целом и другие ветви программы выполняются аналогично, но с некоторыми изменениями. Например, в случае переполнения водохранилища (метка 12) расход ГЭС равен максимальному (строка 58), а избыток сбрасывается через водосброс (строка 57). Объем водохранилища равен полному (строка 59).
Строки 63 — 66 осуществляют вычисление и суммирование объема сбросов через водосброс S. Строки 74 — 77 производят вычисление выработки энергии (суммирование) и определение среднегодовой выработки (строка 78).
Строки 79 — 87 — вспомогательные, осуществляющие вывод на печать результатов счета и печатание заголовков.
Далее следует переход на новые расчетные условия (строки 88 — 90). Если все расчетные случаи выполнены K>KF (строка 89), то счет останавливается и заканчивается.
Строки 1 — 9 занимает программа-функция FZU(V) для определения отметок верхнего бьефа в зависимости от объема водохранилища, а строки 1 — 8 — FZL(Q) — отметок нижнего бьефа в зависимости от пропускаемого расхода (рис. 5.13) путем интерполяции между узловыми точками.
Приведенная программа позволяет получить календарное изменение всех параметров, характеризующих работу ГЭС и водохранилища. Часто дополнительно требуется построить графики обеспеченности найденных показателей (например, среднемесячной мощности, напора и др.).
Это можно осуществить, использовав какую-либо программу ранжирования массивов, т. е. такой перестановки их членов, чтобы они шли либо в порядке убывания, либо в порядке возрастания.
