Правила технической эксплуатации требуют от работников электростанций рационального использования гидроресурсов, обеспечивающего максимальную эффективность производства электроэнергии. Рациональное использование гидроресурсов достигается осуществлением ряда эксплуатационных мероприятий, к числу которых относятся: разработка ежегодного водохозяйственного плана;
сохранение незаиляемой емкости водохранилищ и бассейнов, необходимой для регулирования стока в соответствии с водохозяйственным планом;
эффективная организация эксплуатации водохранилища, водоподводящих и водоотводящих трактов в условиях ледовых образований и переработки берегов;
предотвращение эксплуатационных затруднений при засоренности водотока;
организация учета использования водных ресурсов и контроля за их использованием.
Все осуществляемые при эксплуатации гидроэлектростанций и водохранилищ мероприятия должны тщательно увязываться с требованиями охраны природной среды.
Годовой водохозяйственный план устанавливает помесячные расходы воды, используемые гидроэлектростанцией и неэнергетическими водопотребителями, напоры воды на гидроэлектростанции, среднемесячные потери воды на испарение, фильтрацию и т. и. Этим планом
определяется также ежемесячная выработка электроэнергии на ГЭС. Водохозяйственный план уточняется на каждый квартал и месяц с учетом гидрометеорологических прогнозов, изменений режимов использования ГЭС, состояния гидроагрегатов и других факторов. Водохозяйственные планы, как правило, разрабатываются гидротехническими или режимными службами энергосистем, которые увязывают работу ГЭС с работой тепловых электростанций и других гидроэлектростанций, особенно при наличии каскада ГЭС.
В качестве основных предпосылок водохозяйственного плана гидроэлектростанции принимаются следующие условия:
обязательное наполнение водохранилищ стоком половодья до нормального подпорного уровня (кроме водохранилищ многолетнего регулирования, а также случаев особых требований других участников водохозяйственных комплексов);
создание благоприятных условий для пропуска через створ сооружений избытков воды, льда, наносов;
обеспечение необходимых условий для нормального судоходства, деятельности рыбного хозяйства, орошения, водоснабжения и других участников водохозяйственного комплекса в пределах, обусловленных основными положениями правил использования водных ресурсов данного водохранилища;
регулирование сбросных расходов с учетом требований борьбы с наводнениями и надежной и безопасной работы гидротехнических сооружений гидроузла;
обеспечение наибольшего энергетического (топливного) эффекта в энергосистеме при соблюдении согласованных с неэнергетическими водопользователями ограничений.
Следует отметить, что при эксплуатации комплексных гидроузлов в последние годы гидроэнергетика довольно часто уступает приоритет другим отраслям народного хозяйства. Так, например, водохозяйственный режим водохранилищ и гидроэлектростанций волжского каскада в период весеннего половодья подчинен требованиям рыбного хозяйства. Аналогичный режим иртышского каскада подчинен условиям обеспечения попусков для затопления пойменных земель долины Иртыша. Режим работы Новосибирской ГЭС в период навигации диктуется условиями работы судоходного шлюза, ухудшившимися вследствие понижения дна в нижнем бьефе гидростанции. Требованиям орошения земель в засушливые годы подчинен режим сработки водохранилищ на реках бассейна Аральского моря, что привело, например, к фактической задержке на два года ввода в эксплуатацию Токтогульской ГЭС; ка Кайраккумской ГЭС сработка водохранилища производилась в таких пределах, что работа ГЭС прекращалась, а для выполнения заданного попуска воды частично демонтировали гидротурбины. Однако подобные случаи критических для гидроэлектростанций режимов использования водных ресурсов являются исключительными, как правило, обеспечивается удовлетворительное согласование взаимных требований разных отраслей народного хозяйства.
Эффективность использования водных ресурсов гидроэлектростанциями существенно зависит от состояния их гидрометеорологического обеспечения. В первую очередь это касается гидрологических прогнозов, на основании которых разрабатываются и корректируются водохозяйственные планы ГЭС. С 1968 г. действует Генеральное соглашение между Минэнерго СССР и бывшей Главгидрометслужбой СССР (теперь Госкомгидромет СССР), по которому последняя должна обеспечивать гидроэлектростанции текущей информацией об уровнях и расходах воды, гидрологической обстановке на реках и водохранилищах, выдавать долгосрочные и краткосрочные прогнозы водности. Гидроэлектростанции, в свою очередь, обязаны способствовать работе органов гидрометслужбы, передавать им информацию о стоке воды в створах ГЭС.
Для рационального регулирования речного стока водохранилищами гидроэлектростанций важно сохранять в незаиленном состоянии необходимую для этого емкость. Сохранение емкости требует значительного внимания со стороны эксплуатационного персонала; во многих случаях не удалось избежать заиления, особенно небольших водохранилищ и бассейнов суточного регулирования; интенсивному заилению подвергаются и средние водохранилища на горных реках. Чир-Юртское водохранилище на Судаке первоначальным объемом 100 млн. м3 за 5 лет заилилось на 90 %, а еще через 5 лет его объем составлял всего 1,5—2 млн. м3, что не обеспечивало требований к регулированию стока и значительно ухудшило качество воды, забираемой на орошение и для водоснабжения. Первоначальный объем Учкурганского водохранилища на Нарыне 56 млн. м3 за 12 лет уменьшился до 16—18 млн. м3. Значительному заилению подверглись водохранилища Фархадской ГЭС на Сырдарье (его объем в течение 1947—1975 гг. сократился с 265 млн. м3 до 14—15 млн. м3), Головной ГЭС на Вахше и другие.
Практикой выработаны определенные эксплуатационные приемы по уменьшению ущербов от заиления водохранилищ, которые можно разделить на два основных вида: предотвращение заиления водохранилища и удаление отложений наносов из водохранилища. К первому относятся режимные мероприятия, связанные с регулированием уровня воды и скоростей воды в бьефах, подверженных заилению, ко второму — промывы водохранилищ и бассейнов или удаление из них отложений наносов механическими средствами.
На Учкурганской ГЭС в течение ряда лет в период наибольшего содержания в воде взвешенных наносов уровень воды в водохранилище понижали на 2—4 м. При пропуске высокого летнего паводка в 1969 г., во время которого объем поступивших в водохранилище наносов достиг 70 млн. м3, уровень воды в верхнем бьефе поддерживали на 3 м ниже НПУ. Повышение местных скоростей воды в водохранилище до 0,8—0,9 м/с привело к частичному размыву отложений и их выносу в нижний бьеф. Данные наблюдений позволили оценить объем размытых и удаленных отложений в 4 млн. м3. После подъема уровня воды до НПУ, осуществленного до окончания паводка, объем заиления практически восстановился.
Естественно, что понижение уровня воды связано с уменьшением выработки электроэнергии гидроэлектростанцией, которое на той же Учкурганской ГЭС составляло в разные годы 65—115 млн. кВт. ч. Однако, несмотря на такие потери, мероприятие в целом можно считать эффективным, поскольку оно предотвратило отложение в водохранилище несколько миллионов кубических метров наносов и сохранило призму регулирования, необходимую для участия ГЭС полной мощностью в регулировании нагрузки энергосистемы в зимний маловодный период.
Интересен положительный опыт интенсивного промыва отложений наносов из водохранилища Чир-Юртской ГЭС. Глубокий промыв был осуществлен в 1968 г. во время паводка с расходом 400—800 м3/с; агрегаты ГЭС были остановлены, а уровень воды в водохранилище в течение 2 сут сначала понижен на 12 м, а затем вновь поднят до НПУ также в течение 2 сут. За время промыва из водохранилища было удалено около 8 млн. м3 отложений, что позволило практически восстановить призму регулирования и повысить пиковую мощность на 32 тыс. кВт. Потери выработки электроэнергии составили около 7 млн. кВт-ч и удаление 1 м3 наносов обошлось, таким образом, в 1,75 коп., тогда как удаление наносов способом гидромеханизации по данным Гидромехпроекта обошлось бы в 18—30 коп. за 1 м3.
К проведению глубоких промывов необходима тщательная подготовка, так как нарушается обычный режим водопотребления и происходит иногда отключение отдельных водопользователей. Кроме того, эффективное осуществление глубокого промыва требует определенных условий по расходам воды в реке и наличия соответствующим образом расположенных глубинных водосбросов, что не всегда представляется возможным соблюсти. При глубоких промывах происходит интенсивное поступление наносов в нижний бьеф, что может вызвать затруднения у находящихся там водопользователей.
В последние годы на Чир-Юртской, Головной (на Вахше) и других ГЭС опробованы другие способы промыва, позволяющие регулировать мутность промывного потока, промывать водохранилища при меньшем понижении уровня в них, без полной остановки гидроагрегатов, с меньшими потерями выработки электроэнергии.
Зимний период работы многих гидроэлектростанций осложняется из-за возникновения разнообразных ледовых образований в реках и водохранилищах. Затруднения в эксплуатации связаны с закупоркой: водозаборов (водоприемных отверстий), обмерзанием водоподводящих сооружений (трубопроводов, каналов), обмерзанием затворов, сороудерживающих решеток и их закладных частей, образованием заторов и зажоров и с другими проявлениями воздействия льда на сооружения и оборудование гидроузлов.
Опытом эксплуатации выработаны основные принципы предотвращения возникновения аварийных ситуаций в период ледовых образований. В основу всех мероприятий по обеспечению работы гидроэлектростанций положен принцип регулирования ледовых процессов, который заключается в создании режимных условий в верхних бьефах, каналах, бассейнах, обеспечивающих работу гидроэлектростанции без остановки. В зависимости от характера ледовых образований, компоновки и конструкции водозаборных и водосбросных сооружений гидроузла, характера строения ложа водохранилища и условий подхода к гидроузлу, наличия свободного регулирующего объема в водохранилищах, бьефах руслах каналов и др. выбирают один из двух принципиально отличных режимов: аккумулирование ледовых образований или их транзит по трассе сооружений.
Аккумулирование требует в первую очередь наличия свободных объемов бьефа при небольших (не более 0,3—0,4 м/с) скоростях движения воды. Для ведения такого режима увеличивают подпор перед сооружениями, как правило, прекращают регулирование расходов, поддерживая постоянным уровень воды перед сооружениями.
Транзит ледовых образований (шуга, снежура, сало) требует создания по всей трассе сооружений в верхнем и нижнем бьефах высоких транзитных скоростей (более 1—1,5 м/с), устранения всех препятствий, способствующих задержанию ледовых образований и созданию заторов (зажоров) — запаней, наплавных мостов, решеток и т. и.
Режим аккумулирования применяют главным образом на гидроузлах, расположенных на равнинных реках, отличающихся спокойным течением, на которых в естественных условиях образуется ледяной покров. Транзитный режим применяется на гидроузлах горных рек при высоких скоростях, с интенсивным перемешиванием потока, что мешает созданию в естественных условиях устойчивого ледяного покрова. Транзитный режим требует применения на гидроузле ряда специальных сооружений и устройств, предназначенных для обеспечения беспрепятственного пропуска шуги или слабого льда (например, вихреобразователей, решеток с увеличенным просветом между стержнями, систем обогрева и т. и.) и для защиты сооружений в случае внезапного возникновения затора или зажора (например, шугосбросы, аварийные водосбросы и т. и.). Практика показывает, что правильный выбор режима гидроузла в период ледовых явлений в состоянии предотвратить аварийные остановки гидроэлектростанций.
Является очевидным, что любая перестройка режима гидроэлектростанции, работающей в энергосистеме параллельно с другими электростанциями, требует подготовки. Поэтому весьма важно заранее предвидеть появление ледовых образований, прогнозировать ледовые процессы. Применяемые в течение длительного времени приборы контроля текущего состояния потока типа шугосигнализаторов и микротермометров дают фактическую информацию, используемую, например, для моментального включения электрообогрева или приведения в действие шугосброса. Подготовка же режимных мероприятий требует значительно большего периода времени.
Попытки оперативного прогнозирования ледовых (шуговых) явлений расчетными гидрологическими методами до настоящего времени не имеют успеха. Поэтому представляют интерес эмпирические методы прогнозирования, основанные на длительных наблюдениях за ледовыми явлениями на конкретных объектах. Для этого анализируются сочетания следующих основных факторов: температуры воды, температуры воздуха, скорости ветра (определенного направления) и скорости движения воды. В ряде случаев оперативный прогноз может использовать лишь некоторые из этих факторов. В частности, для каскада Выгских ГЭС в Карелии анализ корреляционных зависимостей, связывающих шугообразование с рядом различных гидрометеорологических факторов, показал удовлетворительную возможность использовать в целях эксплуатационного прогноза два из них: температуру воздуха и скорость ветра (рис. 19.2). В другом случае такое прогнозирование основывалось на данных о температуре воздуха и расходах (скоростях) воды в открытом подводящем деривационном канале. Учитывая важность оперативных эксплуатационных прогнозов ледовых явлений, необходимо совершенствовать теоретические методы в сочетании с широким обобщением опыта эксплуатации гидроэлектростанций.
Рис. 19.2. График для прогнозирования шуговых явлений на водохранилищах ГЭС Выгского каскада.
1 — зона вероятных шуговых образований; 2 — граница зоны шуговых образований; 3 — точки, соответствующие условиям зафиксированных за 5-летний период шуговых образований.
Создание водохранилищ неизбежно приводит к переработке берегов в результате размывов, оползней, просадок и других явлений, вызванных динамическим (волновым и другими) воздействием воды и изменениями гидрогеологических условий в прибрежной зоне. Протекание процессов переформирования берегов различно на разных водохранилищах. однако оно практически везде вызывает затруднения у водопользователей. Пожалуй, в наименьшей степени переработка берегов влияет на работу гидроэлектростанций, за исключением тех случаев, когда переформирование затрагивает берег в непосредственной близости от гидроузла в зоне береговых примыканий сооружений, а также в районе расположения подсобных предприятий ГЭС. На объем заиления водохранилища переработка берегов влияет, как правило, мало. Основные затруднения связаны с необходимостью переноса населенных пунктов, переустройства водозаборных и судоходных сооружений, с сокращением площадей сельскохозяйственных угодий и т. п. Меры по ограничению разрушения берегов осуществляются водопользователями прибрежной зоны и не являются задачей эксплуатационного персонала гидроэлектростанций.
Переработка берегов может учитываться при регулировании уровней водохранилища, так как объем переработки возрастает с увеличением амплитуды колебаний уровня при увеличении высоты призмы сработки. Все неблагоприятные явления, возникающие вследствие переработки берегов, должны прогнозироваться и учитываться при проектировании гидроузла.
При рациональной организации эксплуатации водного хозяйства гидроэлектростанций серьезное внимание приходится уделять предотвращению засорения входных отверстий водозаборов, увеличивающего потери напора и снижающего выработку электроэнергии, а в отдельных случаях и мощность гидроэлектростанции. Для эффективной борьбы с сором наиболее важны правильный выбор и применение сороудерживающего и очистного оборудования и устройств, а также компоновка водозаборных сооружений. Поэтому основная часть задачи по эффективной борьбе с сором решается на стадии проектирования гидроузла..
При эксплуатации гидроэлектростанций накоплен большой опыт борьбы с сором, который позволяет вполне определенно отвечать на вопросы о рациональном выборе необходимых средств. В первую очередь необходимо определить вероятный объем поступления сора и его характеристику (вид сора — бревна, крона деревьев, трава и т. и., характер перемещения — на поверхности, под водой в затонувшем состоянии и др.). В зависимости от вида сора выбирается сороудерживающее и очистное оборудование, например, три крупном соре решетки могут иметь увеличенный просвет, а для расчистки могут применяться двухчелюстные и многочелюстные грейферы. Для удаления обволакивающего сора эффективны грабли, зубья которых могут проникать между стержнями решеток. Запани эффективны для задержания поверхностного сора при их сочетании со средствами, позволяющими периодически расчищать ковер из сора, скопившегося перед запанью. При интенсивном поступлении сора целесообразно развивать площадь водозаборного отверстия, перекрываемого решетками, чем существенно облегчается их расчистка. Высокую эффективность показали специальные сороудерживающие сооружения, выполненные на некоторых гидроэлектростанциях, а также водоприемник с прорезями в бычках, примененный на Боткинской ГЭС.
На многих гидроэлектростанциях по мере накопления опыта эксплуатации осуществляется реконструкция сороудерживающих и очистных средств. Основные направления реконструкции заключаются в применении усовершенствованных решеток с более обтекаемым профилем элементов и очистного оборудования, отвечающего фактическим условиям, сложившимся на данном гидроузле. Например, на гидроэлектростанциях системы Ленэнерго внедрены многочелюстные грейферы типа «Полип», новые решетки со стержнями обтекаемой формы, усовершенствованные конструкции запаней и другие устройства. Комплекс таких мероприятий позволил сократить потери напора на решетках гидроэлектростанций и получить, в частности, в 1974 г. 21,2 млн. кВт-ч дополнительной выработки электроэнергии.
Значительный опыт накоплен на гидроузлах комплексного назначения по организации пропуска высоких расходов в периоды половодий. Использование регулирующих емкостей водохранилищ позволяет при допустимой форсировке уровней избежать катастрофических для хозяйства и населения нижнего бьефа попусков воды. Роль гидроузлов в борьбе с паводками наиболее ярко проявляется на таких реках, как Днестр, Зея, Кама и другие. В то же время опыт эксплуатации энергетических гидроузлов во время паводков и половодий ставит вопросы, от решения которых зависит надежность самих гидротехнических сооружений. К ним относятся оперативность работы водосбросных сооружений и обеспечение пропуска расчетных расходов воды.
Известно, что пропуск высоких расходов через гидроузел нередко приводит к повреждениям конструкций крепления русла в нижнем бьефе, причем часто повреждения происходят из-за нарушения правил эксплуатации, требующих определенной последовательности во включении в работу сооружений и открытии водосбросных отверстий. На практике это условие нередко требует большого объема трудозатрат, если не предусмотрено автоматическое дистанционное управление затворами. Так, на Саратовской ГЭС при наличии двух козловых кранов, управляющих затворами водосбросов, изменение открытий всех отверстий в заданной последовательности на 1 шаг (1,0 м) требует трех смен работы бригады из четырех—пяти человек. В то же время на Учкурганской или Головной ГЭС управление затворами водосбросов автоматизировано и маневрирование осуществляется одним дежурным с центрального пульта управления. Автоматизировано управление затворами (14 шт.) водосливной плотины Кегумской ГЭС. Зарубежный опыт также подтверждает целесообразность автоматизации управления затворами водосбросов с точки зрения оперативности их действия и сокращения эксплуатационных трудозатрат.
Опыт организации пропуска высоких расходов через русловые низконапорные гидроузлы показывает, что возникают трудности в использовании в этих условиях гидротурбин. Так, при пропуске паводка с расходом ниже расчетного через створ Дубоссарской ГЭС подъем уровня нижнего бьефа настолько снизил напор ГЭС, что дежурный был вынужден остановить гидроагрегаты из-за их неустойчивой работы. В этих условиях гидроагрегаты не смогут принять участие в пропуске расчетного расхода, что снизит пропускную способность гидроузла в целом и потребует большей по сравнению с проектной форсировки уровня верхнего бьефа.
На ряде гидроузлов, имеющих в составе сооружений судоходные шлюзы, проектом предусмотрено их участие в пропуске чрезвычайных паводочных расходов. До сих пор опыта использования шлюза при пропуске паводка не было. В то же время включение шлюза в работу требует решения целого ряда организационных и технических вопросов. В организационном плане необходимо к катастрофическому паводку завершить обычные ремонтные работы (по плану они завершаются к началу навигации), определить момент ввода шлюза в действие, договориться о взаимодействии эксплуатационного персонала шлюза и гидроэлектростанции, относящихся к разным ведомствам. Техническая сторона вопроса заключается в защите конструкций шлюза (ворота, камера) и подходных каналов от повреждений вследствие высоких скоростей потока, проходящего через шлюз. В частности, должна быть решена проблема гашения энергии при сопряжении потока в камере и за нижней головой шлюза (если недостаточно участие шлюза в режиме «наполнение — опорожнение»).
Комплексное водопользование требует применения совершенных методов управления водными ресурсами. Практическая реализация выработанных оптимальных режимов водопотребления невозможна без налаженного учета воды. Необходимость единой системы государственного учета вод и планирования их использования закреплена советским законодательством, причем указанный учет ставит своей задачей установление количества и качества вод, данных об их использовании для нужд населения и народного хозяйства. С 1973 г. учет вод в СССР производится по единой форме, установленной ЦСУ СССР. В обязанности водопользователей входит рациональное использование водных объектов, забота об экономном расходовании воды, что и должно подтверждаться данными учета пользования водами. В полной мере это относится к гидроэлектростанциям, оказывающим наиболее существенное влияние на режим используемых водоемов и рек и являющимся во многих случаях опорными пунктами государственной гидрометрической сети.
Организация учета стока воды на гидроэлектростанциях строится на основании ряда отраслевых директивных материалов и имеет следующие основные задачи:
получение данных о стоке воды в створах ГЭС для расчета и прогноза уровней и расходов воды в нижних бьефах;
получение оперативных данных о наличии водных ресурсов для оптимального планирования водопотребления и правильной эксплуатации водохранилищ и гидросооружений, контроль за использованием водных ресурсов гидроэлектростанциями;
получение оперативных данных для регулирования стока воды.
Непосредственной задачей учета воды на гидроэлектростанциях в соответствии с Правилами технической эксплуатации является определение объема среднесуточного стока, прошедшего через створ гидроузла, и сопоставление его с притоком и с запасами воды в водохранилище, т. е. составление водного баланса.
Точность учета стока воды на гидроэлектростанциях в настоящее время зависит от погрешностей используемых при расчетах стока эксплуатационных характеристик гидроагрегатов и водопропускных гидросооружений. Поэтому необходимо, чтобы на каждой гидроэлектростанции были достоверные расходные характеристики гидротурбин и гидросооружений, проверенные натурными испытаниями, для которых разработан целый ряд методов. Следует отметить, что правильное применение методов расчета стока воды с использованием эксплуатационных характеристик обеспечивает погрешность учета стока через гидротурбины для низконапорных гидроэлектростанций не более 3%, для высоконапорных — не более 2%, что вполне отвечает требованиям по контролю за использованием водных ресурсов.
Утвержденное Советом Министров СССР в 1975 г. «Положение о государственном учете вод и их использования» требует установки на всех водозаборных и водосбросных сооружениях специального гидрометрического оборудования для автоматического измерения количества забираемой и сбрасываемой воды. Наиболее детально сейчас проработаны вопросы применения автоматических расходомеров гидротурбин, поскольку это непосредственно связано с контролем за эффективностью работы гидроагрегатов. В числе наиболее распространенных можно назвать расходомер ДМИ-Р Харьковского завода контрольно-измерительных приборов, ДП-А (ПГР-4) Киевского опытно-экспериментального завода средств автоматического управления и некоторые другие. Удовлетворительного качества отечественные расходомеры для гидротехнических водосбросных сооружений пока отсутствуют.
