Под энергетической системой в самом общем смысле нами понимается комплекс взаимно связанных энергоустановок, позволяющих превратить потенциальную энергию природных энергоресурсов в нужный человеку вид.
Под электроэнергетической системой понимается электроэнергетическое хозяйство, представляющее совокупность, энергоустановок, обеспечивающих производство электрической энергии и транспортировку ее до потребителей, а также установок приема тока потребителями. Для полноты понятия следует добавить, что режимы работы энергоустановок электроэнергетической системы энергетически друг с другом тесно связаны и эксплуатационные их условия взаимно обусловлены.
В свете такого понимания электроэнергетическая система состоит из следующих составных элементов:
а) предприятий, обеспечивающих добычу или приведение потенциальных энергоресурсов в удобное для утилизации состояние;
б) энергоустановок, превращающих потенциальную энергию природных энергоресурсов в электрическую;
в) энергоустановок, обеспечивающих транспортировку электрической энергии до потребителей в требуемых для них параметрах;
г) энергоустановок, позволяющих хозяйственно использовать электроэнергию, т. е. токоприемников потребителей.
Все электроэнергетические системы имеют в своем составе перечисленные элементы. Отличаются они друг от друга только по характеру утилизируемых природных энергоресурсов, по составу сооружений и виду генерирующих энергоустановок.
Природными энергоресурсами, имеющими в настоящее время практическое применение, являются энергия водотоков, минеральное топливо (всех видов), энергия ветра и энергия атомноядерной реакции. Методы утилизации этих энергоресурсов различны, что в значительной мере создает существенные отличия в режиме электроэнергетических систем и характере работы электрогенерирующих установок.
Из всех составляющих энергосистему элементов энергоисточник является наиболее общим и объективным признаком для классификации электроэнергетических систем. Поэтому и представляется правильным разбивать электроэнергосистемы на следующие типы в зависимости от вида энергоисточников:
- Гидроэлектроэнергетическая,
- Теплоэлектроэнергетическая,
- Атомноэлектроэнергетическая,
- Ветроэлектроэнергетическая,
- Смешанная электроэнергетическая система, где энергоисточниками являются различные виды природных энергоресурсов.
Электроэнергетическая система смешанного типа в зависимости от удельного веса того или другого энергоисточника, участвующего в производстве электроэнергии, в свою очередь может быть разбита на ряд подтипов. Так, например, если преобладает гидравлическая энергия, то система будет именоваться электроэнергетической, с доминированием ГЭС, если будут преобладать тепловые электрические станции, — электроэнергетической системой с доминированием ТЭС.
Ветер как электроэнергоисточник пока не получил широкого практического применения, причиной чему служит сильная изменчивость его режима, рассредоточенность ветроресурсов и в известной мере «привязанность» ветроэлектроустановки к местности! Поэтому при современном уровне техники использования ветра вряд ли можно предполагать, что ветроэнергоисточнику, как общее положение, в смешанной промышленной энергосистеме будет принадлежать ведущая роль.
В свете задач, поставленных в настоящей работе, нас больше всего интересует работа системы, в которой генерирующими установками являются одни только гидростанции или где они имеют наибольший удельный вес.
Для гидроэлектроэнергетической системы характерен ряд особенностей, которые сводятся к следующему.
Энергоисточником данной системы являются энергетические ресурсы водотоков, которые в естественном состоянии сильно меняются во времени и, кроме того, зачастую территориально не связаны с районами расположения потребителей. Последнее обстоятельство в значительной мере облегчается тем, что представляется возможным передавать электроэнергию на большие расстояния. Однако оно во всех случаях в той или иной степени дает себя знать, осложняя схему, и условия эксплуатации энергосистемы, а также удорожая стоимость электроэнергии у потребителей.
Непостоянство режима водотока делает, в свою очередь, переменными во времени параметры и показатели гидростанции — расход, напор, мощность, выработку и др. Эта отрицательная сторона режима водотока в значительной мере также может быть устранена путем регулирования стока. Однако оно не всегда и не везде технически возможно и экономически целесообразно.
Эти две особенности — «привязанность» к местности и переменность параметров генерирующих установок — ставят такую энергосистему в особо ответственное положение в отношении структуры и параметров электростанции.
Величина расчетного утилизируемого стока и расхода, определяющая мощность и выработку гидростанции, и размеры соответствующих сооружений и оборудования ГЭС в значительной мере зависят от степени изменчивости гидрологического режима водотока. На значение указанных параметров оказывают также существенное влияние зарегулированность режима стока, структура генерирующих мощностей и график нагрузки системы, однако наиболее существенным и определяющим остается гидрологический режим водотока.
В естественных условиях изменение гидрологического режима водотока, особенно в разрезе многолетия, не подчиняется функциональным закономерностям, а может быть отнесено к разряду явлений, которые в своих изменениях подчиняются вероятностным стохастическим) закономерностям. Следовательно, удовлетворение заданного уровня потребностей в электроэнергии на базе использования гидроэнергоресурсов, расчетные параметры и показатели водохозяйственных установок оказываются в значительной мере зависящими от факторов, подчиняющихся в своих колебаниях вероятностным закономерностям. В результате всего этого заданный уровень потребления электроэнергии в отдельные годы (или периоды) не может быть удовлетворен полностью, т. е. могут иметь место перебои в энергоснабжении ввиду уменьшения мощности и выработки ГЭС против определенной их проектной величины.
Задачи удовлетворения заданного уровня потребностей требуют со стороны ГЭС некоторой гарантированной мощности и выработки. Вероятность того, что эти основные производственные показатели гидростанции не уменьшатся против некоторой заданной их величины, и называется обеспеченностью работы ГЭС.
Таким образом, обеспеченность работы ГЭС представляет собой некоторый показатель гарантии тех или иных уровней выработки и мощности (в математическом ожидании) гидростанции, т. е. некоторый показатель степени гарантии потребителей в. энергоснабжении гидроэлектростанцией энергосистемы.
Снижение обеспеченности планового уровня производства электроэнергии приводит к соответствующему уменьшению параметров водохозяйственной установки и, следовательно, к сокращению размера единовременных капитальных затрат. С другой стороны, оно приводит к сокращению объема выпускаемой продукции промышленными предприятиями или, если ГЭС работает в энергосистеме, — к росту мощности компенсирующих электростанций. Увеличение же обеспеченности заданного уровня потребности путем соответствующего регулирования стока приводит к увеличению параметров водохозяйственной установки и, следовательно, к росту капитальных затрат и эксплуатационных издержек, но, с другой стороны, оно уменьшает дефицит энергии и увеличивает средний уровень объема выпускаемой продукции. Таким образом, обеспеченность 100-процентного удовлетворения потребностей является некоторой характеристикой уровня развития потребителей, а также ГЭС и энергосистемы в целом, т. е. всего производственно-энергетического комплекса.
Этим энергоэкономическим значениям показателя обеспеченности работы ГЭС до последнего времени не уделялось должного внимания, а при водохозяйственных проектировках его величиной просто задавались. Следствием всего этого явилось то, что в настоящее время нет всесторонне разработанной методики для определения оптимального значения обеспеченности ГЭС и гидро- электроэнергетической системы в целом.
Вопрос о необходимости установления значений расчетной обеспеченности на основе соответствующих водохозяйственных и энергоэкономических расчетов впервые, почти одновременно, был поставлен докторами технических наук В. П. Захаровым и В. Г. Айвазяном в 1943 —1944 годах. Позднее этим вопросом вплотную занимались С. Н. Крицкий и Μ. Ф. Менкель, С. Н. Никитин, Д. В. Коренистов, А. Д. Гильденблат и В. Р. Казак, Μ. П. Фельдман. Этими и другими специалистами Союза в настоящее время уже довольно глубоко разработаны вопросы, связанные гс установлением оптимальных параметров ГЭС, в частности расчетной обеспеченности ее работы. Так, например, исследования «О гидрологических основах теории регулирования стока» C. Н. Крицкого и Μ. Ф. Менкеля [56], «Методика водохозяйственных и энергоэкономических расчетов комплексного регулирования стока» В. П. Захарова [35], «Методика и техника энергоэкономических расчетов при проектировании гидростанции» В. Г. Айвазяна [5], «Методика водноэнергетических расчетов» С. Н. Никитина [101], «Гарантированные мощности и энергии гидроэлектрических станций» Μ. П. Фельдмана [125], «Основы теории гидроэнергетического проектирования» М. А. Мосткова [83] проливают свет на многие вопросы данной проблемы и могут служить в качестве теоретической базы для разработки соответствующей методики. Однако данная проблема всесторонней и целеустремленной разработки все еще не получила и, как справедливо отмечают С. Н. Крицкий и Μ. Ф. Менкель, «более глубокий и детальный анализ конкретных экономических соотношений является делом ближайшего будущего».
Решение проблемы обеспеченности ГЭС и ГЭЭС связано с разработкой ряда частных вопросов, которые, по нашему мнению, сводятся главным образом к следующим.
- Расчетная обеспеченность, как указано, в значительной мере предопределяет основные параметры и производственные показатели водохозяйственной установки, в частности гидроэлектрической станции, а также в известной степени и уровень развития промышленных потребителей. Следовательно, ее целесообразная величина должна определяться из условий оптимального развития и экономической взаимосвязи этих отраслей производства, как составных элементов единого народнохозяйственного комплекса. Проблема разработки методики установления расчетной обеспеченности работы ГЭС, таким образом, может быть успешно разрешена только в результате глубокого исследования экономики развития энергосистемы и потребителей, взятых как одно целое. В связи с этим четкое установление основных хозяйственно-политических требований, стоящих перед каждым потребителем, особенно промышленным, в свете марксистско-ленинского учения о социалистическом расширенном воспроизводстве имеет основополагающее значение. Поэтому эти вопросы должны соответствующим образом рассматриваться при разработке методики определения оптимальных параметров ГЭС.
- Характер изменения экономики промышленного производства при различных уровнях энергоснабжения в значительной мере зависит от режима энергопотребления потребителей, степени приспособляемости его к условиям энергоснабжения и размера экономических последствий недополучения электроэнергии против потребного оптимального уровня. Последний вопрос, по существу, представляет проблему оценки размера необходимого государственного резерва, идущего на восполнение недовыработки продукции предприятиями в годы пониженной производительности ГЭС, т. е. оценки экономических последствий недовыработки электроэнергии на ГЭС в результате изменчивости гидрологического режима водотока. Решение этой проблемы является одной из главных задач при разработке методики установления оптимальных параметров ГЭС. Эти энергоэкономические вопросы, касающиеся потребителей и энергосистемы в целом, в настоящее время совершенно не разработаны. Поэтому крайне необходимо, чтобы они были достаточно широко рассмотрены.
- Режим и экономика энергопотребления, а также объем дефицита энергии (в математическом ожидании) и закономерность его изменения в зависимости от гидрологического режима водотока и водохозяйственных параметров их регулирования органически связаны и являются одной из основных проблем разработки указанной методики. В данном вопросе достоверная оценка объемов дефицита, естественно, имеет особое значение, в связи с чем правильная методика водохозяйственных расчетов приобретает первостепенную важность. Методика этого проектирования все еще является несовершенной, хотя трудами ряда советских ученых — С. Н. Крицкого и Μ. Ф. Менкеля, А. Н. Саваренского, В. П. Захарова и других — многие вопросы ее получили довольно глубокую теоретическую разработку. Поэтому максимальное устранение недостатков существующих приемов водохозяйственных расчетов и дальнейшее усовершенствование последних является также совершенно необходимым и должно составить неотъемлемую часть рассматриваемой проблемы.
- Одним из важнейших вопросов, от разрешения которых з значительной мере зависит широкое применение на практике предлагаемого метода, является максимальное облегчение приемов практического определения математического ожидания объемов дефицита и других режимных показателей гидроэнергоузла. Особая важность разрешения этих вопросов отмечается многими исследователями. В частности, А. Д. Гильденблат и В. Р. Казак считают: «К числу ближайших исследований рассматриваемой проблемы казалось бы правильным было отнести в первую очередь разработку приемов расчета, облегчающих определение дефицитов отдачи для достаточно широкого диапазона гидрологических и 'водохозяйственных параметров. Именно эта часть исследований является наиболее трудоемкой и встречает затруднения в практике проектирования» [19].
- Следующим не менее сажным вопросом рассматриваемой проблемы является установление степени участий ГЭС в покрытии максимума графика нагрузки энергосистемы. Необходимость решения этого вопроса диктуется, в частности, тем, что от него в значительной мере зависит структура и экономика энергосистемы и, как следствие, расчетная обеспеченность ГЭС.
- В настоящее время нет совершенных расчетных соотношений для практического определения обеспеченности работы ГЭС. Поэтому получение таких соотношений в более обобщенной форме и построение соответствующих расчетных графиков, естественно, является основной и, по существу, конечной задачей разработки методики.
Таковы вкратце, с нашей точки зрения, те основные научно-методологические и практические задачи, стоящие в данное время перед исследователями в области методики установления оптимальных параметров ГЭС, в частности расчетной обеспеченности ее работы.
В настоящей работе излагаются результаты исследования автора, посвященного разработке указанных выше вопросов и методической основы определения оптимального значения расчетной обеспеченности работы гидроэлектрической станции.
