СУЩЕСТВУЮЩИЕ МЕТОДЫ УСТАНОВЛЕНИЯ ОПТИМАЛЬНОГО ЗНАЧЕНИЯ ОБЕСПЕЧЕННОСТИ РАБОТЫ ГЭС
Расчетная обеспеченность работы ГЭС, как уже неоднократно указывалось нами выше, является основной синтезирующей режимной и энергоэкономической характеристикой как самой гидростанции, так и всей энергосистемы. Поэтому разработка правильной методики установления расчетного значения обеспеченности ГЭС привлекала и привлекает внимание многих исследователей в области водохозяйственно-энергетического проектирования.
Вопрос этот на принципиальную высоту был поднят впервые (почти одновременно) докторами технических наук В. Г. Айвазьяном [5] и В. П. Захаровым [37] в 1943 — 1944 годах. В настоящее время уже имеется ряд работ, посвященных специально этому вопросу и давших определенные методические приемы для установления оптимальной величины расчетной обеспеченности работы ГЭС.
Из числа первых по времени появления в печати исследований в этой области, в которых уже даются расчетные соотношения, следует указать на работу В. Г. Айвазьяна «Определение расчетных норм обеспеченности гидроэлектростанций» [3], выполненную им в связи с исследованием режима Мингечаурского водохранилища. Автор в основу предлагаемого им методического приема кладет принцип получения минимума суммарных народнохозяйственных издержек по производству электроэнергии для удовлетворения заданного уровня энергопотребления. Согласно этому принципу, увеличение мощности регулирующей тепловой электростанции (предназначенной в случае необходимости для замены необеспеченной мощности ГЭС) приводит к увеличению издержек в энергосистеме за счет дополнительных капиталовложений в ней и добавочного расхода топлива, но вместе с тем оно позволяет уменьшить недодачу электроэнергии потребителям и сократить их ущербы от недополучения таковой в периоды маловодья.
Таким образом, это условие требует, чтобы дополнительные издержки по энергосистеме были равны сокращению ущерба у потребителей, т. е.
(94)
Исходя из этого принципа, автор выводит расчетное соотношение для определения искомой величины обеспеченности применительно к случаю работы гидростанции (с суточным регулированием) в энергосистеме, имеющей в качестве регулирующей станции конденсационную ТЭС.
Рис. 26. Принципиальная схема определения расчетной обеспеченности работы ГЭС (по В. Г. Айвазьяну).
Использование резерва уменьшает расчетную обеспеченность ГЭС, величину которой при этом автор рекомендует определить из следующего соотношения:
откуда
(112)
где Рав предварительно определяется из формулы (111), Рсист определяется по формулам (109) или (110).
Таково краткое содержание работы С. Н. Никитина, опубликованной им в 1947 г.
Резюмируя содержание предложений В. Г. Айвазьяна и С. Н. Никитина, следует указать на то, что:
а) предложения обоих авторов исходят из одних и тех же общих предпосылок, и потому рекомендуемые ими расчетные формулы принципиальных различий между собой не имеют;
б) различия в выводах обеих формул в основном состоят в способах выражения издержек системы, ущерба потребителей в период дефицита энергии в системе и учета использования резервной мощности системы;
в) аварийность агрегатов тепловых электростанций, которая, по их мнению, подчиняется биноминальному закону и рассматривается ими как один из источников формирования дефицита.
Анализ приведенных расчетных построений В. Г. Айвазьяна и
С. Н. Никитина показывает, что они имеют ряд существенных недостатков, главнейшими из которых являются следующие:
а) Оба автора не учитывают экономики той гидроэлектростанции, обеспеченность которой определяется. Несостоятельность такого положения не подлежит сомнению, ибо является бесспорным то, что обеспеченность работы ГЭС в значительной мере зависит от экономики самой гидростанции.
Сам С. Н. Никитин в своей последующей работе [93] указывал, что «так как в этих работах (имеются в виду указанные нами выше работы В. Г. Айвазьяна и С. Н. Никитина — Ш. Ч.) не принимались во внимание экономические характеристики самой проектируемой гидростанции, то и значение обеспеченности оказывалось независящим от этих характеристик».
б) При выводе расчетных уравнений С. Н. Никитин не учитывает удельного веса ГЭС в системе, т. е. структуры энергосистемы. Это является серьезным упущением, так как совершенно очевидно, что общий размер мощности ГЭС и удельный вес ее в системе не. может не оказывать существенного влияния на расчетную обеспеченность работы гидростанции.
в) Гидрологический режим водотока и степень его зарегулированности, безусловно, окажет значительное влияние на оптимальные параметры ГЭС и обеспеченность ее работы, однако этот фактор также не нашел отражения в указанных расчетных уравнениях.
г) Приведенные равенства авторов, если в какой-то мере могут быть применимы для работы ГЭС при незарегулированном или суточном зарегулированном режиме стока, то они совершенно неприменимы для расчетов параметров ГЭС при сезонно-годовом и многолетнем регулировании стока.
Кроме перечисленных, с нашей точки зрения принципиальных, недостатков, приведенные расчетные соотношения не свободны также от ряда частного характера несовершенностей. Как на один из недостатков такого характера можно указать на то, что правая часть расчетного уравнения В. Г. Айвазьяна (96) при 100-процентном покрытии дефицита электроэнергии резервными мощностями, т. е. при ε = 1,0, превращается в бесконечность. Такое положение говорит о нестрогости формулы и о наличии в ней серьезного недостатка. Вызывает также недоумение предлагаемая С. Н. Никитиным методика определения дополнительных издержек энергосистемы при увеличении регулирующей (дублирующей) мощности. Нет необходимости продолжать перечень подобных частных недостатков, ибо указанные выше принципиального характера недоработанности методов достаточны для того, чтобы сделать общее заключение и прийти к выводу, что эти уравнения не могут претендовать на обобщающие выводы и широкое практическое применение.
С. Н. Никитин, давая общую оценку этим двум исследованиям в работе [93], указывает, что «опубликованные в 1947 году первые исследования в этой области* хотя и имели правильное общее направление, однако не учитывали всех условий, оказывающих влияние на величину обеспеченности, а потому и выводы из этих исследований были неполными и неточными».
* Имеются в виду работы [5 и 91].
С общеметодической точки зрения заслуживает значительного внимания работа С. Н. Никитина «Обеспеченность работы гидроэлектростанции и выбор ее параметров», опубликованная в 1951 г. [93].
В основу предлагаемого этого методического приема С. Н. Никитин кладет также принцип получения минимума суммарных народнохозяйственных издержек по энергохозяйственному комплексу в целом при условии «выпуска производственными предприятиями одинакового общего количества продукции независимо от относительной продолжительности перебоев в их работе». Схема анализа автором дается для ГЭС, работающей как изолированно, так и совместно с другими электростанциями.
Порядок исследования в целом предлагается следующий. При заданной и неизменной величине мощности рассматриваемой ГЭС строятся кривые зависимости издержек по гидростанции или по энергосистеме (в случае работы ГЭС совместно с другими электростанциями) и ущерба народного хозяйства от величины обеспеченности. Затем, складывая ординаты этих кривых, находят кривую изменения суммарных народнохозяйственных издержек, минимум которой дает оптимальное значение обеспеченности данной величины мощности ГЭС. Построив подобные зависимости для нескольких значений мощности и соединив точки минимумов их, получают кривые зависимости наименьших народнохозяйственных издержек (следовательно, и оптимального значения обеспеченности) от мощности ГЭС.
Такое построение показывает, что каждому значению мощности ГЭС соответствует свое, отличное от других, наивыгоднейшее значение обеспеченности. Для выбора оптимальной величины мощности ГЭС и её обеспеченности, когда она работает в энергосистеме совместно с другими электростанциями, необходимо также аналогичное построение. Эта задача решается «путем определения суммарных народнохозяйственных издержек при различных сочетаниях величин мощности проектируемой гидростанции и всех остальных электростанций системы и нахождения такого сочетания, при котором эти издержки являются наименьшими, а общий положительный эффект наибольшим» [93].
При заданной мощности электроэнергетической системы мощность проектируемой ГЭС и остальных электростанций имеет взаимно обратное значение.
Строятся две кривые: первая — кривая зависимости минимума суммы издержек по ГЭС и народнохозяйственного ущерба от величины мощности гидростанции, вторая — кривая зависимости издержек по остальным электростанциям от их общей мощности
Nзам = Nснег-Nгэc.
В результате сложения ординат обеих кривых при соответствующих значениях мощности ГЭС получается кривая суммарных народнохозяйственных издержек, имеющая минимум. Абсцисса кривой этого минимума и определит собой наиболее выгодное распределение мощности между проектируемой гидростанцией, с одной стороны, и всеми остальными электростанциями системы.— с другой. Поскольку каждой величине мощности проектируемой ГЭС соответствует своя оптимальная обеспеченность, то тем самым однозначно определяется и значение последней, которое в данном случае является наивыгоднейшим.
Автор считает, что предлагаемый им прием исследования принципиально применим также и для расчета целесообразной величины дублированной мощности ГЭС, необходимой для выработки дополнительной электроэнергии в многоводные периоды, увеличения мощности тепловых электростанций с целью сокращения дефицита мощности в энергосистеме за пределами расчетной обеспеченности работы ГЭС. В работе им даются также практические приемы этих расчетов.
Это методическое построение С. Н. Никитина является наиболее совершенным, в нем, в частности, устраняется один из основных дефектов ранее предложенного им метода в отношении учета экономики рассматриваемой ГЭС и структуры энергетической системы. Однако и этот метод также не свободен от существенных недостатков.
Основным недостатком его является то, что в нем не находят отражения гидрологические факторы и водохозяйственные параметры регулирования стока. В работе нет дифференцированного подхода к определению режима работы и обеспеченности ГЭС при зарегулированных и незарегулированных режимах водотока. Автор предлагает определять обеспеченность по продолжительности мощности и в качестве расчетной принимать «наибольшую мощность гидростанции, которой она ежедневно участвует в покрытии графика нагрузки системы». Это положение автора применимо только для случая работы ГЭС при незарегулированном режиме водотока. При зарегулированном стоке, как известно, прежде всего приходится иметь дело с дефицитом энергии, а не мощности. В этом случае основным и решающим является обеспеченность выработки, а не мощности, и в связи с этим приходится иметь дело со средней мощностью, а не с «наибольшей». Определение обеспеченности по продолжительности мощности при зарегулированном стоке в такой же мере несостоятельно, как определение таковой при незарегулированном стоке по относительному числу бесперебойных лет.
В данной работе С. Н. Никитин предлагает определять величину народнохозяйственного ущерба при перебое в работе ГЭС «по увеличению капиталовложений и эксплуатационных издержек в системе» в связи с увеличением производственной мощности для обеспечения «одинакового общего количества продукции независимо от относительной продолжительности перебоев». Эта идея заслуживает известного внимания, но она в работе должной разработки не получила.
Такой прием оценки ущерба принципиально возможно применить только для промышленных предприятий с гибким режимом энергопотребления. Предлагаемый автором прием может привести к увеличенному размеру дополнительных издержек (ущерба) из-за того, что при этом будет иметь место непроизводительное использование дополнительной мощности предприятия, т. е. замораживание средств производства и капитальных затрат. Ряд положений автора в этом вопросе вызывает сомнения и возражения. С. И. Никитин утверждает, что «для любого элемента мощности величина издержек по производственным предприятиям одинакова». Согласно этому положению, величина удельного ущерба не зависит от глубины дефицита, что, конечно, неверно, так как при увеличении последней все элементы необеспеченной мощности затрагивают интересы более чувствительных к нехватке энергии потребителей.
Следует остановиться еще на одном положении С. Н. Никитина, согласно которому в некоторых случаях компенсация ущерба в перебойные периоды может быть достигнута путем уплотнения графика нагрузки системы, т. е. принудительного регулирования потребителей, в результате чего уменьшается общая необходимая величина мощности. Это положение также не совсем правильно.
Во-первых, такое мероприятие приведет к некоторым положительным результатам только при незарегулированных системах, а, во-вторых, оно не исключает возникновения ущерба у потребителей, так как всякий принудительный график энергоснабжения будет вызывать у любого потребителя некоторые дополнительные издержки.
Все вышеприведенные моменты говорят о том, что и этот методический прием С. Н. Никитина, не свободен от серьезных недостатков.
Рассматриваемый вопрос получил довольно широкую разработку в трудах С. Н. Крицкого и Μ. Ф. Менкеля [56, 57, 58 и др.], а также в исследованиях Д. В. Коренистева [53], Я. Д. Гильденблата и В. Р. Казака [19].
Работы С. Н. Крицкого и Μ. Ф. Менкеля посвящены главным образом теоретическим основам ряда важнейших общих положений в области установления оптимальных параметров водохозяйственных установок и, в частности, расчетной обеспеченности работы ГЭС, а именно: гидрологическо-водохозяйственным расчетам режима работы водохранилищ (гидрологическим основам теории регулирования стока; анализу связи между отдачей а, емкостью водохранилища β и обеспеченностью работы системы р; длительности периодов опорожнения водохранилища; группировке перебоев, анализу дефицитности перебоев) [56]; принципам выбора параметров водохозяйственных установок (основным соотношениям между характеристиками эффекта и параметрами водохозяйственной установки, работе установки в .системе, расчетной обеспеченности и др.) [58] и вопросам ущерба от ограничения энергопотребления, как фактора определяющего целесообразные размеры водохозяйственных установок (установлению зависимости между режимом; работы водохозяйственных установок и продуктивностью обследуемых предприятий и методике выбора обеспеченной и установленной (мощности гидростанции в связи с колебаниями стока) [57].
Для практического определения оптимальных параметров ГЭС. и значения обеспеченности авторы не дают расчетного уравнения. Однако для вывода такого уравнения ими рекомендуются принципы экономического исследования.
При оценке объема дефицита и удельного ущерба народного хозяйства от недовыработки электроэнергии ГЭС С. Н. Крицкий и Μ. Ф. Менкель исходят из предположения, что:
а) дефицит электроэнергии возникает в результате, с одной стороны, уменьшения используемых водных ресурсов против проектного уровня, а с другой — аварийного выхода силовых агрегатов, тепловых электростанций и
б) удельный ущерб потребителей в период дефицита определяется исходя из средней стоимости данной продукции в стране.
На основе этих положений и согласно обычно принимаемым условиям экономической равноценности сравниваемых вариантов авторы дают расчетное уравнение для экономического исследования применительно к условиям энергосистемы, состоящей из ГЭС и ТЭС.
Обозначая разность (N0 — Nm) через Nвыт и называя ее «вытесняемой» мощностью, авторы получают:
(120)
С. Н. Крицкий и Μ. Ф. Менкель делают заключение, что это уравнение определяет размеры капиталовложений в гидроэлектрическую станцию, которые могут быть экономически оправданы по сравнению с вариантом, предусматривающим замену гидростанции тепловыми установками. Это уравнение включает в себя не только параметры, обычно служащие предметом водноэнергетических и экономических расчетов, но и дефициты энергии. Таким образом,— заключают авторы, — данное уравнение может служить для экономического обоснования, в числе прочих параметров, а также и для расчетной обеспеченности» [57, стр. 14 — курсив наш].
В основе расчетного соотношения (120), как нетрудно убедиться, лежит принцип развития рассматриваемой ГЭС до тех пор, пока средняя себестоимость электроэнергии ее не будет равна средней себестоимости энергии замещающей ее тепловой электростанции. Такой принцип, как указано нами в главе I, не обеспечивает достижения минимума суммарных народнохозяйственных издержек по энергосистеме в целом, и, следовательно уравнение (120) в представленном виде нельзя считать пригодным для подробных исследований при выборе оптимальных параметров ГЭС.
