Каскадное регулирование стока. Каскадное использование водотока дает возможность улучшить комплексность использования водотока для нужд ВХС, а также повысить коэффициент использования потенциальной энергии водотока за счет повышения степени использования напоров и расходов. С точки зрения максимального использования водотока необходимо наличие одной плотинной ГЭС в устье. Однако это ведет к ущербам из-за затоплений, даже если выработка такой станции превышает потенциальные возможности водотока в естественном состоянии. Сооружение сомкнутого каскада плотинных ГЭС увеличивает как kw, так и kн. Для каскада ГЭС длительного регулирования стока kw и kн близки к единице. В отличие от каскада плотинных ГЭС увеличение числа ступеней каскада деривационных станций повышает kw и kн за счет лучшего использования местного стока и подведенного напора, хотя при этом одновременно увеличиваются его потери в водопроводящих сооружениях.
Для СССР наиболее характерны каскады ГЭС длительного регулирования стока (Волжско-Камский, Днепровский, Ангаро-Енисейский и др.). Каждому из водохранилищ таких каскадов присущи энергетические особенности, рассмотренные в § 8.3 и 8.4. Кроме того, объединение ГЭС в каскад увеличивает общий полезный объем водохранилищ и как следствие степень зарегулированности стока реки в целом. Подобные каскады являются, как правило, сомкнутыми, т. е. уровни нижнего бьефа в каждом створе превышают их естественное состояние для любых режимов ГЭС. Это означает, что водоток превращается в цепочку проточных искусственных озер. В этих условиях ГЭС освобождаются от значительных базовых попусков в нижний бьеф по требованиям ВХС и, следовательно, увеличивается степень их участия в покрытии пика графика нагрузки.
Современные ОЭС иногда включают в себя несколько каскадов. В связи с этим особое значение приобретает задача совместного использования ГЭС разного вида регулирования стока в одном графике нагрузки с учетом ТЭС и АЭС. Корректное назначение режимов ОЭС для проектных и эксплуатационных задач возможно только с использованием ЭВМ.
Отметим особенности, которые необходимо учитывать в расчетах режимов каскадов.
Наличие каскада приводит к необходимости учета гидравлических режимов ГЭС между собой, т. е. связи по расходу и напору. Любое изменение режимов l-й ГЭС каскада сказывается на изменение подпора (l—1)-й ГЭС (связь по напору) и приточности к (l+1)-й станции (связь по расходу).
Подпор в нижнем бьефе l-й ГЭС увеличивает потери ∆Nн.б, но одновременно уменьшает потери энергии в верхнем бьефе (/+1)-й станции за счет увеличения напора. В каскаде за счет переходных процессов в водохранилищах особое значение приобретает корректный подбор их математических моделей для водноэнергетических расчетов.
При каскадном использовании водотока весьма сложной задачей становится решение вопроса о месте водозабора воды для ВХС, которая может быть решена только на основе рассмотрения режима использования всего водотока в целом.
В каскаде без регулирования стока добавление еще одной подобной ГЭС увеличивает степень использования водотока, не меняя вид регулирования.
В каскаде с краткосрочным регулированием только верхняя ГЭС каскада перераспределяет равномерный в течение суток приток в неравномерный в соответствии с требованиями графика нагрузки, работая в самой верхней его части. Все последующие ГЭС располагаются, как правило, ниже в пике графика нагрузки, перераспределяя неравномерный график приточности в соответствии с требованиями. При значительных τдоб график Qnp(t) к каждой ГЭС каскада выравнивается.
Почти не сказывается на режиме работы каскадов добавление в него водохранилища с меньшим циклом регулирования стока (по Трег), чем существующие в каскаде. Значительно сложнее влияние добавления в каскад водохранилища с большим Трег, чем существующие. Если дополнительная ГЭС расположена в конце каскада, то режим верхних ГЭС при этом не изменяется. В противном случае может измениться режим работы существующих ГЭС. Например, добавление в качестве верхней ГЭС любого вида регулирования в каскад без регулирования с малым τдоб полностью подчинит режим нижних ГЭС режиму этой станции. Это позволит представлять подобный каскад в водноэнергетических расчетах в виде одной эквивалентной гидроэлектростанции.
Группа ГЭС без гидравлической связи. К этой группе относятся ГЭС, расположенные в разных речных бассейнах. Для этого вида регулирования стока характерны особенности, описанные в § 8.3. Месторасположение их в графике нагрузки может быть определено на основе оптимизационных расчетов на ЭВМ (см. гл. 10 и 11).
Наличие в энергосистеме нескольких ГЭС заставляет учитывать и электрическую связь между ними, а также связь ГЭС с ТЭС и АЭС.
Работа ГЭС на два графика нагрузки. В тех случаях, когда возможна работа ГЭС на два графика Pc1(t) и Pc2(t) по критерию максимального вытеснения ТЭС и АЭС из пиковой части, режимы работы ГЭС могут быть определены с помощью интегральной кривой продолжительности нагрузки.
Каскад двух ГЭС с контррегулированием. Этот вид комплексного использования водотока получает все большее распространение в нашей стране. Верхняя ГЭС обычно высоконапорная, большой мощности, обеспечивает длительное регулирование стока и работает в резкопиковом режиме. Нижняя ГЭС имеет небольшое водохранилище краткосрочного регулирования, располагается вблизи верхней ГЭС и перераспределяет резкопеременный график ее попусков в равномерную отдачу в нижний бьеф каскада в целом, например Саяно-Шушенская и Майнская. При этом одновременно решаются вопросы энергетики и охраны среды в регионе ниже данного каскада. Эти ГЭС имеют очень тесную связь между собой как по напору, так и по расходу и должны рассматриваться в расчетах как особый вид ГЭУ.
По своим задачам такой каскад близок к буферному регулированию стока, в котором нижнее водохранилище осуществляет регулирование стока в своем створе с учетом требований ВХС и возможностей верхней ГЭС.
Компенсирующее водохозяйственное регулирование. Задача этого вида регулирования стока — обеспечение заданного графика расходов в нужном месте и во времени. В этом случае водохранилище располагается в наиболее благоприятном месте с точки зрения его технико-экономических показателей, например в горах, удаленных районах. Своими попусками оно компенсирует недостающий объем расходов в заданном створе ниже по течению реки.
Компенсирующее электрическое регулирование. Задача регулирования — обеспечение максимального вытеснения ТЭС и АЭС из пиковой части графика нагрузки Рс(t) и повышение гарантированной отдачи группы ГЭС без гидравлической связи за счет асинхронности стока и разного вида регулирования на ГЭС. Так, подобную роль в Закавказье обеспечивает Ингурская ГЭС, выравнивающая режим многочисленных ГЭС без регулирования или с краткосрочным регулированием.
Защита от наводнений. Задача регулирования — уменьшить вероятность затопления территорий в нижнем бьефе за счет аккумулирования части стока в водохранилище в период прохождения очень больших расходов. Примерами таких ГЭС являются Хейская и Бурейская на Дальнем Востоке. Срезка максимального пика расходов может осуществляться при этом и за счет значительной форсировки уровня верхнего бьефа.
Каскад ГАЭС. В последнее время появились проработки каскадного использования ГАЭС, например трехбассейновая схема с двумя ГАЭС на большие напоры. Наличие многобассейновой схемы позволяет более гибко использовать возможности каждой станции этого каскада. Для этого каскада необходимо учитывать в расчетах наличие связи режимов по напорам и расходам.
ГЭС на водохранилищах водохозяйственного назначения, в коммунальнобытовых и ирригационных системах. В настоящее время все более актуальным становится вопрос об энергетическом использовании потенциала водохозяйственных систем путем установки на них гидроагрегатов. Режим работы этих ГЭС, как правило, равномерный, и они работают в базисной части графика нагрузки без специальных инженерных решений. Одним из них может быть сооружение малого контррегулирующего водохранилища в нижнем бьефе плотины водохозяйственного назначения.
ГЭУ в составе энергетических комплексов. Интенсификация и рационализация использования водных и энергетических ресурсов ведет к необходимости создания в одном месте нескольких видов станций — АЭС, ТЭС, ГЭУ, связанных между собой технологическим циклом. Крупные ТЭС и АЭС требуют огромного объема воды для осуществления своего технологического цикла. В связи с этим большинство построенных крупных ТЭС и АЭС ориентированы на использование водохранилищ существующих ГЭС. В тех же случаях, когда последних нет, их приходится создавать для обеспечения нормальной работы ТЭС и АЭС. При этом ГЭС и ГАЭС будут призваны выполнять не только присущую им роль в системе, их водохранилища будут выполнять задачи охлаждения технологической воды ТЭС и АЭС, уменьшая уровень теплового загрязнения в регионе.
ГЭУ в составе технологических комплексов. В последнее время начаты разработки схем использования ГЭС с водохранилищами в сочетании с технологическим производством в данном створе: производством жидкого водорода, аммиака, удобрений и т. д. Такие ГЭС по своему назначению полностью подчинены по своим режимам автономному потребителю.
