Энергетические характеристики ГЭУ при оптимизации краткосрочных режимов

Страница 15 из 18

Глава 10
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ГЭУ ПРИ ОПТИМИЗАЦИИ КРАТКОСРОЧНЫХ РЕЖИМОВ

10.1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Одной из основных особенностей суточного (недельного) графика нагрузки современных энергосистем является его неравномерность, что определяет особые требования к режиму электростанций. Так, в периоды максимума нагрузки все электростанции загружаются полностью, за исключением резервных агрегатов, все остальное время в течение суток нагрузка системы меньше максимальной.
В связи с этим необходимо определить оптимальное число и состав оборудования электростанций, включенного под нагрузку, а также рациональный способ ее распределения, т. е. решить задачу, похожую на рассмотренную в гл. 6. Однако задача оптимизации краткосрочного режима энергосистемы значительно сложнее задачи оптимизации внутристанционного режима ГЭС из-за большой размерности, разнообразия типов электростанций, участвующих в покрытии нагрузки энергосистемы, сложности учета влияния режимов разных электростанций друг на друга, многочисленности факторов, определяющих эффективность режима электростанций, нелинейности используемых зависимостей, огромного числа различных уравнений связи и ограничений режимов станций типа неравенств и т. д. Для ГЭС, кроме того, должны учитываться требования к режиму, предъявляемые ВХС.
Задачу оптимизации нормального краткосрочного режима энергосистемы следует отнести к векторным, целочисленным, многоэкстремальным задачам нелинейного программирования.
Дополнительные сложности вносит учет вероятностного характера исходной информации при прогнозировании оптимальных краткосрочных режимов энергосистемы.
С целью упрощения решения используют различные математические приемы. Так, для уменьшения размерности задачи, с учетом сложившейся структуры управления в энергетике, используется метод агрегирования, который заключается в том, что в качестве основных элементов энергосистемы рассматриваются не отдельные энергоблоки, а электростанции в целом. При этом задача внутристанционной оптимизации режимов этих станций предполагается решенной.
Для упрощения сложной задачи можно использовать метод декомпозиции, с помощью которого сложную задачу можно разделить на ряд более простых. Учет требований ВХС и охраны окружающей среды в ряде случаев превращает задачу краткосрочной оптимизации в неформализуемую. Решение последней возможно с привлечением методов квалиметрии.
Следует отметить, что вся исходная информация, используемая в расчетах, обладает некоторой погрешностью. Поэтому любой получаемый в расчетах краткосрочного режима энергосистемы результат следует рассматривать только как наиболее вероятный.
Все сказанное выше относилось к так называемой эксплуатационной задаче, или задаче планирования суточных режимов энергосистемы в условиях автоматизированной системы диспетчерского управления (АСДУ). Для проектной задачи такая детализация при учете особенностей режимов электростанций не требуется, и для нее достаточно учитывать приближенное распределение нагрузки между станциями энергосистемы. Нагрузку можно считать заданной в одном эквивалентном узле. Суточный график нагрузки можно представлять в виде кривой продолжительности и т. д.
Обе задачи — и эксплуатационная, и проектная не имеют решения в общем виде. Оно может быть получено только численными методами, корректное применение которых во многом определяется постановкой задачи. Не менее важно во избежание грубых ошибок знать физический смысл получаемого решения.
Основной задачей данной главы является рассмотрение энергетических особенностей и характеристик разных типов ГЭУ, участвующих в оптимизации краткосрочного режима энерговодохозяйственной системы, и анализ необходимых условий оптимального использования ГЭУ в течение суток (недели).

10.2. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ГЭУ В РАСЧЕТАХ КРАТКОСРОЧНЫХ РЕЖИМОВ

Основной задачей регулирования краткосрочных нормальных режимов работы энергосистем является поддержание баланса между производством и потреблением энергии при заданных допустимых пределах колебания частоты и напряжения при обеспечении покрытия нагрузки наиболее экономичным способом, т. е. требуется найти такое число и состав работающих электростанций (ТЭС, АЭС, ГЭУ и других видов электростанций) и так распределить нагрузку между ними, чтобы обеспечить выполнение заданного критерия оптимальности.
Наиболее общим одноцелевым критерием экономичности работы смешанной энергосистемы в настоящее время является минимум издержек или его частный случай — минимум расхода условного топлива за сутки (неделю).
Предполагается, что колебания нагрузки при нормальных режимах могут быть двух видов: регулярные с периодом в несколько часов (суток) и нерегулярные, случайные с периодом от долей секунды до нескольких минут.
Неравномерность суточного графика в основном определяют регулярные колебания нагрузки, влияя на максимум и минимум нагрузки в течение суток, а также на изменение графика потребления энергии в течение недели. В настоящее время достаточно разработаны способы прогнозирования регулярной нагрузки. В частности, в крупных системах отклонение планируемых графиков регулярной нагрузки на следующие сутки от реальных, как правило, не превышает 2—3 % максимума суточной нагрузки, что позволяет производить расчет режима системы для следующих суток (недели) практически при однозначно заданной регулярной нагрузке.
Нерегулярные колебания нагрузки покрываются за счет резервов энергосистемы. Поскольку относительная амплитуда и длительность нерегулярных колебаний нагрузки в современных крупных энергосистемах весьма малы, влиянием их на оптимальные показатели режима системы можно пренебречь. Таким образом, для современных условий задачей экономичного распределения нагрузок энергосистемы является необходимость покрытия медленно изменяющейся или регулярной нагрузки. В связи с этим можно считать режим большинства станций установившимся. Это позволяет использовать в расчетах технологические или мгновенные (линейные или фазовые) характеристики энергетического оборудования, выдаваемые заводами-изготовителями для условий установившегося режима.
Однако технологический процесс преобразования энергии на ГЭУ описывается не только энергетическими характеристиками оборудования, но и характеристиками бьефов и водопроводящих сооружений.
В расчетах краткосрочных режимов в большинстве случаев могут использоваться характеристики водопроводящих сооружений, соответствующие установившемуся режиму (см. гл. 3). Только для переходных режимов, соответствующих пуску-остановке агрегата или значительному изменению его нагрузки, может потребоваться учет динамических процессов в водопроводящих сооружениях. Однако эта задача относится к ведению оперативного режима ГЭУ в реальном времени, который здесь не рассматривается.
Характеристики бьефов в виде кривых объемов (для верхнего бьефа) и кривых связей (для нижнего бьефа) обычно строятся для установившихся режимов работы с периодом осреднения не менее суток (недели). Поэтому иногда в краткосрочных режимах необходимо использовать динамические характеристики или математические модели бьефов для неустановившихся режимов с расчетным интервалом около 1 ч. Конечно, это значительно усложняет расчет режимов энергосистемы с ГЭУ, а неучет неустановившихся режимов бьефов для низконапорных станций, участвующих в регулировании нагрузки, приводит к существенным ошибкам при оценки эффективности работы энергосистемы в целом. Особенно это сказывается при учете требований участников ВХС к режиму бьефов ГЭУ. а также при каскадном использования недотока гидростанциями, работающими на одни общий график нагрузки.

Теоретически оптимум работы энергосистемы соответствует экономичному распределению активных и реактивных нагрузок одновременно.

Поскольку эта оптимизационная задача очень сложна, ее принято делить на две задачи: распределение активных и реактивных нагрузок. В практических расчетах часто достаточно решения задачи распределения активных нагрузок. При этом предполагается, что если напряжение в заданных узловых точках сети находится в допустимых пределах, то обеспечивается и решение задачи оптимального распределения реактивных нагрузок.
Проанализируем энергетические особенности разных типов ГЭУ, участвующих в оптимизации краткосрочного режима энерговодохозяйственной системы.
ГЭС без регулирования стока. Режим этих станций полностью определяется гидрографом приточности к створу ГЭС, из-за чего они не могут вести регулирование нагрузки, если не считать возможности восприятия ее кратковременных толчков.
Для рек снегового и ледникового питания приток воды к створу ГЭС в течение суток (недели) постоянен, поэтому в расчетах можно пользоваться обычной кривой связи нижнего бьефа. Напоры этих ГЭС практически не изменяются в течение суток (недели).
Для рек дождевого питания и малых ГЭС приток воды к створу станции может существенно изменяться в течение суток (недели), и для соблюдения баланса расходов в бьефах требуется решение дополнительной задачи оптимизации маневрирования затворами водосливов ГЭС. Модель нижнего бьефа должна учитывать неустановившийся режим уровней.
Для таких станций водноэнергетические расчеты проводятся при постоянных отметках верхнего бьефа и заданной приточности к створу. Полученный при этом график отдачи ГЭС по мощности вычитается из нагрузки системы (базисный режим работы).
При наличии нескольких ГЭС на разных водотоках подобные расчеты следует провести для каждой из них. Для каскада ГЭС без регулирования необходим учет надпора и времени добегания расхода между створами, если оно является значительным по сравнению с расчетным периодом (сутки, неделя). Когда же оно мало, то им можно пренебречь и считать, что изменение расхода на верхней ГЭС «мгновенно» сказывается на значении притока к нижней станции. Этот случай характерен для каскада на горных реках и для малых ГЭС, работающих па энергосистему. Иногда учитывается и зависимость τдоб от расходов.
Если время добегания между створами постоянно или им можно пренебречь, то целесообразно построить эквивалентную характеристику всего каскада и пользоваться ею как характеристикой для одиночной ГЭС. Последовательность построения эквивалентной расходной характеристики каскада двух ГЭС без регулирования стока припредставлена на рис. 10.1; ГЭС — двухагрегатные и для них заданы расходные характеристики при zв.б=const.
Зададимся каким-либо расходом в нижнем бьефе ГЭС1:
Тогдаи по характеристике ГЭС1 этому расходу соответствует

ГЭС краткосрочного регулирования. В общем случае для этих ГЭС характерны значительные изменения уровней бьефов в течение суток (недели). Для расчетов краткосрочных режимов системы с такими ГЭС, особенно низконапорными, следует пользоваться технологическими или мгновенными характеристиками оборудования, водопроводящих сооружений и учитывать нестационарные процессы в бьефах. Для высоконапорных станций изменениями напора в течение суток (недели) можно пренебрегать. В периоды паводка и половодья ГЭС краткосрочного регулирования могут не участвовать в регулировании нагрузки, работая в базе графика нагрузки с максимально возможной по напору мощностью. Для этих периодов можно пользоваться обычными кривыми связей бьефов для установившегося режима.
Для нескольких ГЭС без гидравлической связи определение оптимального краткосрочного режима аналогично решению задачи для систем с одной ГЭС. Учет этих станций будет производиться в балансе мощностей системы.
Во всех рассмотренных случаях для каждой ГЭС известен объем стока, проходящего через данный створ за сутки (неделю).
Для каскадной схемы ГЭС краткосрочного регулирования справедливы те же положения, которые описаны для станций, работающих по водотоку, — необходимость учета времени τдоб, если оно меньше суток (недели), зависимость τдоб от расхода. Однако есть и свои особенности. В частности, для ГЭС краткосрочного регулирования режим приточности имогут резко отличаться друг от друга. Вследствие этого даже при постоянной приточности к верхней станции режимможет быть резкопеременным, что влияет на режим всего каскада.

Рис. 10.1. Построение эквивалентной расходной характеристики каскада двух ГЭС
Если τдоб=0 и водохранилище ГЭС1 наибольшее в каскаде,
то станция работает и пике графика нагрузки с резкопеременным режимом расходов в нижнем бьефе. Иногда нижние ГЭС каскада из-за меньших объемов водохранилища будут вынуждены работать с. Вероятность этих сбросов, конечно, уменьшается при прочих равных условиях при переходе от одной ГЭС к другой вниз по течению.

ГЭС длительного регулирования. Цикл регулирования этих ГЭС больше, чем сутки (неделя), поэтому объем стока, проходящего за краткосрочный период через створ ГЭС, определяется из расчетов длительного режима. Уровень zв.б таких водохранилищ в течение суток (недели) практически постоянен, время добегания τдоб обычно значительно. Вследствие этого в расчетах краткосрочных режимов каскада режимы отдельных ГЭС можно иногда считать взаимонезависимыми. Для высоконапорных ГЭС иногда можно пренебречь изменениями уровня нижнего бьефа в краткосрочных режимах или учитывать его приближенно по кривой связи нижнего бьефа.
Группа ГЭС разного вида регулирования. Если ГЭС разного вида регулирования расположены на разных водотоках, то для расчетов краткосрочных режимов систем следует учитывать условия, приведенные выше. Это также относится и к верхней ГЭС каскада. В расчеты каскада ГЭС следует внести изменения, определяемые особенностями конкретного каскада. Например, если каскад состоит из двух ГЭС: ГЭС1 с регулированием стока и ГЭС2 — без регулирования, то для малых значений τдоб режим ГЭС2 будет зависеть от режима ГЭС1. ГЭС2 не участвует в регулировании нагрузки, но выработка ее полностью определяется режимом ГЭС 1, и заранее ее нельзя учесть в графике нагрузки.
Требования ВХС к суточно-недельному режиму ГЭС, как правило, сводятся к необходимости соблюдения заданного режима попусков или уровней, которые иногда не совпадают с оптимальным энергетическим использованием ГЭС в энергосистеме. В этих случаях возможна или оптимизация энергетического использования только части стока при одноцелевом критерии, или векторная оптимизация использования всего стока.
Для ГЭС, работающих на изолированную нагрузку, основным критерием оптимальности следует считать минимум расхода энергопотенциала.
ГЛЭС краткосрочного регулирования. Как правило, ГАЭС строятся на высокие напоры, которые незначительно изменяются в течение суток (недели), и для них характерны небольшие объемы водохранилищ. Это позволяет использовать в расчетах краткосрочных режимов статические кривые связи объемов и уровней бьефов. Энергетическое оборудование и водопроводящие сооружения представляются технологическими или мгновенными характеристиками.
В расчетах насосных режимов следует учитывать особенности установленного оборудования. Так, для обратимых радиально-осевых агрегатов в насосном режиме возможна реализация только двух значений мощности — полная или нулевая. Незначительное изменение полной мощности возможно из-за вариаций уровней бьефов.
Для ГАЭС общего вида дополнительно необходимо учитывать изменение приточности и бьефов во времени.
ГАЭС длительного регулирования и ГЭС-ГАЭС. Для таких ГЭУ в течение суток (педели) напоры можно принимать постоянными. Сток через ГАЭС определяется на основе расчетов длительных режимов.
Для каскадов ГЭС-ГАЭС справедливы изложенные выше положения для ГЭУ соответствующих типа и вида регулирования стока.
Приливные электростанции. ПЭС имеют малые напоры и незначительный цикл регулирования (несколько часов), в течение которого существенно изменяются как напоры, так и режимы станции (турбинный — насосный).
Без специальных мероприятий однобассейновые ПЭС ограниченно участвуют в регулировании нагрузки системы, работая в основном в базисном режиме. Основной критерий оптимальности — максимум выработки ПЭС.
В качестве характеристики моря используется мареограмма бассейна — статическая кривая связи его объемов и уровней. Энергетическое оборудование представляется мгновенными характеристиками.
Насосные станции. НС обычно работают по заданному графику подачи, определяя собой базисную нагрузку системы.
Расчет режима НС следует производить по мгновенным характеристикам водопроводящих сооружений и энергетического оборудования с учетом его технологических особенностей.
Если насосная станция работает в системе канал — канал, то ее напор постоянен. Для системы водохранилище—водохранилище в зависимости от вида регулирования, напора и относительного объема водохранилищ следует учитывать изменение уровней бьефов по статическим или динамическим характеристикам.
Основной критерий работы НС в системе — минимум потребляемой энергии при заданном объеме или графике подачи во времени.