Каскады ГЭУ представляют собой наиболее общую технологическую схему перераспределения водной энергии во времени и пространстве, ее использования и преобразования несколькими ГЭУ одного или разного типа. Будем называть каскадом ГЭУ совокупность установок разного типа, расположенных на одном водотоке, канале, водоводе, или в одном речном бассейне, или в разных бассейнах и имеющих между собой гидравлическую связь по напору и расходу. Иногда эта связь дополняется организационно-управленческой и электрической связями.
Сооружение каскадов ГЭУ связано с требованиями комплексного использования и охраны водных ресурсов, с необходимостью повышения эффективности энергетического использования водотока, с технологическими и прочими ограничениями использования гидравлической энергии в экономике любой страны. Каскады ГЭУ могут состоять из ГЭС, НС, ГАЭС или ГЭС-ГАЭС разной схемы концентрации напора, вида регулирования стока и мощности. При этом особое значение приобретает вид регулирования и режим работы верхней ГЭС или нижней НС в каскаде ГЭУ.
Каскады плотинных ГЭС могут быть сомкнутые и разомкнутые.
Сомкнутые каскады (рис. 1.12) представляют собой цепочку озер-водохранилищ, уровень воды в которых значительно превышает уровень воды в реке в естественном состоянии. В таких случаях говорят о наличии подпора в нижнем бьефе ГЭС ∆Нподп. Подпор имеет место даже при нулевых расходах ГЭС, что весьма важно для обеспечения многоцелевого использования гидроэлектростанций. На плотинных ГЭС (рис. 1.12, а) подпор достигает 3—10 м.
В разомкнутом каскаде имеются участки реки, находящиеся в течение всего года или части его в естественном состоянии, что ведет к уменьшению степени использования напора водотока на размер потерь ∆Нпот.
Как было сказано выше, в каскадах плотинных ГЭС, особенно сомкнутых, имеющих наибольшее распространение в СССР, существует гидравлическая связь гидроэлектростанций между собой как по расходу, так и по напору: изменение режима одной ГЭС сразу же сказывается на режиме всего каскада. Вследствие этого речь может идти только об оптимизации режима всего каскада ГЭУ в целом.
Рис. 1.12. Технологические схемы каскадов ГЭС
Деривационные ГЭС также могут образовывать сомкнутый или разомкнутый каскад (рис. 1.12, б). В первом случае водозабор нижней ГЭС совпадает с нижним бьефом верхней ГЭС; во втором случае между нижним бьефом верхней ГЭС и водозабором нижней ГЭС есть участок реки в естественном состоянии.
Ихнологическая схема преобразования энергии на каждой отдельной ГЭУ будет соответствовать конкретным схемам, различающимся по способу концентрации напора. Технологическая схема всего каскада будет определяться в режимной части и видом расчетов — длительные или краткосрочные, способом концентрации напора и видом каскада (рис. 1.13). Так, для плотинной схемы в расчетах длительных режимов имеется связь ГЭС в сомкнутом каскаде по расходу и напору при учете боковой приточности и инерционности гидравлических процессов (наличие времени добегания волны расхода между створами). В разомкнутом каскаде имеется связь только по расходу.
В расчетах краткосрочных режимов каскада ГЭС длительного регулирования режимная связь по расходу и напору в рассматриваемом интервале времени практически отсутствует. Другие возможные виды связи ГЭС в каскаде будут рассмотрены ниже при анализе режимных задач.
На рис. 1.14 показаны схемы каскадов НС с водохранилищами, ГАЭС чистого аккумулирования и каскад из двух ГЭС с контррегулированием.
Рис. 1.13. Обобщенная схема преобразования энергии в каскаде ГЭС: а— длительного регулирования: б — краткосрочного регулирования
Рис. 1.14. Схемы каскадов НС. ГЛЭС и ГЭС с контррегулированием: а — технологические схемы каскада; б — обобщенные схемы каскада
Технологическая связь в каскадах НС и ГАЭС осуществляется в темпе времени и по объему попусков. В каскадах ГЭС возможно наличие и более сложных связей: времени добегания, боковой приточности, связи по расходу.
В СССР каскады ГЭС на Волге, Каме, Днепре, Ангаре, Енисее и других реках обеспечивают снабжение водной промышленности, сельского хозяйства, дают дешевую электроэнергию, принимают на себя значительную часть транспортных перевозок и т. д., иными словами, они обеспечивают действительно комплексное использование водных ресурсов. Примером каскадов деривационных ГЭС являются Рионский в Грузии и Севано-Разланский в Армении.
Примерами каскадов насосных станций могут служить капал Москва — Волга, Волго-Донской канал и др.
В последнее время все более широкое распространение находят особые виды каскадов из двух ГЭС с контррегулированием (см. рис. 1.14). Примеры подобных каскадов — Майнская и Саяно-Шушенская ГЭС на р. Енисей, Миатлинская и Чиркейская ГЭС на р. Сулак и др. Верхняя ГЭС в таком каскаде имеет большую мощность и напор и ведет длительное регулирование речного стока и неограниченное краткосрочное регулирование, решая тем самым проблему получения регулирующих мощностей в системе. Нижняя контррегулирующая ГЭС имеет малые мощность и напор и водохранилище, обеспечивающее только суточное-недельное перерегулирование крайне неравномерного режима попусков верхней ГЭС в равномерные, определяемые требованиями экономики региона и охраны окружающей среды.
Эти ГЭС, как правило, близко расположены друг к другу и имеют тесную технологическую связь. Вследствие этого расчет и оптимизация любого режима таких ГЭС может осуществляться лишь при их совместном рассмотрении.
При малом времени добегания волны расходов между створами этих ГЭС и отсутствии боковой приточности в водохранилище нижней ГЭС (см. рис. 1.13) подобный каскад можно представить в виде одной ГЭУ с последовательно-параллельным включением агрегатов при специфических правилах управления ими (см. рис. 1.14).
