1.2. ОБОБЩЕННАЯ МОДЕЛЬ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ НА ГИДРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВКАХ
Гидроэнергетические установки весьма разнообразны по своему типу, способу концентрации напора, гидравлическим схемам, режимным и другим показателям. Вследствие этого невозможно дать общие рекомендации для решения задачи эффективного использования гидроэнергетических ресурсов всех видов. Решение указанной задачи должно максимально учитывать конкретные особенности каждой ГЭУ.
Но сам процесс преобразования энергии на ГЭУ в общем случае достаточно сложен и не может быть изучен иначе, как с позиций системного подхода. Для этого подхода характерно деление всего технологического процесса на ГЭУ на несколько отдельных, но взаимосвязанных этапов, объединенных общей целью эффективного использования гидроэнергетических ресурсов, раздельное, а затем совместное изучение особенностей этих этапов. Выделение этих этапов позволяет значительно упростить проблему изучения режимных особенностей ГЭУ и повысить эффективность использования гидроэнергоресурсов.
Используя системный подход, можно также разделить все виды потерь энергии на ГЭУ на две категории — технологические и режимные. К первой категории будут относиться те неизбежные виды потерь энергии, которые определяются данной технологической схемой и не зависят или мало зависят· от времени и являются общими для разных типов ГЭУ. Технологические потери энергии присущи каждому элементу процесса преобразования энергии на ГЭУ, взятому отдельно, вне связи с другими элементами. Уменьшение этих потерь связано с повышением эффективности технологии проектирования, строительства и эксплуатации ГЭУ, в том числе с улучшением гидравлических показателей компонентов ГЭУ за счет повышения качества строительных материалов и конструкции гидроузла, включая и гидроагрегат в целом. Для каждого из отмеченных видов потерь энергии первой категории можно получить обобщенные энергетические· характеристики и использовать их в оптимизационных расчетах.
Технологические потери энергии на ГЭУ, в свою очередь, разделяются на агрегатные и общестанционные. Первые определяются только режимом работы основного элемента любой ГЭУ — гидроагрегата в данный момент времени (потери энергии в турбине, генераторе, блочном водоводе и т. д.). Вторые зависят от режима работы всех агрегатов и ГЭУ в целом (потери в верхнем и нижнем бьефах, деривации, общих водоводах, за счет холостых сбросов воды и т. д.). Отсюда следует необходимость разного подхода к этим видам потерь с точки зрения как. технологии описания процесса, так и математической.
Режимные потери энергии и мощности определяются показателями работы всей ГЭУ в целом, включая водохранилище. Эти потери, базируясь на технологических характеристиках элементов ГЭУ, позволяют учесть общестанционные потери мощности в данный момент времени на основе выбора оптимального числа и состава работающих агрегатов и водопроводящих сооружений гидроузла, а также режимные потери энергии и мощности во времени, связанные с изменением фактора интенсивности энергоресурсов — напора от режима станции и явлением последействия. Последние виды потерь связаны как с динамическими гидравлическими процессами на ГЭУ, так и с изменением режима водохранилищ и самой ГЭУ во времени. Все эти виды потерь энергии должны учитывать технологические особенности ГЭУ в целом, а также ее бьефов, математические модели притока воды к ГЭУ, отборы и потери воды на гидроузле в целом.
Для оценки эффективности работы ГЭУ и ее элементов необходимо использовать как абсолютные, так и удельные и дифференциальные показатели ее режима. Абсолютные показатели (мощность, напор, расход, выработка и т. д.) позволяют оценить в целом сравнительную эффективность режима ГЭУ; они являются основой численных расчетов на ЭВМ. Удельные показатели (отношения абсолютных показателей) позволяют оценить так называемую материалоемкость технологического процесса ГЭУ — один из важнейших показателей эффективности работы любого предприятия. Дифференциальные показатели более чувствительны к изменению показателей режима и широко используются в оптимизационных расчетах, особенно при аналитическом решении разных задач.
В целом задача оптимального использования гидроэнергопотенциала на самой ГЭУ может быть представлена следующим образом.
Для разработки обобщенной технологической модели ГЭУ были проанализированы все схемы, представленные в § 1.1. Анализ этих схем показал, что все они обладают теми или иными этапами, присущими наиболее сложному виду ГЭУ — каскаду деривационных гидроэлектростанций (см. рис. 1.2 и 1.12).
Рис. 1.18. Обобщенная технологическая модель ГЭУ с водохранилищем
Для указанного типа ГЭУ обобщенная технологическая модель (рис. 1.18) состоит из следующих этапов: 1 — «заготовка» энергоресурса и его транспорт к гидроузлу в целом; 2 — хранение и перераспределение энергоресурса во времени; 3 и 4 — транспорт энергии к гидроагрегату по деривации и напорным водоводам; 5 — преобразование энергии в гидроагрегате; 6 — отведение воды или энергоносителя от гидроагрегата; 7 — отведение воды или энергоносителя от ГЭУ в целом.
Все эти этапы по своим технологическим особенностям являются относительно самостоятельными и связаны друг с другом общим фактором — расходом (стоком) воды, проходящей через ГЭУ. Это позволяет вначале проанализировать особенности каждого этапа в отдельности и затем учесть их при построении эффективной схемы использования гидроэнергопотенциала на ГЭУ в целом.
Для схемы на рис. 1.18 баланс мощности и энергии будет иметь следующий вид:
Каждому этапу технологического процесса на ГЭУ присущи свои показатели и характеристики, зависящие от конкретного вида станции и ее особенностей. В последующих главах будет дан анализ каждого этапа технологического процесса на ГЭУ с точки зрения его энергетических характеристик и возможности уменьшения режимных и технологических потерь на гидростанции. Исключение составляет 1-й этап, энергетические и гидравлические особенности которого рассматриваются в курсе «Инженерная гидрология». В данном учебнике гидроэнергоресурсы считаются заданными однозначно на рассматриваемом интервале времени. Некоторые технологические особенности 1-гo этапа учитываются в виде необходимости учета «транспорта» воды в каскаде между гидроузлами (наличие времени добегания волны расхода между заданными створами).
Для НС и насосного режима высоконапорных ГАЭС в общем случае также справедлива схема рис. 1.18. Однако здесь направление расхода обратное; отсутствуют холостые сбросы воды; не всегда имеется деривация (канал) или водохранилище в верхнем бьефе; практически отсутствуют потери расхода.
Для русловых ГЭС отсутствуют 3-й, 4-й и 5-й этапы, для приплотинных — 3-й и в большинстве случаев — 6-й этапы (присутствует в подземных ГЭС).
Для каскадов ГЭС 1-й этап соответствует транспорту воды от- верхней ГЭС к водохранилищу нижней с учетом боковой приточности.
Приливные станции в турбинных и насосных режимах не имеют 3-го, 4-го и 6-го этапов, а 1-й и 2-й этапы совмещены в один — «заготовка» энергоресурса и транспорт его к ГЭУ.
Волновые электростанции имеют только один этап — 5-й. Этап транспорта энергии здесь вырождается в установку агрегатов станции в направлении, перпендикулярном фронту волн для получения максимальной отдачи волновой энергии.
Для малых гидроэлектростанций присущи все этапы, что и для обычных ГЭС, однако показатели и характеристики их будут отличаться. В основном это касается большой чувствительности показателей ГЭС к изменению их режима.
Кроме того, разные виды ГЭУ будут характеризоваться разными коэффициентами использования напора и расхода в целом, а следовательно, и КПД в использовании гидроэнергоресурсов.
