Глава четвертая
ОСНОВНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ РЕЖИМА РАБОТЫ ГИДРОУЗЛОВ И ИХ ОЦЕНКА
4-1. Гарантированная отдача гидроузлов
Под гарантированной отдачей гидроузла подразумевается такая его отдача, которая с заданной надежностью (обеспеченностью) удовлетворяет требования водопотребителей и водопользователей в многолетнем разрезе [Л. 40].
Под гарантированной отдачей водохозяйственной системы подразумевается некоторая совокупная отдача ее гидроузлов, которая с определенной надежностью (иной, чем у отдельных гидроузлов) может удовлетворять требования водопотребителей и водопользователей системы в многолетнем разрезе. При сохранении неизменной надежности (обеспеченности) абсолютная величина отдачи системы возрастает по сравнению с суммой гарантированных отдач отдельных гидроузлов при изолированной работе [Л. 21, 55, 67, 76].
В зависимости от назначения гидроузла его гарантированная отдача может быть выражена: 1) некоторой величиной и обеспеченностью поступающего в нижний бьеф расхода воды для нужд водного транспорта, рыбного, лесного хозяйства и др.; 2) величиной забираемого из верхнего бьефа объема воды для ирригации, водоснабжения и пр.; 3) при наличии в составе гидроузла гидроэлектростанции — количеством гидравлической энергии, используемой в расчетных маловодных условиях для участия в покрытии графика нагрузки энергосистемы во время прохождения ее максимума; 4) совокупностью указанных величин в комплексных гидроузлах; 5) общей величиной гидравлической энергии ГЭС, получаемой от каскадов гидроэлектростанций, расположенных на разных реках и работающих в одной энергосистеме. При этом роль каждого гидроузла в системе и взаимосвязь режимов их работы регламентируется (или оптимизируется) с целью достижения максимальной величины совокупной гарантированной отдачи ГЭС системы. Оптимальность такого решения обосновывается тем, что величина совокупной гарантированной отдачи ГЭС энергосистемы определяет собой необходимую величину заменяемых в ней мощностей тепловых (или атомных) электростанций. Сокращение же установленных мощностей последних ведет к общему уменьшению капитальных вложений в системе. Это происходит, потому что указанное повышение гарантированных мощностей ГЭС в системе достигается только за счет оптимизации режимов их работы, т. е. без дополнительных вложений в установленные мощности гидроэлектростанций.
В общем случае гарантированная отдача гидроузлов определяется величиной полезной емкости их водохранилища, размером и распределением притока воды в реке во времени. При сезонном регулировании величина гарантированной отдачи определяется притоком воды в реке к данному гидроузлу или к группе гидроузлов каскада или системы за расчетную маловодную межень и полезной емкостью 'водохранилищ, срабатываемой в течение указанной межени.
При многолетнем регулировании стока величина гарантированной отдачи определяется притоком воды к гидроузлам за расчетный n-летний период (критический период сработки и наполнения водохранилищ) и полезной емкостью водохранилищ, срабатываемой и затем наполняемой в течение этого периода времени. При известных параметрах речного стока и заданной надежности (обеспеченности) величина гарантированной отдачи может быть определена однозначно для каждого из рассматриваемых значений полезной емкости водохранилища. При многолетнем регулировании стока для этой цели могут быть использованы известные номограммы для определения полезной емкости водохранилищ многолетнего регулирования стока [Л. 21, 40, 51 и др.]. Когда в составе гидроузла имеется гидроэлектростанция, размер гарантированной отдачи, помимо указанных выше факторов, зависит также и от напора ГЭС. Расчет гарантированной энергоотдачи, особенно при многолетнем регулировании стока, производится по календарным гидрологическим рядам, наблюденным или искусственным, смоделированным методом Монте-Карло [Л. 21, 64]. Это дает возможность учесть снижение напора при сработке водохранилища и связанное с ним нарастание интенсивности расходования воды, аккумулированной в его полезной емкости, а также сложное взаимодействие гидроэлектростанций в энергосистеме.
При проектировании гидроузла его гарантированная отдача оценивается и экономически обосновывается для каждого варианта нормального подпорного уровня (НПУ), а экономический эффект от использования этой отдачи в системе является исходным материалом при выборе проектного значения НПУ. Для каждого из сопоставляемых вариантов гарантированной отдачи гидроузла соответствующая величина полезной емкости водохранилища расходуется в течение критического периода регулирования. Для оценки величины гарантированной отдачи группы гидроузлов системы необходимо сработать полезную емкость их водохранилищ в оптимальном порядке и с необходимой интенсивностью в течение некоторого общего расчетного маловодного периода [Л. 57, 76].
Для условий, когда выбраны основные параметры гидроузла (НПУ, полезная емкость водохранилища, установленная мощность ГЭС) и когда задана обеспеченность его гарантированной отдачи, абсолютная величина ее, рассматриваемая как объем зарегулированного стока или энергии, определяется однозначно. Однако величина гарантированной отдачи, как правило, не расходуется равномерно в течение года, а изменяется в соответствии с графиком потребления и в развивающейся системе может быть переменной также и из года в год.
Под понятием «развитие водохозяйственной системы» подразумеваются рост водопотребления b связанные с ним изменения во времени (чаще всего увеличение) требований водо- и энергопотребителей к использованию водных ресурсов рек, а также изменения, происходящие в самой водохозяйственной системе: строительство новых гидроузлов, начальное заполнение их водохранилищ, ввод новых агрегатов на существующих или строящихся ГЭС и т. п. Для удовлетворения изменяющихся во времени требований потребителей гидроузлы работают в режиме, обеспечивающем необходимое перераспределение во времени гарантированной отдачи. При проектировании гарантированная отдача распределяется во времени на основании данных о перспективе развития энергосистемы в условиях эксплуатации в соответствии с конкретной обстановкой в системе.
Если развитие системы соответствует проектным предположениям и последние достаточно детально разработаны, то в каждый интервал времени планируемого периода введенная мощность гидроэлектростанций и вырабатываемая ими энергия полностью используются в балансах мощности и энергии системы, а водопотребители полностью получают выделенную им воду. Для использования с требуемой надежностью установленной мощности гидроэлектростанций и проектной производительности водопотребителей, найденных в результате решения структурной задачи, необходимо обеспечение в условиях расчетного маловодного периода соответствующей величины выработки энергии и отдачи воды, т. е. гарантированной отдачи.
В развивающейся водохозяйственной и энергетической системе установленная мощность гидроэлектростанций и производительность водопотребителей может возрастать во времени- На некотором этапе развития системы установленная мощность гидроэлектростанций увеличивается как за счет числа введенных гидроэлектростанций, так и за счет количества установленных на отдельных станциях агрегатов и повышения подпорной отметки во время начального наполнения водохранилищ.
Для использования возрастающей установленной мощности гидроэлектростанций и производительности водопотребителей системы требуется соответствующее увеличение общей гарантированной отдачи системы. При наличии в системе емкостей водохранилищ, достаточных для сезонного регулирования, рост общей гарантированной отдачи гидроузлов из года в год может происходить лишь в процессе начального наполнения водохранилищ или за счет увеличения числа введенных в эксплуатацию гидроузлов. При многолетнем регулировании стока нарастание гарантированной отдачи внутри периода регулирования из года в год возможно также и за счет изменения режима сработки полезной емкости водохранилищ во время их нормальной эксплуатации. Общая гарантированная энергия гидроэлектростанций, суммарная за расчетный период регулирования, при этом остается близкой к некоторой постоянной величине, изменяющейся только в зависимости от режима напоров гидроэлектростанций. Отыскание оптимального режима изменения гарантированной отдачи во времени и необходимого для этого режима сработки и наполнения полезной емкости водохранилищ производится при проектировании в составе задачи оптимизации структуры водохозяйственной и энергетической системы.
В условиях эксплуатации в отличие от проектных предположений в зависимости от особенностей развития системы точного соответствия мощности гидроэлектростанции и производительности водопотребителей потребностям системы может и не быть, т. е. в системе появляются избытки и дефициты мощности, энергии и воды. В связи с этим в эксплуатационных условиях как в период начального наполнения водохранилищ, так и после окончания его для использования меньшей, чем проектная, установленной мощности ГЭС и производительности водопотребителей и водопользователей требуются сниженные (по сравнению с проектной) гарантированная отдача и полезная емкость водохранилищ.
В этом случае часть уже созданной полезной емкости водохранилищ может использоваться для перерегулирования избытков речного стока и гидроэнергии. При наличии значительных избытков мощности в энергосистеме гарантированная отдача ГЭС определяется максимально допустимой разгрузкой других электростанций системы (КЭС, ТЭЦ).
При наличии значительных дефицитов воды, мощности и энергии в системе возникает задача оптимального распределения этих дефицитов между отдельными водопотребителями и водопользователями, т. е. выявления оптимальных соотношений между нормальными и сниженными величинами гарантированных отдач системы и их обеспеченностями. Поскольку под гарантированной отдачей подразумевается отдача гидроузлов, которая может быть выдана системе с заданной обеспеченностью в многолетнем разрезе, такая отдача характеризуется как абсолютной величиной, так и надежностью (обеспеченностью).
Обеспеченность гарантированной отдачи, как известно, оценивается несколькими способами: 1) по числу бесперебойных лет; 2) по продолжительности работы гидроузла с гарантированной отдачей в длительном гидрологическом ряду; 3) по отношению суммарной фактической величины отдачи к сумме гарантированных бесперебойных отдач за длительный ряд лет [Л. 44, 57]. Величина отдачи, ее обеспеченность и отношение фактической отдачи к гарантированной полностью характеризуют гарантированную отдачу при одноступенном плане регулирования стока, т. е. тогда, когда снижение отдачи за пределами заданной ее обеспеченности не лимитируется и соответствует бытовому притоку к водохранилищу.
При двух- и многоступенном плане регулирования для полной характеристики гарантированной отдачи требуется знать величину и обеспеченность сниженной отдачи, которая выдается системе за пределами обеспеченности гарантированной отдачи. Сниженная отдача обычно определяется резервами системы и чаще всего назначается при двухступенном плане регулирования бесперебойной в ряду наблюдений и с очень высокой обеспеченностью — в искусственном гидрологическом ряду большой продолжительности. Отношение сниженной отдачи к гарантированной при известных обеспеченностях каждой из них — важнейшая характеристика отдачи гидроузла при двухступенном плане регулирования.
При наличии нескольких потребителей режим работы гидроузлов характеризуется несколькими гарантированными и сниженными отдачами и соответствующими значениями их обеспеченности.
Для существующих гидроузлов, т. е. при некоторой фиксированной величине суммарной полезной емкости их водохранилищ, увеличение гарантированной отдачи приводит к снижению се обеспеченности или к уменьшению сниженной отдачи и ее обеспеченности. Снижение величины гарантированной отдачи повышает ее обеспеченность и позволяет увеличить сниженную отдачу и ее обеспеченность. В эксплуатационных условиях возможность снижения гарантированной отдачи при неизменной ее обеспеченности позволяет уменьшить необходимую полезную емкость водохранилищ и тем самым несколько повысить напоры ГЭС и в ряде случаев увеличить выработку энергии на ГЭС (если это снижение емкости не приводит к увеличению вероятно тп холостых сбросов или если последнее экономически оправдано).
В том случае, когда требования водо- и энергопотребителей в системе не достигли своего номинального значения, определенного при проектировании системы для данного состава гидроузлов в ней, водохозяйственная система является избыточной, т. е. гарантированная отдача гидроузлов в системе частично может не использоваться. Для таких потребителей, как ирригация, это означает не только снижение по сравнению с расчетным размером нормального водозабора в ирригационную сеть, но и увеличение ее обеспеченности и размеров сниженной отдачи. Для таких потребителей, как гидроэнергетика, в этих условиях при эксплуатации возникает и дополнительная задача оптимального использования избытков гидроэнергии, аналогичная задаче использования энергии реки в течение цикла многоводных лет. Для всех водопотребителей и водопользователей в этих условиях необходимо решение задачи использования водохранилищ системы дляперераспределение во времени не только их гарантированной отдачи, но и избытков гидроэнергии в соответствии с изменяющимися во времени требованиями водо- и энергопотребителей.
Как уже указывалось, при известных параметрах введенных в эксплуатацию гидроузлов системы физическая величина их гарантированной отдачи, рассматриваемой как объем зарегулированного стока за критический маловодный период (которая называется гарантированной отдачей в статической задаче), определяется однозначно с помощью существующих методов по календарному или искусственному гидрологическому ряду. В том случае, когда требования водо- и энергопотребителей в системе превысили свое нормальное значение, определенное при проектировании для данного состава гидроузлов, водохозяйственная система становится дефицитной. В такой системе удовлетворение растущих требований водо- и энергопотребителей с заданной надежностью (обеспеченностью) становится невозможным, и до ввода новых гидроузлов возникает задача установления порядка ограничения потребителей, т. е. пересмотр величин нормального и сниженного потребления воды отдельными участниками комплекса и их обеспеченностей.
Таким образом, величины гарантированной и сниженной отдач гидроузлов, их расчетные обеспеченности и порядок расходования избытков воды и энергии как в избыточных, так и в дефицитных условиях целесообразно пересматривать с изменением условий в системе (с ростом потребностей в воде и энергии, с вводом новых водохранилищ и др.).
В динамических задачах оценка обеспеченности гарантированной отдачи гидроузла в течение некоторого периода развития системы Тр представляет собой оценки обеспеченности гарантированной и сниженных отдач для отдельных моментов развития системы (месяц, сезон, год) по совокупности п- летних периодов, где п= Тр + Тк (Л. 58, 59]. При этом в качестве гарантированной отдачи рассматривается некоторая функция времени a(t), где t=0 — Тр.
Разновидностью этого способа оценки обеспеченности отдачи в динамических задачах является оценка по суммарным или средним величинам отдач за весь период развития системы Тр. Как в том, так и в другом случае число членов ряда величин отдач равно числу периодов регулирования, достаточному для оценки обеспеченности с заданной точностью. Каждый период регулирования больше или равен длине периода развития системы.
Наиболее точной из указанных является обеспеченность отдачи для каждого месяца периода развития системы. При определении обеспеченности отдачи за более продолжительные интервалы времени теряется представление о продолжительности и размере снижения гарантированной отдачи в отдельные моменты времени.
Оценка величины отдачи гидроузла заданной обеспеченности производится в следующем порядке:
- Отбираются расчетные гидрологические периоды из наблюденных или смоделированных гидрологических рядов [Л. 57]. Расчетные периоды регулирования имеют различную продолжительность, определяющуюся чередованием водности лет и соотношением потенциальной и зарегулированной энергии в периоде регулирования. Поэтому моделирование расчетных периодов может производиться только по методике, не требующей априорного знания продолжительности периода регулирования.
- Задаются величины гарантированной и сниженной отдачи гидроузлов системы.
- Устанавливаются правила перехода от гарантированной к повышенной и сниженной отдачам. В первом приближении гарантированная отдача гидроузлов может быть определена в процессе отбора расчетных периодов. При этом необходимо иметь в виду, что обеспеченность расчетного периода, главным образом при многолетнем регулировании, не совпадает точно с обеспеченностью отдачи и что при отборе периодов регулирования путем сопоставления их отдач находится лишь ориентировочное значение гарантированной отдачи. Поэтому предварительное назначение величин гарантированной и сниженной отдачи должно производиться по нескольким расчетным периодам с обеспеченностью, близкой к расчетной. От точности первоначального задания гарантированной отдачи зависит число итераций в последующих детальных расчетах.
- Определяется, какая фактическая обеспеченность гарантированной отдачи, а также величина и обеспеченность сниженной отдачи имеют место в наблюденном или искусственном ряду гидрологических периодов регулирования. Для этой цели производится детальный водноэнергетический расчет.
- Если обеспеченность гарантированной отдачи и характеристика сниженной отдачи в какой-либо момент времени в течение периода развития системы не соответствуют заданным, то изменяется величина гарантированной отдачи в данном интервале, а если это обусловливается особенностями развития системы, то и в течение всего периода ее развития. Расчет обеспеченности гарантированной отдачи гидроузлов выполняется вновь по всему ряду периодов регулирования даже в том случае, если гарантированная отдача изменяется в каком-либо одном интервале времени. Расчет повторяется с п. 2 до тех пор, пока характеристики нормальной и сниженной отдач не совпадут с заданными.
Выше говорилось об определении гарантированной отдачи гидроузлов системы, соответствующей некоторой заданной расчетной обеспеченности. Расчетная обеспеченность может быть определена путем сопоставления экономической эффективности увеличения гарантированной отдачи гидроузлов в системе с ущербами, вызываемыми связанными с этим ростом дефицитами воды и энергии у водо- и энергопотребителей в перебойные годы.
Факторами, влияющими на изменение расчетной обеспеченности отдач в развивающихся системах, могут быть: 1) появление в системе в некоторый момент времени периода развития новых видов потребителей (например, электроемких), которые существенно влияют на величину расчетной обеспеченности отдачи ГЭС; 2) резкое изменение конфигурации графика нагрузки системы за счет присоединения к системе в некоторый момент времени новых потребителей (например, присоединение к системе за счет строительства новой ЛЭП промышленного узла или крупного города); 3) развитие нового участника водохозяйственного комплекса (например, пуск в некоторый момент времени крупного канала для водоснабжения или ирригации); 4) изменение удельного веса ГЭС в энергосистеме за счет ввода в эксплуатацию новой крупной ГЭС; 5) изменение регулирующих возможностей системы за счет ввода в эксплуатацию крупного водохранилища, особенно когда оно может выполнять роль компенсатора отдач других гидроузлов, и т. д.
Если приведенные выше факторы оказывают существенное влияние на экономические характеристики системы, определяющие собой расчетную обеспеченность отдач гидроузлов (величины ущербов от недодачи воды и энергии, продолжительность и глубина дефицитов и др), то при проектировании развивающихся систем представляется целесообразным в отдельные годы периода развития для разных потребителей принимать различную расчетную обеспеченность отдачи. Задача выбора расчетной обеспеченности отдач в динамических системах до сих пор не рассматривалась. Указанную задачу целесообразно решать либо при оптимизации структуры системы, либо выделяя ее в самостоятельную задачу по определению расчетной обеспеченности отдачи у различных водопотребителей и водопользователей в условиях развития комплексной водохозяйственной и объединенной энергетической систем.
Выбор метода определения расчетной обеспеченности отдач, видимо, существенно будет зависеть от сложности водохозяйственной системы, а также от удельного веса ГЭС в объединенной энергетической системе. Для простых водохозяйственных систем с небольшим удельным весом ГЭС в энергосистеме представляется целесообразным выбирать расчетную обеспеченность отдач гидроузлов в составе специальной задачи.
Для сложных многоотраслевых водохозяйственных систем и при существенном удельном весе ГЭС в энергосистемах, видимо, предпочтительнее выбирать величины гарантированных отдач гидроузлов и их расчетных обеспеченностей в процессе решения общей задачи оптимизации структуры системы.
Метод выбора расчетной обеспеченности отдач в динамических задачах и тем более метод оптимизации структуры комплексных водохозяйственных и энергетических систем в настоящее время не разработаны. До разработки такого метода в первом приближении можно, видимо, пользоваться рекомендациями работ [Л. 17, 21, 56], но рассматривать их для каждого года периода развития системы отдельно. Порядок проведения водохозяйственных и водно-энергетических расчетов в динамических задачах при различных обеспеченностях отдач в отдельные годы периода развития системы рассматривался выше.
В заключение следует напомнить еще раз о сложностях при выборе расчетных обеспеченностей отдач комплексных гидроузлов, связанных с отсутствием метода получения характеристик экономической эффективности от использования водных ресурсов отдельными участниками водохозяйственного комплекса в нормальных условиях и характеристик ущербов от недодачи им воды в дефицитные периоды.
