5-3. Виды диспетчерских графиков эксплуатации гидроузлов и правила назначения по ним режимов работы водохранилищ
Виды диспетчерских графиков.
Диспетчерские графики — это одна из форм правил управления водохранилищами или одна из разновидностей управляющих функций. (В водном хозяйстве они используются еще с прошлого века [Л. 52]. Наиболее распространенная форма диспетчерских графиков — графическая зависимость отдачи гидроузла от резерва воды, аккумулированной в водохранилище [Л. 8, 40, 51, 77, 78]. Резерв воды выражается обычно либо в виде объема водохранилища, либо в виде уровней воды в нем.
Диспетчерский график представляет собой совокупность: а) правил сохранения резервов воды для обеспечения той или иной гарантированной отдачи; б) правил своевременного опорожнения емкости водохранилища для аккумуляции наволочного стока и в) правил перераспределения во времени воды или энергии, превышающей гарантированную.
На характер сочетания этих правил влияет главным образом назначение гидроузла в народном хозяйстве, его регулирующие возможности и функции в управлении системой, а также особенности ее развития. По рис. 5-4 можно проследить влияние указанных выше факторов на вид диспетчерских графиков.
Влияние назначения гидроузла.
1-й случай. Гидроузел предназначен для обеспечения постоянной во времени отдачи для нужд коммунального или промышленного водоснабжения. В этом случае потребитель не использует избыточную отдачу и не требует регулирования избытков стока. Диспетчерские правила (рис. 5-4,а) сводятся к следующему: гидроузел работает с гарантированной отдачей до установления в водохранилище нормального подпорного уровня, а затем отдача соответствует притоку до тех пор, пока он не станет меньше гарантированной отдачи. Пропускная способность гидроузла должна быть достаточна для пропуска паводка при заполненном водохранилище до нормального подпорного уровня.
2-й случай. Помимо водоснабжения, гидроузел предназначен для уменьшения наводнений, и при эксплуатации требуется своевременное опорожнение емкости, необходимой для аккумуляции половодий. В этом случае заполнение водохранилища регламентируется во времени, т. е. в период, когда обычно проходят половодья, гидроузел должен переводиться на работу с повышенной отдачей ранее заполнения водохранилища до НПУ. Если в первом случае (рис. 5-4,а) все поле графика до НПУ занимает одна зона — гарантированной отдачи, то во втором случае (рис. 5-4,б) появляется зона повышенной отдачи или зона работы с максимальным расходом воды через гидроузел. Эта зона располагается как выше, так и ниже НПУ.
3-й случай. В составе водопользователей гидроузла имеется водный транспорт, для которого желательно повышение расхода воды сверх гарантированного. На рис. 5-4,в в этом случае должна появиться зона постепенного увеличения расхода воды через гидроузел от гарантированного минимума до максимально возможной величины, определяемой пропускной способностью гидроузла.
4-й случай. В составе гидроузла комплексного значения имеется гидроэлектростанция. Диспетчерский график в этом случае имеет вид рис. 5-4,а. Для использования установленной мощности ГЭС в энергосистеме требуется обеспечение некоторой гарантированной отдачи; для реализации проектного значения годовой выработки энергии необходимо оптимальное распределение во времени избыточной (по сравнению с гарантированной) отдачи, а также своевременный переход при наступлении паводка на работу с использованием всей установленной мощности.
Рис. 5-4. Диспетчерские графики работы гидроузлов на некотором расчетном уровне развития системы (статические).
НПУ — нормальный подпорный уровень; ФПУ — форсированный подпорный уровень; УМО — уровень мертвого объема; I — зона работы гидроузла с минимально допустимым расходом воды или мощностью; II' — зона работы гидроузла со сниженным гарантированным расходом воды или мощностью; II — зона работы гидроузла с гарантированным расходом или мощностью; III — зона работы гидроузла с избыточной отдачей; IV — зона работы с максимальным расходом через ГЭС; V — зона работы гидроузла с максимальным расходом через все водопропускные сооружения.
Удовлетворение требований неэнергетических потребителей достигается путем соответствующего внутригодового распределения гарантированной отдачи гидроузла, или на диспетчерском графике выделяется специальная зона — зона гарантированного расхода воды. Последнее делается в том случае, когда требования неэнергетического потребителя должны удовлетворяться с более высокой надежностью, чем энергоотдача.
Таким образом, а зависимости от назначения гидроузла, от состава потребителей, которых он обслуживает, вид диспетчерского графика может быть неодинаковым. Количество зон па диспетчерском графике возрастает с увеличением комплексности гидроузла и сложности задач регулирования речного, стока водохранилищем. О диспетчерских графиках работы отдельных водохранилищ см. также в (Л. 8, 40, 54, 78) и др.
Влияние регулирующих возможностей водохранилища на вид диспетчерского графика рассмотрим при том же составе водохозяйственного комплекса потребителей и тех же задачах регулирования, что и выше. На рис. 5-4,г и д представлены диспетчерские графики работы водохранилищ сезонного и многолетнего регулирования стока. При наличии сезонного регулирования стока (рис. 5-4,г) зона гарантированной отдачи гидроузла ограничивается линиями, пересекающимися на отметке НПУ. При многолетнем регулировании стока зона гарантированной отдачи гидроузла шире, чем при сезонном, ее нижняя граница проходит ниже НПУ.
Влияние регулирующих функций гидроузла.
У гидроузлов-компенсаторов часть полезной емкости резервируется для регулирования общей гарантированной отдачи гидроузлов. Эта часть емкости называется зоной общей гарантированной отдачи. В зоне избытков также может иметь место компенсирующий режим. Тогда зона компенсирующего режима распространяется до зоны работы ГЭС с установленной мощностью. Схематическое изображение диспетчерских графиков работы гидроузлов-компенсаторов будет таким же, как на рис. 5-4, но наименование зон приобретает иной смысл: зона II становится зоной общей гарантированной мощности гидроузлов системы или гарантированного расхода воды в нижнем бьефе нижележащего компенсируемого гидроузла. При этом общая гарантированная отдача гидроэлектростанций может обеспечиваться путем электрического регулирования выработки энергии, в том числе и межбассейнового регулирования, а гарантированный расход воды — путем гидравлической компенсации.
Все рассмотренные виды диспетчерских трафиков были составлены для работы гидроузлов в статических условиях эксплуатации системы.
Динамические диспетчерские графики.
Если условия работы гидроузла с течением времени быстро изменяются, т. е. имеет место динамичность системы, то вид диспетчерского графика может существенно изменяться по сравнению с проектными условиями работы. Для примера на рис. 5-5 показан диспетчерский график работы гидроузла-компенсатора в наиболее сложном случае эксплуатации для некоторого периода развития системы. В течение этого периода осуществляется ввод в работу данного гидроузла, а на 6-й год от начала периода развития системы начинает вводиться в эксплуатацию нижележащий гидроузел. В первые 1—3 года рассматриваемого периода развития системы в зависимости от гидрологических условий происходит ввод в эксплуатацию гидроузла-компенсатора. Диспетчерский график для периода начального наполнения водохранилища является неотъемлемой частью общего диспетчерского графика гидроузла. На диспетчерском графике начального наполнения имеются все те же линии и зоны, которые есть на графике, построенном для нормальной работы водохранилищ (левая часть рис. 5-5). Верхняя линия графика отражает проектируемый ход строительных работ по возведению сооружений гидроузла, их подготовку к начальному заполнению водохранилища. Иногда эту линию называют линией уложенного бетона в плотину и здание ГЭС. Повышение уровней воды в водохранилище выше этой линии недопустимо. Для предотвращения переполнения водохранилища на диспетчерском графике выделена специальная зона работы с максимальной пропускной способностью гидроузла (зона V).
Справа от этой зоны все поле диспетчерского графика разделено на две части, определяемые уровнем воды в водохранилище, при котором на гидроэлектростанции достигается пусковой напор, т. е. напор, при котором становится возможной выработка электрической энергии.
На поле графика выше отметки пускового напора, начиная с момента времени, когда на ГЭС закончен монтаж первых агрегатов, располагаются зоны минимально допустимых I, сниженных II', гарантированных II, избыточных III, максимальных (по установленной мощности) отдач гидроэлектростанции IV и максимального расхода через гидроузел V. Указанные зоны работы ГЭС при начальном заполнении водохранилища переходят в соответствующие зоны графика нормальной работы ГЭС после завершения начального заполнения.
В связи с развитием мощности на ГЭС и изменениями в энергосистеме положение режимных зон на диспетчерском графике в разные годы не является одинаковым. При заполнении водохранилища от естественного уровня воды в реке до отметки пускового напора в нижний бьеф гидроузла обычно дается санитарный попуск воды или специальный попуск для удовлетворения нужд неэнергетических потребителей (зоны VII и VIII). Величина этого попуска гарантируется с заданной обеспеченностью, за пределами которой при переходе через нижнюю линию диспетчерского графика (соединяющую урез воды в реке с отметкой УМО) через гидроузел пропускаются бытовые расходы реки, когда они меньше минимальных допустимых (зона VI).
Таким образом, ниже отметки пускового напора на графике имеются зоны минимальных (VII), гарантированных (VIII) и повышенных попусков через гидроузел (IX) для обеспечения неэнергетических участников водохозяйственного комплекса в его нижнем бьефе, а также зона перебойного режима (VI).
Для обеспечения минимально допустимой отдачи, определяемой максимально возможной загрузкой тепловых станций, требуется только небольшая часть полезной емкости водохранилища. Поэтому наивысшая точка верхней границы зоны I — минимально допустимой отдачи — находится значительно ближе к УМО, чем к НПУ. Режим работы в зонах I, II, II', IV и V может быть переменным во времени, но в каждый данный момент является однозначным; в зоне III — зоне избытков — режим работы гидроэлектростанций, как следует из изложенного выше, в значительной мере зависит также и от метода его назначения (см. выше, § 5-1).
В первые годы периода развития системы зона избытков III занимает значительную часть поля диспетчерского графика, а в последние годы, к моменту ввода нижележащего гидроузла, ее полностью вытесняет зона гарантированной отдачи II. Таким образом, на диспетчерском графике отражается изменение обстановки в системе, происходящее по мере ее развития.
В первые годы после окончания начального наполнения водохранилища компенсатора, когда в энергосистеме имеет место избыток мощностей, минимально допустимая мощность ГЭС меньше гарантированной (физически возможной). Для ее реализации требуется только часть полезной емкости водохранилища. Верхняя граница зоны гарантированной отдачи проходит ниже НПУ. Начиная с 8-го года условия в системе приближаются к нормальным, избытков мощности нет. Для использования полной установленной мощности гидроэлектростанций в балансе энергосистемы требуется обеспечение проектной величины ее гарантированной отдачи. Выполнение этого условия с необходимой надежностью возможно только при расходовании практически всей полезной емкости (кроме ограниченной зоной IV) в режиме гарантированной отдачи. Часть зоны II составляет зона II', предназначенная для работы со сниженной гарантированной отдачей или для удовлетворения требований водопотребления с обеспеченностью более высокой, чем обеспеченность гарантированной энергетической отдачи. Так, например, обеспеченность водоснабжения более высокая, чем обеспеченность энергоотдачи, поэтому для удовлетворения требований водоснабжения с проектной надежностью необходима дополнительная емкость (зона II'). Обеспеченность гарантированных навигационных попусков в нижний бьеф и энергоотдачи в данном случае принимается одинаковой. Поэтому для удовлетворения требований судоходства специальная зона не выделяется, а при сработке водохранилища в целях обеспечения энергоотдачи вводится дополнительное правило о том, чтобы в период навигации расход воды в нижнем бьефе гидроузла был не менее гарантированного навигационного.
Зона I предназначена для обеспечения в крайне маловодных условиях минимально допустимой отдачи, определяемой максимальной возможной загрузкой тепловых электростанций системы, или для удовлетворения требований потребителя, находящегося в энергетическом районе, прилегающем к месту расположения гидроузла-компенсатора. Так как рассматриваемый гидроузел является компенсатором отдачи гидроэлектростанций энергосистемы, то в период нахождения уровней его водохранилища в зонах II и III он должен дополнять энергоотдачу остальных гидроэлектростанций до величин, соответствующих общей совокупной отдаче ГЭС. Ее значения указываются на диспетчерском графике гидроузла-компенсатора. Совокупная энергоотдача ГЭС в зоне II является проектной величиной — общей совокупной гарантированной отдачей гидроэлектростанций энергосистемы, а в зоне III — общей избыточной отдачей.
Нижележащий гидроузел является компенсируемым. Он работает на стоке, зарегулированном гидроузлом- компенсатором. Для периода начального наполнения компенсируемого гидроузла диспетчерский график представлен также на рис. 5-6. Он не отличается по существу от диспетчерского графика гидроузла-компенсатора. Для периода нормальной эксплуатации на диспетчерском графике имеются три зоны: II, IV, V. Зоны IV и V имеют то же назначение, что и на диспетчерском графике гидроузла-компенсатора. Зона II — резерв, необходимый для обеспечения транспортного попуска. В зоне II гидроузел работает кратковременно, в условиях крайне маловодных лет. Ежегодная сработка и наполнение осуществляются по нижней границе зоны IV.
В общем случае при назначении режима работы гидроузла по диспетчерскому графику отдача гидроузла не изменяется, когда уровни воды в водохранилище соответствуют одной и той же диспетчерской зоне. При непосредственном приближении уровней к границе между диспетчерскими зонами расход изменяется таким образом, чтобы уровни удерживались на указанной границе. После того как расход через гидроузел становится равным расходу смежной зоны, уровни пересекают границу между зонами. Схема расчета представлена на рис. 5-6.
Описанные приемы назначения режима - работы гидроузла по диспетчерскому графику должны применяться оперирующей стороной (диспетчерские управления энергосистем, эксплуатационные водохозяйственные учреждения) во всех случаях нормальной эксплуатации системы и при необходимости использования аварийного резерва, предусмотренного в проекте. Однако в аварийных ситуациях, когда наступают условия, резко отличающиеся от намеченных проектом развития системы (крупная авария в системе, задержка в поставках топлива и т. д. и т. п.), строго следовать рекомендациям диспетчерских графиков не всегда удается. Оперирующая сторона может принимать решение использовать объем воды, аккумулированный в водохранилище, в качестве дополнительного аварийного резерва системы. В этом случае отдача водохранилища в зоне его гарантированных отдач может превышать намеченную величину. Следует иметь лишь в виду, что такой режим работы не может быть продолжительным, а дополнительно сработанный объем воды должен быть в последующие отрезки времени компенсирован путем соответствующего снижения отдачи гидроузла.
