РЕГУЛИРОВАНИЕ РЕЧНОГО СТОКА ВОДОХРАНИЛИЩАМИ ГЭС.

Естественный (бытовой) режим речного стока в подавляющем большинстве случаев отличает­ся крайней неравномерностью. Так, на равнинных реках в периоды ве­сеннего половодья (1,5—3 мес) про­ходит обычно до 60—70% годового стока. Существенно различается го­довой сток и в многолетнем разрезе. Такое распределение стока на­ходится в резком противоречии с режимом его потребления боль­шинством водопотребителей и водо­пользователей. Так, если в суточном разрезе график нагрузки ГЭС отли­чается значительной неравномерно­стью, то приточность равнинных рек в течение суток обычно почти неизменна. Отмечаются противоре­чия и среди неэнергетических потре­бителей воды.

Неравномерно распределены вод­ные ресурсы и по территории стра­ны. Более 86% водных ресурсов имеется в хозяйственно слабо осво­енных северных и восточных райо­нах, вдали qt центров водопотребления, и только около 14% речного стока относится к южной зоне, к территории, где сосредоточено око­ло 85% населения и 80% промыш­ленного и сельскохозяйственного производства.

Все это приводит к необходимо­сти перераспределения естественно­го стока во времени и по террито­рии. Оно осуществляется с помощью регулирования стока водохранили­щами, в которых задерживается из­быточный естественный приток, ког­да он превышает спрос потребителей, и расходуется, когда этот спрос больше притока.

Таким образом, регулированием стока называется процесс перерас­пределения его водохранилищами.

Степень зарегулированности сто­ка определяется относительной емкостью водохранилища (коэффициентом емкости) β. Этот коэффициент определяется отноше­нием полезного объема водохрани­лища V_полезн к среднему за много­летний период объему годового сто­ка W₀ в створе плотины

β=V_полезн/W₀

Различают регулирование водноэнергетическое и водохо­зяйственное. Водноэнергетическое регулирование осуществляет перераспределение стока для энер­гетических целей. Мощность ГЭС является функцией не только расхо­да, но и напора, поэтому процесс водноэнергетического регулирова­ния связан с учетом того и другого и позволяет в конечном счете полу­чить требуемый режим мощности ГЭС, а отсюда и режим выработки электроэнергии. При водохозяйст­венном регулировании напор не является регулируемым параметром и перераспределяется лишь расход. В этом состоит основное отличие водноэнергетического регулирова­ния от водохозяйственного.

Режим мощности ГЭС и режим выработки ею электроэнергии дик­туются не только спросом потреби­телей, но и тем, насколько экономично этот спрос удовлетворяется. Поэтому водноэнергетическое регу­лирование неотделимо от определе­ния оптимальных режимов ГЭС или группы электростанций, с которыми параллельно работает данная ГЭС или группа ГЭС.

При комплексном использовании водотока (см. § 10.6), когда послед­ний используется как для энергети­ческих, так и для неэнергетических целей, осуществляется комплекс­ное регулирование, т. е.' на­пора и расхода для ГЭС и только расхода для других водопользовате­лей и водопотребителей.

При любом виде регулирования потребители воды в некоторые пе­риоды времени работают с расхо­дом воды, превышающим, приток, а в другие периоды времени расходу­ют воды меньше притока. В первом случае происходит сработка водо­хранилища, а во втором — наполне­ние.

Промежуток времени от начала какого-либо одного периода сработки водохранилища до начала сле­дующего — после очередного его заполнения — называется циклом регулирования. Длительность цикла регулирования определяет его разновидности, в соответствии с чем различают краткосрочное регулирование и длительное. К первому виду относят суточное и недельное регулирование, а ко второму — сезонное, годичное и многолетнее. Рассмотрим кратко каждый из этих видов.

Суточное регулирование. Как сказано, естественные (бытовые) расходы многих рек Q_δ(t)в тече­ние суток остаются практически не­изменными. Исключение составляют лишь периоды половодий и паводков. В период половодья режим ра­боты ГЭС имеет обратную картину и, как правило, неизменен, а в ос­тальное время резко переменен (рис. 10.20,а). Вследствие этого рас­ходы, пропускаемые турбинами ГЭС Q_ГЭС при ее переменном режи­ме, будут также переменными, ме­няясь нередко от нуля до полной пропускной способности.

В результате в течение некоторой части суток (рис. 10.20,6) имеется избыточный приток, в другой — не­достаточный. Отсюда суточное регу­лирование будет заключаться в том, чтобы в часы малой нагрузки ГЭС (рис. 10.20,а) запасти в водохрани­лище избыточный приток, а в часы повышенной нагрузки его сработать. Если объем водохранилища доста­точен для задержания всего избы­точного притока в часы малой на­грузки, то этот приток при отсутст­вии ограничений на режим ГЭС мо­жет быть использован для увеличе­ния мощности (против той, которую она могла бы развить, используя естественный расход) в часы пика нагрузки потребителей.

Этот эффект позволяет повысить участие ГЭС в покрытии пика на­грузки, вследствие чего при работе ГЭС в энергосистеме, во-первых, от­падает необходимость в дублирова­нии ее мощности, и, во-вторых, воз­никает возможность обеспечить бо­лее благоприятный режим тепловых электростанций, создавая тем са­мым соответствующую экономию топлива. Однако этот эффект не со­провождается увеличением выработ­ки электроэнергии. Наоборот, вы­работка энергии при суточном регу­лировании будет меньше той, кото­рую давала бы ГЭС, работая на естественном режиме стока, т. е. без регулирования.

Это является следствием того, что, как показывается в курсе ги­дравлики, средний за сутки уровень воды в нижнем бьефе при неустано­вившемся режиме в нем всегда бу­дет выше, чем при постоянном рас­ходе, определяемом Q_δ (рис. 10 20,г). Кроме того, среднесуточный уровень верхнего бьефа Z_нб (рис. 10.20,в) будет всегда ниже того, при кото­ром ГЭС работала бы, не имея ре­гулирования, т. е. на естественном расходе при НПУ. Это подтвержда­ется также и графиком изменения напора Н_гэс (t), представленным на рис. 10.20д. Здесь Н соответству­ет напору, определяемому как раз­ность средних уровней z_вб и Z_y, при Q_ГЭС(t).

Получающиеся потери суточ­ного регулирования зависят прежде всего от величины исполь­зуемого напора Чем меньше напор, тем сильнее сказываются эти поте­ри, и для низконапорных ГЭС они доходят до 3—5% суточной выра­ботки ГЭС при ее работе на естест­венном расходе.

По мере увеличения суточного притока режим работы ГЭС будет все более выравниваться и, наконец, может быть достигнуто такое поло­жение, когда ГЭС все 24 ч будет работать с полной установленной или располагаемой мощностью, т е. в базисной части графика нагрузки. Дальнейшее увеличение бытового расхода приведет к необходимости холостого сброса излишков воды помимо турбин, уровень нижнего бьефа при этом повысится (см. рис. 10.18), напор уменьшится, а вместе с ним уменьшится и мощность ГЭС, становясь для низко- и средненапорных ГЭС значительно меньше установленной.

При осуществлении суточного регулирования могут возникнуть различного рода ограничения, на­кладываемые на режимы ГЭС не­энергетическими участниками ком­плекса. Так, например, при отсутст­вии подпора в нижнем бьефе со сто­роны нижележащей ГЭС водный транспорт может предъявить требо­вания по обеспечению необходимых судоходных глубин в течение всех 24 ч, а также в отношении допусти­мых скоростей течения при подходе к шлюзам.

Аналогичные требования по под­держанию необходимых глубин могут быть предъявлены водопотребителями (ирригация, промышленное и бытовое водоснабжение). Для удовлетворения этих требований производят попуски в нижний бьеф определенных расходов воды, назы­ваемых базисными. Наконец, иногда возникают ограничения ре­жима турбин ГЭС (обычно при не­больших нагрузках) по условиям кавитации (см § 9.5), которую дли­тельное время допускать нельзя. Ограничения при суточном регули­ровании иногда возникают и вслед­ствие отсутствия достаточной емко­сти водохранилища.

Реализация указанных ограниче­ний обычно приводит к снижению энергоэкономической эффективности работы ГЭС, однако при комплекс­ном использовании водотока это снижение является вполне оправ­данным с точки зрения народного хозяйства в целом, так как компен­сируется отдачей, получаемой от не­энергетических участников ком­плекса.

Объем водохранилища, необхо­димый для суточного регулирова­ния, очень небольшой и обычно со­ставляет около 0,5 объема суточного стока расчетного маловодного года.

Недельное регулирование. В не­рабочие дни недели нагрузка потре­бителей электроэнергии резко пада­ет (особенно в воскресенье). В это время гидроэлектростанция может также снизить свою мощность до ве­личины, меньшей той, которую она могла бы развить, работая на есте­ственном расходе. Получающийся избыток (рис. 1021,6) может быть использован на заполнение в0до-хранилища, сработанного за время рабочих дней недели. Сказанное ил­люстрирует рис. 10.21,б, где для простоты предполагается, что быто­вой расход, как это обычно бывает в периоды маловодья (межень), в течение недели практически не из­меняется, нагрузка потребителей системы в рабочие дни практически одинакова и в неделе имеются два выходных дня (рис. 10 21,а). По­нятно, что качественно картина не изменится, если нагрузка системы в рабочие дни и приточность не будут неизменными.

Таким образом, недельное регу­лирование обеспечивает неравномер­ное потребление воды гидроэлектро­станцией в течение недели в соот­ветствии с недельными колебаниями нагрузки потребителей. Если во­дохранилище одновременно исполь­зуется и для суточного регулирова­ния, то в нем будет наблюдаться и суточное колебание уровней бье­фов (пунктир на рис 1021,в, г). Однако замкнутого цикла суточного регулирования, естественно, при этом не будет, так как уровень во­дохранилища к концу каждого ра­бочего дня будет ниже. Продолжи­тельность полного цикла колебаний уровня верхнего бьефа в этом слу­чае (рис 1021,0) будет равна одной педеле

При недельном регулировании, так уке как и при суточном, имеется возможность повысить мощность ГЭС по сравнению с той, которую она могла бы развить, работая на естественном расходе. Однако полу­чаемый в этом случае энергетическии эффект за счет работы ГЭС большую часть времени на пони­женных напорах (рис 1021,<3) бу­дет меньше, чем при суточном регу­лировании Вместе с тем годовая выработка ГЭС недельного регули­рования будет несколько выше (за счет некоторого уменьшения холо­стых сбросов) по сравнению с ГЭС суточного регулирования, так как водохранилище недельного регули­рования больше по объему, чем во­дохранилище суточного регулирова­ния Обычно считается, что при двух выходных днях этот объем не пре­вышает приточности за одни, при­нятые за расчетные маловодные сутки.

При осуществлении недельного регулирования на соответствующий режим ГЭС могут также наклады­ваться разного рода ограничения как со стороны неэнергетических от­раслей комплекса, так и по усло­виям бескавитационного режима ра­боты турбин. Естественно, что все подобного рода ограничения будут снижать энергоэкономическую эф­фективность ГЭС

Общим для краткосрочного регу­лирования является перераспределе­ние сравнительно равномерного су­точного и петельного режима прп-точпости в неравномерный режим расходов ГЭС

Годичное регулирование. Естест­венный гидрологический годовой ре/Ким реки обычно отличается крайней неравномерностью и нахо­дится в противоречии с запросами энергетики Применяемое для сня­тия этого противоречия годичное ре­гулирование путем задержания (ча­стично пли полностью) в водохрани­лище вод половодья и использование их в течение

маловодного пе­риода позволяет увеличить гаранти­рованную мощность ГЭС и количе­ство вырабатываемой ею энергии по сравнению с ГЭС краткосрочного регулирования за счет уменьшения (или ликвидации) бесполезных сбросов вод половодья. Весь цикл регулирования при этом занимает 1 год. Если после сработки очередного наполнения водохранилища всегда имеются холостые сбросы, то регулирование называется сезон­ным (неполным годичным) в от­личие от годичного (полного), когда в условиях расчетной обеспеченности стока сбросов нет. Как в случае сезонного регулирования, так и годичного в каждом следующем году циклы сработки и наполнения повторяются

Объем водохранилища годичного регулирования обычно составля­ет от 2 до 30% среднемноголетнего объема годового стока реки, т е. β_гр=0,02÷0,30.

Водохранилище годичного регу­лирования может, как это обычно и бывает, одновременно выполнять и краткосрочное регулирование (су­точное и недельное)

На рис 10 22,а представлена об­щая схема годичного регулирова­ния, а на рис. 1022,6 — сезонного (имеется период сброса излишков вод). На этих же рисунках пред­ставлены соответствующие режимы верхнего бьефа Z_вб(t). Ясно, что в особо маловодные годы или при слишком больших (сверх расчетных) изъятиях вод половодья водо­хранилище может и не наполниться до отметки НПУ.

Нетрудно представить себе, как будет изменяться, если регулирование будет произведено не на постоянный рас­ход Q_ГЭС, а в соответствии с задан­ным графиком нагрузки ГЭС.

Многолетнее регулирование. Цикл регулирования длится не­сколько лет Водохранилище напол­няется избыточным стоком одного пли нескольких многоводных лети опорожняется в течение ряда мало­водных лет. При этом регулирова­нии уровень водохранилища в кон­це маловодною года будет всегда ниже, чем в начале его Многолет­нее регулирование сводится к уве­личению стока маловодных лет. Особенностью этого вида регулиро­вания является непостоянство про­должительности цикла регулирова­ния. При неизменном потреблении воды период наполнения и период опорожнения водохранилища опре­деляется исключительно гидрологи­ческой обстановкой каждого года Чем больше при этом относитель­ный объем водохранилища, тем, оче­видно, реже он заполняется до от­метки НПУ.

При многолетнем регулировании, так же как и при годичном, имеется возможность увеличить гарантиро­ванную мощность ГЭС и вырабаты­ваемую ею энергию (за счет практи­чески полного устранения бесполез­ных сбросов во время половодий) по сравнению с ГЭС годичного ре­гулирования и краткосрочного. Са­мо собой разумеется, что и в этом случае водохранилище может осу­ществлять любое менее длительное регулирование (или сочетание их).

Считается, что для того, чтобы водохранилище ГЭС могло осу­ществлять многолетнее регулирова­ние, его объем должен составлять не менее 30—50% величины сред­него за многолетний период объема годового стока реки, т. е. β_мр = 0,3÷0,5

На рис 1023 представлены об­щая схема многолетнего регулиро­вания и график изменения уровня верхнего бьефа. Как видно из ри­сунка, период наполнения' в зави­симости от водности лет может быть различным В начале регулирования водохранилище было заполнено в первый же год, а после сработки на это потребовалось два года (более маловодных, чем первый год).

Таким образом, при длительном регулировании уменьшается много­летняя и годичная неравномерность расхода, в то время как при крат­косрочном регулировании неравно­мерность расхода за регулируемый период (сутки, неделя) резко воз­растает.

Кроме описанных видов регули­рования различают специальные виды регулирования, включая кас­кадное.

10.6. КАСКАДНОЕ И КОМПЛЕКСНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВОДНЫХ РЕСУРСОВ.

Развитие гидроэнергетики СССР осуществляется главным образом за счет каскадного освоения водных ресурсов. В этих условиях гидроэнергетические ресурсы от­дельных рек используются не од­ной гидроэлектростанцией, а не­сколькими, последовательно распо­ложенными друг за другом. При этом в каскаде могут быть как пло­тинные, так и деривационные гид­роэлектростанции.

Как показывает практика, кас­кадные схемы позволяют полнее и экономичнее использовать энерге­тический потенциал реки, посколь­ку они, в частности, уменьшают энергетические потери водотока. Энергоэкономическая эффектив­ность каскада при проектировании определяется количеством ступеней и месторасположением каждого гидроузла, определяющего размеры водохранилища, напора, мощности и капитальных вложений. Особое значение при этом приобретают экологические аспекты. В числе наиболее крупных объединенных каскадов страны следует отметить Лнгаро-Енисейский, в том числе за­вершаемая строительством Саяно-Шушенская ГЭС мощностью 6400 МВт и действующая Красно­ярская ГЭС 6000 МВт. Это уни­кальный каскад по своим энергоэкономическим показателям. Доста­точно сказать, что себестоимость вырабатываемой электроэнергии на этих ГЭС составляет всего несколь­ко сотых копейки. Вторым объеди­ненным крупнейшим каскадом яв­ляется Волжско-Камский.

Энергоэкономическая эффектив­ность действующих каскадов при заданном естественном режиме реч­ного стока определяется исключи­тельно оптимальным распределе­нием нагрузки между отдельными электростанциями системы и ха­рактером требований на воду со стороны других отраслей народно­го хозяйства, которые при этом должны выполнять отдельные ГЭС.

Кроме повышения энергетиче­ской эффективности каскадные схе­мы позволяют существенно повы­сить эффективность использования стока и другими отраслями народ­ного хозяйства.

Использование водных ресурсов одновременно несколькими отрас­лями народного хозяйства называ­ется комплексным Комплекс­ное использование обеспечивает от данного гидроузла больший эконо­мический эффект, чем использова­ние их какой-либо одной отраслью народного хозяйства

Участники (компоненты) комп­лексного использования образуют водохозяйственный комп­лекс. Те из компонентов водохо­зяйственного комплекса, которые используют воду как вещество и изымают ее из данного водоисточ­ника, называются водопотребителями. Эта вода по истечении некоторого времени, иногда доста­точно длительного, может вновь по­ступить в водооборот, но уже в дру­гом створе или даже в другом бассейне. При этом многие водопотребители возвращают воду сущест­венно худшего качества. Те же уча­стники комплекса, которые пол­ностью или почти полностью воз­вращают после использования воду того же качества (например, ГЭС) или совсем ее не изымают из водо­тока (например, водный транс­порт), называются водопользо­вателями.

Каждый вид водопользования предъявляет свои требования к ка­честву воды. Наиболее разнообраз­ные требования, диктуемые техно­логическими процессами производ­ства, предъявляет промышленность. Для некоторых технологических процессов к качеству воды предъяв­ляются более высокие требования, чем к питьевой.

Поддержание должного уровня качества воды, используемой для хозяйственно- и культурно-бытовых нужд, обеспечивается «Правилами охраны поверхностных вод от за­грязнения сточными водами», раз­работанными Министерством здра­воохранения СССР. Эти правила являются обязательными для всех видов водопотребления, и выполне­ние их контролируется соответст­вующими службами Государствен­ного санитарного надзора СССР.