 |
Проектирование и эксплуатация гидроэнергоустановок
|
|
|
|
В практике проектирования и эксплуатации ГЭС расчеты годичного и многолетнего стоков производятся, как правило, по диспетчерским графикам, представляющим собой зависимость расхода воды от отметки верхнего бьефа (или объема воды в водохранилище) и времени.
В гидрологию суши составной частью входит гидрология рек, задачей которой является изучение режима рек. Изучением рек с точки зрения их технического использования занимается инженерная гидрология.
Гидрологической основой гидроэнергетики, так же как и всех гидроэнергетических и водохозяйственных расчетов, являются прежде всего данные о режиме стока, определяемом соответствующими характеристиками. Рассмотрим кратко эти характеристики.
Расход воды Q — количество воды, протекающей в 1 с через данное поперечное сечение водотока и измеряемое обычно в м3/с и л/с.
Хронологический график изменения расходов воды во времени в каком-либо створе реки Q(t) называется гидрографом. Он строится по результатам гидрометрических наблюдений. В качестве расходов при этом используются средние значения за рассматриваемые интервалы времени (час, сутки, декада, месяц и т. д.). Такой гидрограф характеризуется максимальным, средним и минимальным значениями расхода за рассматриваемый период. Форма гидрографа определяется исключительно типом питания рек (снеговое, дождевое, ледниковое и т. д.). На рис. 4.6 изображен типовой годовой гидрограф среднесуточных расходов реки, имеющей преимущественно снеговое питание. Если осреднение расхода осуществлять за более длительные интервалы времени (декаду, месяц), то рассматриваемый гидрограф приобретает ступенчатый характер.
Рис. 4.6. Типичный гидрограф реки снегового питания
|
|
|
Из гидравлики известно, что средняя скорость движения потока воды v определяется делением ее расхода Q на площадь живого сечения, отсюда
(4.2)
Если рассматривать несколько различных сечений по длине потока, то при постоянном расходе и на основе закона сохранения материи последнее выражение можно записать в следующем виде
(4.3)
Это уравнение носит название уравнения неразрывности потока.
Сток W — суммарный объем воды, прошедшей через заданное поперечное сечение водостока от какого-либо начального момента до некоторого конечного и измеряемый обычно в м3 или км3. При известном гидрографе сток может быть определен по следующим формулам:
для непрерывной функции 
(4.4)
для дискретной функции
(4.5)
где 
—средний расход в i-u интервале времени. Норма стока 
— среднемноголетнее значение годового стока реки, измеряемое в м3 или км3, определяется по следующей формуле:
(4.6)
где 
— сток за i-й год 
.
Норма расхода 
— среднемноголетнее значение расхода, измеряемое обычно в м3/с или л/с. Она связана с нормой стока соотношением
(4.7)
где 
— средний расход i-го года; 31,54 умноженное на 10 в 6 степени — число секунд в среднем по продолжительности году.
Отличительными особенностями речного стока являются его изменчивость и неповторяемость во времени. К одним из решающих относятся климатические факторы. В настоящее время гидрология не располагает достаточно надежными методами выявления количественной зависимости между речным стоком и многообразными во времени и в пространстве стокоформирующими факторами, к тому же влияние каждого из них и всех вместе проявляется для каждой реки с присущим ей своеобразием. Таким образом, речной сток для большинства рек земного шара при современном уровне знаний в области геофизических процессов вообще и в области метеорологии и гидрологии, в частности, представляется как непрерывный случайный процесс, с присущими ему закономерностями. Однако для упрощения расчетов формирование речного стока обычно представляется в виде случайного дискретного процесса с различным временным осреднением расхода (стока).
|
|
|
Признавая случайный характер стокообразующих факторов, следует отметить, что некоторые из них, в первую очередь такие решающие, как климатические, имеют определенную цикличность своего проявления во времени (сезонную, годичную, многолетнюю). Соответственно циклический характер носит и речной сток. Опыт показывает, что лишь в сравнительно редких случаях циклические колебания годовых (еще реже — сезонных) стоков совершенно не прослеживаются.
Наличие цикличности стока является одной из причин, позволяющих вероятностный процесс речного стока относить к классу нестационарных процессов.
Работа водного потока. Текущая в русле реки или канале вода непрерывно совершает работу, которая расходуется на преодоление внутреннего сопротивления движению воды, сопротивления на трение в русле и различные эрозионные воздействия (размыв дна и берегов русла, перемещение материала и т. д.). Численные значения этой работы можно определить следующим образом.
Пусть имеется некоторый участок водотока АВ длиной L. При поперечном сечении водотока 
объем воды на этом участке будет 
, а ее масса 
(
— плотность воды).
Работа, совершаемая силой влечения воды 
, будет определяться как
(4.8)
где g — ускорение свободного падения.
Длину участка L можно выразить как произведение скорости потока v на время t, т. е. L — vt, отсюда
(4.9)
Мощность, т. е. работа в единицу времени,
(4.10)
Энергия реки, т. е. работа в течение t, ч, выраженная в кВт-ч, будет определяться по формуле
(4.11)
Так как где W — объем воды (сток), протекающий за t = 3600 с, то
(4.12)
Формулы (4.11) и (4.12) выражают потенциальную мощность и выработку электроэнергии. Реальная, или техническая, мощность будет меньше за счет потерь в гидротехнических сооружениях, подводящих воду из реки к турбинам, в самих турбинах и генераторах ГЭС, учитываемых коэффициентом полезного действия. Поэтому значение N в следует умножить на коэффициент полезного действия. Тогда получим полезную мощность в кВт
|
|
|
(4.13)
и соответственно энергию в кВт-ч
(4.14)
Таким образом, чтобы превратить энергию текущей воды в электрическую, необходимо, как это следует из (4.14), иметь определенные значения расхода и напора. Значение развиваемой при этом мощности будет тем больше, чем больше расход и напор. В естественных условиях концентрированные в определенном месте напоры встречаются крайне редко. Их могут создать лишь водопады. Обычно равнинные реки имеют уклон свободной поверхности воды (i=H/L) 5—10 см/км, а горные 5— 10 м/км. Итак, в естественных условиях текущая в реке вода обладает энергией. С помощью искусственных гидротехнических сооружений вода может быть сконцентрирована и использована на ГЭС для выработки электроэнергии. Важно оценить имеющиеся гидроэнергетические ресурсы. Поскольку под влиянием солнца происходит непрерывный круговорот воды в природе (испарение — осадки — испарение), то гидроэнергетические ресурсы относятся к ресурсам возобновляемым.
Гидроэнергетические ресурсы делятся на потенциальные (теоретические), технические и экономические.
Потенциальные гидроэнергетические ресурсы — это теоретические запасы, определяемые по формуле
(4.15)
где Э — энергия, кВт-ч; 
—средний годовой расход реки на t-м рассматриваемом участке, м3/с; Hi — падение реки на этом участке, м.
По данным 1995 г. (более поздних сведений пока нет) потенциальные гидроэнергетические ресурсы 4483 крупных и средних рек страны за средний по водности год оцениваются в 3338 млрд. кВт-ч (для сравнения заметим, что в 1980 г. все электростанции страны выработали 1295 млрд. кВт-ч электроэнергии), в том числе рек европейской части РФ и Кавказа — 588 млрд. кВт-ч, или 17,6 %, и рек азиатской части РФ — 2750 млрд. кВт-ч, или 82,4%- Это те водные ресурсы страны, которые теоретически могут быть использованы для гидроэнергетического строительства. Они составляют 85 % всего валового потенциала энергии речного стока страны.
Технические гидроэнергоресурсы учитывают неизбежные потери:
а) в расходах воды — на испарение из водохранилищ, фильтрацию, утечки через различные затворы и т. п.;
|
|
|
б) в напорах — гидравлические в водоводах и, кроме того,часть падения рек (самые верховые и приустьевые участки)практически не может быть использована;
в) электромеханические потери в оборудовании.
Суммарные потери при освоении гидроэнергетического потенциала составляют в целом по стране 36 %.
Имеются и другие характеристики водохранилищ, которые здесь не рассматриваются. Все они являются основным исходным материалом для проведения водноэнергетических расчетов. В такого рода расчетах одним из решающих условий правильности выполнения их является соблюдение водного баланса водохранилища.
В общем виде уравнение водного баланса водохранилища за некоторое время Т может быть представлено следующим равенством:
(4.16)
где 
■ — зарегулированный объем стока, т. е. тот объем воды, который прошел за время Т через створ гидроузла; 
— приток воды в водохранилище за время Т (для одиночной ГЭС это бытовой приток, для каскада — приток от вышележащей ГЭС с учетом боковой приточности между створами); 
— использованный объем водохранилища за период Т (в формуле знак плюс относится к периоду сработки, знак минус — к периоду наполнения), 
и 
—стоки, забираемый из водохранилища и возвращаемый участникам народнохозяйственного комплекса соответственно; 
— потери воды из водохранилища за время Т (они обычно включают потери на фильтрацию, испарение, льдообразование и шлюзование).
Если каждый член этого уравнения разделить на Т, то условие баланса стока может быть выражено через соответствующие расходы.
|
|
|
