Порядок выполнения работы. Предисловие

Предисловие

Современную электроэнергетику России трудно представить без гидроэлектростанций. На сегодняшнее время на территории России насчитывается 102 рабочие ГЭС с мощностью больше 100 МВт. А мощность всех рабочих ГЭС составляет более 45 млн. кВт. При этом в год вырабатывается 165 млрд. кВтч. С этими показателями Россия занимает 5 место в мире.

Кроме того, гидроресурсы являются возобновляемым источником энергии, что является бесспорным преимуществом. Важным и актуальным достоинством также является экологичность выработки электроэнергии на ГЭС. Поэтому, очевидно, что развитие и поддержание гидроэнергетических систем является приоритетной задачей любого государства. Все это объясняет интерес к вопросам, касающимся современных ГЭС и их элементов.

Все крупные гидроэлектростанции в России и мире уникальны, поэтому при проектировании таких станций нельзя говорить о типовом подходе. В первую очередь это связано с тем, что реки, на которых они возводятся, имеют свои уникальные свойства и ландшафт.

Представленное пособие направлено на создание представления у студентов об электроэнергетическом потенциале рек, об основных характеристиках водохранилищ, о видах создания напоров на станциях, особенностях гидроагрегатов и их конструктивных элементов. Кроме того, студент сможет рассчитать и на основе этого спланировать управление водохранилищем годового регулирования.

Задачи расположены таким образом, что студент может проследить весь цикл от расчета гидроэнергетического потенциала реки, на которой только планируется строить ГЭС, до водно-энергетических расчетов, когда решается вопрос о регулировании водохранилища. Водно-энергетические расчеты лежат в основе управления гидроэлектростанцией, их результаты позволяют судить об объемах и сроках использования водохранилища для выработки электроэнергии. Методы и средства водно-энергетических расчетов сложны и разнообразны, в заданиях будет рассмотрен табличный метод расчета. Таким образом, здесь представлены основные проблемы, решаемые при проектировании и эксплуатации ГЭС.

Задание №1

Определение потенциальных ресурсов рек

(2 часа)

Цель: Познакомиться с основными гидрологическими и гидрографическими характеристиками рек, а также научиться определять оптимальный для строительства ГЭС створ реки на основе полученных данных.

Задачи:

1. Рассчитать энергию и мощность на участках реки;

2. Построить кадастровые графики:

Z=f(L), Q=f(L), N_уд=f(L), N_∑=f(L);

3. Определить для строительства ГЭС створ с наибольшим энергетическим потенциалом.

Основные сведения

При оценке гидроэнергетического потенциала рек принято различать:

ü Теоретический потенциал (потенциальные энергетические ресурсы реки) – это суммарный энергетический потенциал речного стока.

ü Технический потенциал – часть теоретического потенциала, которая на современном уровне развития науки и техники может быть использована с помощью строительства гидроэлектростанций.

ü Экономический потенциал – часть технического потенциала, использование которой является экономически целесообразной.

При выборе места строительства гидроэлектростанции в первую очередь производится оценка потенциальных ресурсов реки на различных её участках. Потенциальными энергетическими ресурсами рек являются мощность и энергия потока.

Определению потенциальных энергоресурсов каждой реки предшествует составление её водного кадастра, включающего общее описание реки, имеющиеся исходные данные по гидрометрии, гидрологии, топографии и пр.

Потенциальные энергетические ресурсы реки могут быть получены на основе уравнения Бернулли,являющегося одним из основных уравнений в гидравлике.

Выделим участок реки, заключенный между двумя створами 1 и 2, как это показано на рис. 1.1.

Рис.1.1 Сечение реки

Согласно этому уравнению потенциальная валовая энергия водотока, теряемая потоком жидкости W (м³) на участке L_1-2 равна разности энергий Э₁ и Э₂:

, (кВт*ч) (1.1)

где, - плотность жидкости (кг/м³), – ускорение свободного падения (м/с²), – удельная энергия положения (м), измеряемая высотой расположения центра тяжести сечения водотока над уровнем моря, – удельная потенциальная энергия давления (м) при избыточном давлении (Па), –удельная кинетическая энергия жидкости (м), при – коэффициенте Кориолиса.

Уравнение Бернулли лежит в основе расчёта многих энергетических характеристик. В частности:

Напор - это удельная потенциальная энергия положения, численно равная падению уровней водотока.

, (м) (1.2)

Мощность – это работа совершаемая потоком текущей воды в течение одной секунды (кВт).

Величина потока жидкости в рассматриваемом створе в течение одной секунды определяется как:

, (1.3)

где, - расход воды через 1 створ (м³/с).

Расход в реке на протяжении всего русла увеличивается при приближении к устью, вследствие бокового притока впадающих в реку ручьёв и речек, осадков и т.д. Следовательно, для получения его приближенного значения на участке реки используется среднее между створами 1 и 2 значение:

, (м³/с) (1.4)

После некоторых упрощений уравнение Бернулли может быть преобразовано в уравнение мощности и примет вид:

, (Вт) (1.6)

Учитывая что: ,

, (кВт) (1.7)

В связи с тем, что участки могут иметь разные длины, не всегда представляется возможным определить оптимальный участок, используя полученные значения напора, расхода и мощности.

В этих случаях для сравнения вариантов удобно использовать величину удельной мощности потока на участке реки, т.е. мощности, приходящейся на единицу длины реки:

, (кВт/км) (1.8)

Исходные данные:

№	Река	Параметр	Номер створа
	Волга	Z, м					138,4	132,5	130,1		123,7
Q, м3/с
	Лена	Z, м				239,4		233,5		227,6		221,6
Q, м3/с
	Ангара	Z, м
Q, м3/с
	Енисей	Z, м
Q, м3/с
	Волга	Z, м					92,5		83,3	80,5
Q, м3/с
	Лена	Z, м					189,4					165,3
Q, м3/с
	Ангара	Z, м										277,5
Q, м3/с
	Енисей	Z, м
Q, м3/с
	Волга	Z, м			70,6	69,1		66,9	65,8			62,3
Q, м3/с
	Лена	Z, м				126,4		121,5		117,4	115,6
Q, м3/с
	Ангара	Z, м
Q, м3/с
	Енисей	Z, м
Q, м3/с
	Волга	Z, м			57,2		53,9	52,4	51,8	50,3	49,1
Q, м3/с
	Лена	Z, м					94,3		85,8	81,2	78,3	74,5
Q, м3/с
	Ангара	Z, м
Q, м3/с
	Енисей	Z, м					69,5	69,2		68,8	68,4
Q, м3/с
	Волга	Z, м			35,2		31,3
Q, м3/с
	Лена	Z, м		57,2	53,7	52,1	49,7	47,2	45,3	42,4	41,2
Q, м3/с
	Ангара	Z, м						106,5				101,5
Q, м3/с
	Енисей	Z, м			36,8	36,5		35,5	35,2	34,8	34,5
Q, м3/с

Длины участков:

Номер участка	1-2	2-3	3-4	4-5	5-6	6-7	7-8	8-9	9-10
	Волга	L, км
	Лена
	Ангара
	Енисей
	Волга
	Лена
	Ангара
	Енисей
	Волга
	Лена
	Ангара
	Енисей
	Волга
	Лена
	Ангара
	Енисей
	Волга
	Лена
	Ангара
	Енисей

Порядок выполнения работы

1. Пользуясь доступными источники и справочной литературой собрать информацию о гидрологических и гидрографических характеристиках реки;

2. Рассчитать напор на каждом участке реки с помощью формулы (1.2);

3. Рассчитать среднее значение расхода для каждого участка с помощью формулы (1.4);

4. Рассчитать значение мощности потока на каждом участке с помощью формулы (1.7);

5. Определить удельную мощность на участках с помощью формулы (1.8);

6. Результаты расчетов свести в таблицу 1.1

Таблица 1.1

Параметр	Номер створа
Z, м					138,4	132,5	130,1		123,7
Q, м3/с
	Номер участка
	1-2	2-3	3-4	4-5	5-6	6-7	7-8	8-9	9-10
L, км
Н, м
Qуч, м3/с
N, кВт
Nуд, кВт
SN, кВт
Э, кВт*ч

7. Построить кадастровый график, т.е. графическое представление гидроэнергетических ресурсов реки Z=f(L), Q=f(L), N_уд=f(L), N_∑=f(L) (рис. 1.2);

Рис. 1.2 Кадастровый график потенциальных энергоресурсов реки

8. На основе всей полученной информации сделать вывод о том, какой створ обладает наибольшим энергетическим потенциалом и какой створ наиболее целесообразно использовать для строительства ГЭС.

Задание №2

«Построение кривОЙ обеспеченности СТОКА в створе РЕКИ»

(2 часа)

Цель: Научиться по имеющимся гидрологическим данным строить кривую обеспеченности стока реки и определять по ней маловодный и средневодный года.

Задачи:

1. Построить на основе исходных данных кривую обеспеченности стока реки в заданном створе;

2. Определить по кривой гидрографы маловодного и средневодного года.

3. Сделать вывод о роли кривой обеспеченности в решении задач гидроэнергетики.

Основные сведения

В связи с климатическими и физико-географическими условиями речной сток подвержен значительным колебаниям, как в течение года, так и за ряд лет (внутри вековой, вековой циклы и т.д.). Некоторые из этих колебаний во времени и пространстве являются случайными и зависящими от столь большого числа переменных факторов, что учесть их в явном виде гидрология не в состоянии. Однако, большинство факторов, определяющих сток, имеют вероятностный характер. Это позволяет производить описание с использованием методов теории вероятностей и математической статистики.

Одним из методов теории вероятностей, применяемых к исследованию гидрологических явлений, является кривая распределения или кривая обеспеченности, которая дает в общей форме характеристику распределения того или иного гидрологического элемента за период наблюдений (W, Q).

И что особенно важно, эта кривая при современном уровне гидрологических знаний является единственным основанием для суждения о вероятности появления в будущем гидрологического явления большого или меньшего по величине, чем любое заданное значение. Чем длиннее ряд, тем выше точность расчетов.

Кривая обеспеченности даёт возможность решить многие задачи гидроэнергетики такие как:

- расчёт максимальных и минимальных притоков;

- определение расчётной обеспеченности и гарантированной мощности проектируемой гидроэлектростанции;

- Определение установленной мощности ГЭС;

- разработка режимов регулирования стока водохранилищами;

- установление размеров водосбросных отверстий плотин;

- даёт возможность сравнивать различные реки по одинаковым показателям, что позволяет делать широкие гидрологические обобщения.

Наиболее важными являются второй и третий пункты. Остановимся на них подробнее.

Гарантированная мощность (N_гар) – мощность, которая точно будет получена в расчетных маловодных условиях.

Гарантированная мощность определяется на основе гидрографа маловодного года. К маловодным обычно относятся года с обеспеченностью от 0,85 до 0,96 %. Конкретный маловодный год выбирается из условия расчетной обеспеченности.

Расчетная обеспеченность (P_расч) – это вероятность появления среднемноголетней величины расхода для маловодного года;

Установленная мощность ГЭС (N_уст)– электрическая номинальная мощность всех агрегатов.

Основным условием выбора установленной мощности ГЭС является достаточное количество энергоресурса (воды) в средневодный год (обычно выбирается год с P=50%). Рассматривать для выбора установленной мощности года с меньшей обеспеченностью расхода не целесообразно, поскольку мала вероятность притока достаточного количества воды и возможен простой оборудования. Выбор года с большей обеспеченностью не позволит в полной мере реализовать технический потенциал реки.

На рисунке 2.1 представлено, как распределяются года на кривой обеспеченности в зависимости от значения среднегодового расхода в ряде лет.

2.1 Кривая обеспеченности расхода в створе реки

Исходные данные:

В качестве исходных данных для построения кривой обеспеченности берется ряд гидрологических наблюдений (приложение 1) створе реки, состоящий из гидрографов, расходы которых усреднены на месячном интервале (варианты задаются преподавателем).