Водноэнергетические расчеты

Лекция 2. Физические основы ИВЭ.

Водные ресурсы земли.

Водные ресурсы – пригодные для использования пресные воды, заключённые в реках, озёрах, водохранилищах, ледниках, подземных водах, а также почвенная влага. Пары атмосферы, солёные воды океанов и морей, не используемые в хозяйстве, составляют потенциальные водные ресурсы. Общий объём водных ресурсов оценивается в 1,4 млрд. км³, из них на долю пресных вод приходится только 2 %, а на долю технически доступных для использования – всего 0,3 %. Забор воды из всех источников составляет ок. 4000 км³ в год. Водные ресурсы используются в энергетике, для орошения земель, промышленного, с.-х., коммунально-бытового водоснабжения, а также в качестве транспортных путей. При использовании водных ресурсов их количество либо не меняется вообще (напр., в гидроэнергетике, водном транспорте), либо часть их изымается (для орошения, коммунального водоснабжения). Эта часть составляет безвозвратные потери для данной территории. При этом общие запасы водных ресурсов на Земле неисчерпаемы, т. к. они непрерывно возобновляются в процессе глобального круговорота воды. Доступный устойчивый речной сток рек, составляющий ок. 9000–12 000 км³ в год, представляет собой возобновляемые водные ресурсы суши, которые можно изымать для хоз. нужд. По суммарному значению возобновляемых водных ресурсов лидируют Бразилия, Россия, Канада, Китай, США, Индонезия, Бангладеш, Индия. В ряде р-нов отмечается количественное и качественное (из-за загрязнения) истощение водных ресурсов. Около 1/3 населения мира проживает в странах, испытывающих дефицит пресной воды. В зоне дефицита находится 50 % тер. Азии, 20 % Европы, ок. 30 % Сев. Америки, почти вся Австралия. Р-ны с избытком водных ресурсов расположены в экваториальных и субполярных широтах, а также во многих областях умеренного пояса. Поверхностный сток России составляет 10 % мирового. Однако 90 % приходится на бас. Сев. Ледовитого и Тихого океанов, в то же время на бас. Азовского и Каспийского морей, где проживает более 80 % населения, приходится менее 8 % годового объёма речного стока.

Круговорот воды в природе.Хотя общие запасы воды в мире неизменны, постоянно происходит ее перераспределение, и, таким образом, она является возобновляемым ресурсом. Круговорот воды происходит под влиянием солнечной радиации, которая стимулирует испарение воды. При этом осаждаются растворенные в ней минеральные вещества. Водяной пар поднимается в атмосферу, где конденсируется, и благодаря силе тяжести вода возвращается на землю в виде осадков – дождя или снега . Бóльшая часть осадков выпадает над океаном и лишь менее 25% – над сушей. Около 2/3 этих осадков в результате испарения и транспирации поступает в атмосферу и лишь 1/3 стекает в реки и просачивается в грунт. Сила тяжести способствует перераспределению жидкой влаги с более высоких участков на более низкие как на земной поверхности, так и под ней. Вода, первоначально приведенная в движение солнечной энергией, в морях и океанах перемещается в виде океанических течений, а в воздухе – в облаках.

Временные циклы доступности воды. В любой точке земного шара речной сток испытывает суточные и сезонные колебания, а также меняется с периодичностью в несколько лет. Эти вариации часто повторяются в определенной последовательности, т.е. являются цикличными. Например, расходы воды в реках, берега которых покрыты густым растительным покровом, обычно выше ночью. Это объясняется тем, что с рассвета до заката растительность использует грунтовые воды для транспирации, вследствие чего происходит постепенное сокращение речного стока, но его объем снова увеличивается ночью, когда транспирация прекращается.
Сезонные циклы водообеспеченности зависят от особенностей распределения осадков в течение года. Например, на Западе США дружное таяние снега происходит весной. В Индии зимой выпадает незначительное количество осадков, а в разгар лета начинаются обильные муссонные дожди. Хотя среднегодовой речной сток почти постоянен на протяжении ряда лет, экстремально высоким или экстремально низким он бывает раз в 11–13 лет. Возможно, это связано с цикличностью солнечной активности. Сведения о цикличности хода осадков и речного стока используются при прогнозе водообеспеченности и повторяемости засух, а также при планировании водоохранной деятельности.

Основным источником пресной воды являются атмосферные осадки, но для потребительских нужд могут также использоваться и два других источника: подземные и поверхностные воды.

Распределение осадков. Объем естественного возобновления водных запасов за счет атмосферных осадков различается в зависимости от географического положения и размеров частей света. Например, Южная Америка ежегодно получает почти втрое больше осадков, чем Австралия, и почти вдвое больше, чем Северная Америка, Африка, Азия и Европа (перечислены в порядке уменьшения годового количества осадков). Часть этой влаги возвращается в атмосферу в результате испарения и транспирации растениями: в Австралии эта величина достигает 87%, а в Европе и Северной Америке – лишь 60%. Остальная часть осадков стекает по земной поверхности и в конце концов с речным стоком достигает океана.

На территории России, за исключением крупных островов Северного Ледовитого океана, в среднем выпадает 9653 км3 осадков, которые условно могли бы покрыть ровную поверхность суши слоем 571 мм. Из этого количества на испарение затрачивается 5676 км3 (336 мм) осадков.

В формировании годовых сумм атмосферных осадков обнаруживаются четко выраженные закономерности, характерные не только для конкретных территорий, но и для страны в целом (рис. 1.).

Рис. 1 Распределение атмосферных осадков по территории России.

В направлении с запада на восток происходит последовательное уменьшение количества атмосферных осадков, наблюдается их зональное распределение, которое изменяется под воздействием рельефа местности и теряет свою четкость на востоке страны.

Во внутригодовом распределении на большей части страны наблюдается преобладание осадков летнего периода. В годовом разрезе наибольшее количество осадков приходится на июнь, наименьшее – на вторую половину зимы. Преобладание осадков холодного периода характерно в основном для юго-западных районов – Ростовской, Пензенской, Самарской областей, Ставропольского края, низовьев р. Терека.

В июне-августе (календарные летние месяцы) на европейской территории выпадает более 30% годового слоя осадков, в Восточной Сибири – 50%, в Забайкалье и бассейне р. Амура – 60–70%. Зимой (декабрь-февраль) в европейской части выпадает 20–25% осадков, в Забайкалье – 5%, Якутии – 10%.

Осенние месяцы (сентябрь-октябрь) отличаются относительно равномерным распределением осадков по всей территории (20–30%). Весной (март-май) от западных границ до р. Енисея выпадает до 20% годового количества осадков, восточнее р. Енисея – в основном 15–20%. Наименьшее количество осадков в это время наблюдается в Забайкалье (около 10%).

Самое общее представление о характере изменений атмосферных осадков на территории РФ во второй половине ХХ и начале XXI столетия дают временные ряды пространственно осредненных средних годовых и сезонных аномалий атмосферных осадков.

Испаряемость

Годовая испаряемость на равнинах России колеблется от 150-200 мм в сибирских провинциях тундр до 1000 мм в полупустынях и пустынях Прикаспийской низменности. В тайге наиболее характерные величины испаряемости составляют 450-500 мм, в провинциях смешанных лесов – 600-700 мм, в степях – 800-900 мм.

Потери на испарение с водной поверхности водохранилищ в среднем составляют 1,9% прихода, причем по некоторым крупным водохранилищам пределы колебаний могут составлять от 1,2 до 9%. Наибольшие потери на испарение характерны для водохранилищ южных районов Европейской территории.

Увлажнение территории определяется по соотношению между количеством выпадающих атмосферных осадков и испаряемостью. При этом если осадки превышают испаряемость, возникает избыточное увлажнение и часть выпавшей влаги удаляется из данной местности в виде стока. Недостаточное увлажнение территории связано с тем, что осадков выпадает меньше, чем может испариться.

Подземные источники.Примерно 37,5 млн. км³, или 98% всей пресной воды в жидком состоянии приходится на подземные воды, причем ок. 50% из них залегает на глубинах не более 800 м. Однако объем доступных подземных вод определяется свойствами водоносных горизонтов и мощностью откачивающих воду насосов. Запасы подземных вод в Сахаре оцениваются примерно в 625 тыс. км³. В современных условиях они не пополняются за счет поверхностных пресных вод, а при откачке истощаются. Некоторые наиболее глубоко залегающие подземные воды вообще никогда не включаются в общий круговорот воды, и только в районах активного вулканизма такие воды извергаются в форме пара. Однако значительная масса подземных вод все же проникает на земную поверхность: под действием силы тяжести эти воды, двигаясь вдоль водонепроницаемых наклоннозалегающих пластов горных пород, выходят у подножий склонов в виде источников и ручьев. Кроме того, они откачиваются насосами, а также извлекаются корнями растений и затем в процессе транспирации поступают в атмосферу.

Поверхностные источники.Лишь 0,01% от общего объема пресной воды в жидком состоянии сосредоточена в реках и ручьях и 1,47% – в озерах. Для накопления воды и постоянного обеспечения ею потребителей, а также для предотвращения нежелательных паводков и производства электроэнергии на многих реках сооружены плотины. Наибольшие средние расходы воды, а следовательно, и наибольший энергетический потенциал имеют Амазонка в Южной Америке, Конго (Заир) в Африке, Ганг с Брахмапутрой в южной Азии, Янцзы в Китае, Енисей в России и Миссисипи с Миссури в США.

2.2 Основные понятия и зависимости для ведения водноэнргетических расчетов.

Гидроэнергетические установки преобразуют механическую энергию падающей воды в электрическую на гидравлических (ГЭС), гидроаккумулирующих (ГАЭС) и приливных (ПЭС) электростанциях при их работе в турбинном режиме или преобразуют электрическую энергию в механическую энергию подъема воды на насосных станциях (НС), а также на ГАЭС и ПЭС при их работе в насосном режиме.

Количество механической энергии текущей жидкости е в любом произвольно выбранном сечении потока определяется по уравнению Бернулли:

(1.1)

где Z0 — высота центра тяжести рассматриваемого живого сечения потока над плоскостью сравнения или потенциальная энергия положения (рис. 1.1); p/ρg — пьезометрическая высота, равная глубине погружения центра тяжести того же живого сечения под уровень воды или потенциальная энергия давления, м; av2/2g — скоростная высота, или скоростной напор, или кинетическая энергия, м; р — избыточное давление, равное разности абсолютного давления в данной точке потока рабс и атмосферного на поверхности воды ратм, т. е. р=рабс—Ратм (давление в СИ выражается в Па или МПа; на уровне моря ратм = = 100000 Па=0,1 МПа); ρ — плотность жидкости, кг/м3; g— ускорение свободного падения, м/с2; v — средняя ско­рость течения воды в данном живом сечении, м/с; а —ко­эффициент Кориолиса, учитывающий неравномерность распределения скоростей воды по живому сечению.

Плотность воды р, протекающей через турбины ГЭС, зависит, хотя и незначительно, от ее температуры (табл. 1.1); в проектных расчетах она принимается, как правило, равной 1000 кг/м3. Плотность соленой воды, ис­пользуемой на ПЭС, принимается равной 1030 кг/м3.

Таблица 1.1

Температура воды, °с
Плотность воды р, КГ/М3	999,87	1000,00	999.75	998,26	995,76

Ускорение свободного падения g в зависимости от гео­графического положения ГЭУ колеблется незначительно: от 9,825 на Крайнем Севере до 9,782 на Юге. В проектных расчетах обычно принимается g=9,81.

Сумма энергий положения z0 и давления p/ρg равна отметке уровня воды в бьефе z:

(1.2)

Напор - брутто выражается через разность удельных энергий потока в верхнем и нижнем бьефах ГЭС:

(1.3)

Если на ГЭС установлены реактивные турбины (поворотно-лопастные, радиально-осевые, диагональные), то в водно-энергетических расчетах пренебрегают скоростным напором, поэтому

(1.4)

При установке на ГЭС активных турбин (ковшовых) учитывается лишь скоростной напор, поэтому

(1.5)

Вода, поступающая к гидроагрегатам, должна пройти различные оградительные и направляющие сооружения, например защитные стенки, решетки, трубопроводы и т.д., в которых часть энергии потока теряется. Эти потери называются потерями напора Δh. Разность напора-брутто и потерь напора является напором-нетто:

(1.6)

Часть энергии потока теряется внутри самой гидравлической турбины. Эти потери складываются из потерь напора на гидравлическое трение о стенки водопроводящих каналов турбины, механических потерь в подшипниках и подпятнике и пр. и учитываются с помощью коэффициента полезного действия турбины ηт. При превращении механической энергии вращения рабочего колеса турбины в электрическую в гидрогенераторе также имеют место потери энергии, электрические и механические, учитываемые коэффициентом его полезного действия ηг. Произведение ηт ηг есть коэффициент полезного действия гидроагрегата ηа.

Энергия, содержащаяся в объеме воды W, определяется произведением веса этого объема (Wρg) на удельную энергию:

(1.7)

где W — объем воды, м3; Q — расход воды, м3/с; t — время, с.

Единица энергии в СИ — джоуль: 1 Дж=1 Н·м.

Разность количеств механической энергии, содержащейся в начальном и конечном сечениях рассматриваемого участка водотока, например между верхним и нижним бьефами ГЭС, т. е. энергия участка Эуч, используется турбинами ГЭС для выработки электроэнергии:

(1.8)

(1.9)

Где

(1.10)

где Q_ГЭС — расход воды через ГЭС;

Q_ПР — расчетный, проектный приток в водохранилище гидроузла;

Q_В-ЩА— расход сработки (+) или наполнения (—) водохранилища;

Q_сб — поступление воды через водосбросные и водосливные сооружения, называемое обычно холостым сбросом;

Q_шл — затраты воды на шлюзование, рыбоход;

Q_Ф— потери воды на фильтрацию;

Q_НБ — расход воды в нижнем бьефе гидроузла;

Q_ЕСТ— естественный приток к створу гидроуз ла;

Q_БЕЗВ — безвозвратное водопотребление выше створа гидроузла;

Q_ИСП — потери воды на дополнительное испарение; QЛ — потери воды на льдообразование.

Расход воды Q выражается в м3/с.

Затраты воды на шлюзование, работу рыбоходов, шугосбросов и других специальных сооружений, а также потери воды на фильтрацию называют возвратными потерями воды или неэнергетическими затратами стока Q_B, они равны Qшл+Q_Ф.

Количество электроэнергии, вырабатываемой на ГЭС в 1 с, т. е. мощность ГЭС Qгэс, вычисляется по формуле:

(1.11)

Единица мощности в СИ — ватт, 1 Вт=1 Дж/с.

В энергетике мощность исчисляется в киловаттах (кВт), а выработка электроэнергии — в киловатт-часах (кВт-ч). Соотношения между единицами энергии и мощности даны в таблицах 1.2 и 1.3.

Таблица 1.2

Единица энергии	Дж	кгс·м	кВт·ч
джоуль килограмм-сила-метр киловатт-час	9,8067 3,6·106	0,102 3,67·105	2,78·10-7 2,72·10-6

Таблица 1.3

Единица мощности	Вт	кгс·м/с	л. с.
ватт килограмм-сила-метр в секунду лошадиная сила	9,8067	0,102	1,36·10-3 1,33·10-2

Кроме того, мощность и выработка электроэнергии исчисляются в мегаваттах (МВт) и мегаватт-часах (МВт·ч), гигаваттах (ГВт) и гигаватт-часах (ГВт·ч), тераваттах (ТВт) и тераватт-часах (ТВт·ч).

1 ТВт = 1000 ГВт = 10⁶ МВт = 10⁹ кВт = 10¹² Вт;

1 ТВт·ч = 1000 ГВт·ч = 10⁶ МВт·ч = 10⁹ кВт·ч = 10¹² Вт·ч

Формулы (1.9) и (1.11) при исчислений Nгэс в кВт, Эгэс в кВт-ч имеют следующий вид:

;

(1.12)

Здесь Нн — в м, Q_ГЭС — в м3/с, W_T3C — в м3.

Затраты электроэнергии на работу насосной станции и ГАЭС в насосном режиме определяют по формулам:

(1.13)

Отличие формул (1.13) от (1.12) заключается лишь в использовании ηа в знаменателе и разном исчислении значений Нн: для ГЭС Нн=Нбр—Δh, а для НС Hн=Hбр+ Δh, где Δh — потери напора.

Общим понятием водноэнергетические расчеты охватывается совокупность операций, выполняемых для вычисления выработки электроэнергии на ГЭС, ГАЭС, ПЭС или затрат электроэнергии на НС, ГАЭС, ПЭС в условиях разной водности потока применительно к различным параметрам гидроузлов (при проектировании) и правилам использования стока (как при проектировании, так и при эксплуатации).

Расчетам предшествует этап создания модели работы гидроузлов и постановки задачи.

Таким образом, расчеты могут быть

ü Водохозяйственные

ü Водноэнергетические проектные

ü Водноэнергетические эксплуатационные

Водохозяйственный расчет

Сущность водохозяйственных расчетов заключается в решении уравнения водного баланса в каждый расчетный отрезок времени Δt, продолжительность которого выбирается в зависимости от требуемой точности расчетов, интенсивности изменения притока, располагаемой гидрологической информации и других факторов.

Водноэнергетические расчеты

Обычно выполняются совместно с водохозяйственными расчетами, под которыми понимается совокупность операций по регулированию стока водохранилищами и определению расходов воды в нижнем бьефе гидроузла Q_НБ.

Целью водноэнергетических расчетов является:

1) определение водноэнергетических показателей ГЭС, НС, ГАЭС и ПЭС при различных параметрах гидроузла;

2) составление многолетней характеристики режима работы гидроузла при выбранных в результате технико-экономических расчетов параметрах.

Основными водноэнергетическими показателями ГЭС считаются:

ü средняя многолетняя выработка электроэнергии Э;

ü гарантированная (минимальная, обеспеченная) мощность ГЭС N_ГАРрасчетной или нормированной обеспеченности - это минимальная среднесуточная (среднемесячная, среднесезонная или среднегодовая) мощность, которую ГЭС обеспечивает с заданной надежностью. В отечественной проектной практике в качестве гарантированной мощности ГЭС с водохранилищем годичного регулирования используется средняя месячная (обычно декабрьская) мощность, либо может использоваться средня мощность за всю межень, либо среднегодовая;

ü располагаемая (пиковая) мощность N_РАСПГЭС расчетной обеспеченности - это максимальная мощность, которая может быть получена на ГЭС в течение суток по напору, расходу, состоянию оборудования, допустимой амплитуде колебаний уровней как в верхнем, так и в нижнем бьефе гидроузла.

Эти показатели используются в первую очередь для определения экономических характеристик гидроэнергетических установок. Э, N_ГАР и N_РАСП должны определяться для всех вариантов схемы использования водотока, местоположения гидроузла и его главных параметров, а именно: нормального подпорного уровня (НПУ); уровня мертвого объема (УМО) или глубины сработки (высоты сливной призмы) h_СР, установленной мощности ГЭС N_УСТ (N_УСТ — сумма номинальных активных мощностей всех гидроагрегатов).

Аналогичные показатели должны определяться при выборе типоразмера и диаметра рабочего колеса турбин d_r, диаметра трубопроводов, размеров водоподводящего канала и других параметров гидроузлов, а также при разработке правил управления водными ресурсами. Например, в техническом проекте ГЭС Аль-Баас с водохранилищем суточного регулирования Э, N_ГАР и N_РАСП определялись не только применительно к разным вариантам НПУ,N_УСТ, d_T, числа гидроагрегатов, правил управления водными ресурсами вышележащего водохранилища многолетнего регулирования стока, но и, что в проектной практике ранее не делалось, для вариантов размеров расчистки русла в нижнем бьефе.

Основные показатели проектируемой ГЭУ вычисляются с учетом ее влияния на аналогичные показатели других ГЭУ, работающих с проектируемой в одном каскаде или в одной электроэнергетической системе.