10.5 Регулювання річкового стоку водосховищами гес
Природний (побутовий) режим річкового стоку в переважній більшості випадків відрізняється крайньою нерівномірністю. Так, на рівнинних річках в періоди весняної повені (1,5—3 м/с) проходить зазвичай до 60—70% річного стоку. Істотно розрізняється річний стік і в багаторічному розрізі. Такий розподіл стоку знаходиться в різкій суперечності з режимом його споживання більшістю водоспоживачів і водокористувачів. Так, якщо в добовому розрізі графік навантаження ГЕС відрізняється значною нерівномірністю, то приточність рівнинних річок протягом доби зазвичай майже незмінна. Спостерігаються протиріччя і серед неенергетичних споживачів води.
Нерівномірно розподілені водні ресурси і по території країни. Більше 86% водних ресурсів в господарстві є в слабо освоєних північних і східних районах, далеко від центрів водоспоживаення, і лише близько 14% річкового стоку відноситься до південної зони, до території, де зосереджено близько 85% населення і 80% промислового і сільськогосподарського виробництва.
Все це приводить до необхідності перерозподілу природного стоку в часі і по території. Воно здійснюється за допомогою регулювання стоку водосховищами, в яких затримується надмірна природна притока, коли він перевищує попит споживачів, і витрачається, коли цей стік більше притоку.
Режим потужності ГЕС і режим вироблення нею електроенергії диктується не тільки попитом споживачів, але і тим, наскільки економічно цей попит задовольняється. Тому водноенергетичне регулювання невіддільне від визначення оптимальних режимів ГЕС або групи електростанцій, з якими паралельно працює дана ГЕС.
При комплексному використанні водотоку , коли останній використовується, як для енергетичних, так і для неенергетичних цілей, здійснюється комплексне регулювання, тобто натиск і витрати для ГЕС і лише витрати для інших водокористувачів і водоспоживачів.
При будь-якому виді регулювання споживачі води в деякі періоди часу працюють з витратою води, що перевищує притік, а в інші періоди часу витрачають води менше притоку. У першому випадку відбувається виробітка водосховища, а в другому — наповнення.
Проміжок часу від початку якого-небудь одного періоду виробітки водосховища до початку наступного — після чергового його заповнення — називається циклом регулювання. Тривалість циклу регулювання визначає його різновиди, відповідно до чого розрізняють короткострокове регулювання і тривале. До першого вигляду відносять добове і тижневе регулювання, а до другого — сезонне, річне і багаторічне. Розглянемо стисло кожний з цих видів.
Добове регулювання. Як сказано, природні (побутові) витрати багатьох річок Qo(t) протягом доби залишаються практично незмінними. Виняток становлять лише періоди повеней і паводків.
Мал. 10.20. Графік зміни основних параметрів ГЕС при добовому регулюванні.
В період повені режим роботи ГЕС має зворотну картину і, як правило, незмінний, а в решту часу різко міняється (мал. 10.20,а). Внаслідок цього витрати, що пропускаються турбінами ГЕС Qгес при її змінному режимі, будуть також змінними, міняючись нерідко від нуля до повної пропускної спроможності.
В результаті протягом деякої частини доби (мал. 10.20,б) є надмірний притік, в іншій — недостатній. Звідси добове регулювання полягатиме в тому, щоб в години малого навантаження ГЕС (мал. 10.20,а) запасти у водосховищі надмірний притік, а в години підвищеного навантаження його спрацювати. Якщо об'єм водосховища достатній для затримання всього надмірного притоку в години малого навантаження, то цей притік за відсутності обмежень на режим ГЕС може бути використаний для збільшення потужності (проти тієї, яку вона могла б розвинути, використовуючи природну витрату) в години піку навантаження споживачів.
Цей ефект дозволяє підвищити участь ГЕС в покритті піку навантаження, унаслідок чого при роботі ГЕС в енергосистемі, по-перше, відпадає необхідність в дублюванні її потужності, і, по-друге, виникає можливість забезпечити сприятливіший режим теплових електростанцій, створюючи тим самим відповідну економію палива. Проте цей ефект не супроводжується збільшенням вироблення електроенергії. Навпаки, вироблення енергії при добовому регулюванні буде менше тієї, яку давала б ГЕС, працюючи на природному режимі стоку, тобто без регулювання.
Це є слідством того, що, як показується в курсі гідравліки, середній за добу рівень води в нижньому б'єфі при несталому режимі в нім завжди буде вищий, ніж при постійній витраті, визначуваному Qб (мал. 10.20,г).
Крім того, середньодобовий рівень верхнього б'єфу zв.б (мал. 10.20,в) буде завжди нижчий за той, при якому ГЕС працювала б, не маючи регулювання, тобто на природній витраті при НПР. Це підтверджується також і графіком зміни натиску НГЕС(t), представленим на мал. 10.20,д. Тут Н відповідає натиску, визначуваному як різниця середніх рівнів zв.б і zн.б при QГЕС(t) .
Втрати добового регулювання, що виходять, залежать перш за все від величини використовуваного натиску. Чим менше натиск, тим сильніше позначаються ці втрати, і для низьконапірних ГЕС вони доходять до 3—5% добового вироблення ГЕС при її роботі на природній витраті.
У міру збільшення добового притоку режим роботи ГЕС все більш вирівнюватиметься і, нарешті, може бути досягнуте такого положення, коли ГЕС всі 24 години працюватиме з повною встановленою або такою, що встановлюється, потужністю, тобто в базисній частині графіка навантаження. Подальше збільшення побутової витрати приведе до необхідності скидання надлишків води крім турбін, рівень нижнього-б’єфу при цьому підвищиться (див. мал. 10.18), натиск зменшиться, а разом з ним зменшиться і потужність ГЕС, стаючи для низько- і середньонапірних ГЕС значно менше встановленої.
При здійсненні добового регулювання можуть виникнути різного роду обмеження, що накладаються на режими ГЕС неенергетичними учасниками комплексу. Так, наприклад, за відсутності підпору в нижньому б'єфі з боку нижчележачої ГЕС водний транспорт може пред'явити вимоги по забезпеченню необхідних судноплавних глибин протягом всіх: 24 год, а також відносно допустимих швидкостей течії при підході до шлюзів.
Аналогічні вимоги по підтримці необхідних глибин можуть бути пред'явлені водоспоживачами (іригація, промислове і побутове водопостачання). Для задоволення цих вимог проводять попуски в нижній б'єф певних витрат води, званих базисними. Нарешті, іноді виникають обмеження режиму турбін ГЕС (зазвичай при невеликих навантаженнях) за умовами кавітації , яку тривалий час допускати не можна. Обмеження при добовому регулюванні іноді виникають і унаслідок відсутності достатньої місткості водосховища.
Реалізація вказаних обмежень зазвичай призводить до зниження енергоекономічної ефективності роботи ГЕС, проте при комплексному використанні водотоку це зниження є цілком виправданим з погляду народного господарства в цілому, оскільки компенсується віддачею, що отримується від неенергетичних учасників комплексу.
Об'єм водосховища, необхідний для добового регулювання, дуже невеликий і зазвичай складає близько 0,5 об'єму добового стоку розрахункового маловодного року.
Тижневе регулювання. У неробочі дні тижня навантаження споживачів електроенергії різко падає (особливо в неділю). В цей час гідроелектростанція може також понизити свою потужність до величини, меншої тій, яку вона могла б розвинути, працюючи на природній витраті. Надлишок (мал. 10.21,б), що виходить, може бути використаний на заповнення водосховища, спрацьованого за час робочих днів тижня. Сказане ілюструє мал. 10.21,б, де для простоти передбачається, що побутова витрата, як це зазвичай буває в періоди маловоддя , протягом тижня практично не змінюється, навантаження споживачів системи в робочі дні практично однакове і в тижні є два вихідних дня (мал. 10.21,а). Зрозуміло, що якісно картина не зміниться, якщо навантаження системи в робочі дні і притік не будуть незмінними.
Мал. 10.21. Графік зміни основних параметрів ГЕС при тижневому регулюванні.
Таким чином, тижневе регулювання забезпечує нерівномірне споживання води гідроелектростанцією протягом тижня відповідно до тижневих коливань навантаження споживачів. Якщо водосховище одночасно використовується і для добового регулювання, то в ньому спостерігатиметься і добове коливання рівнів б'єфів (пунктир на мал. 10.21,в, г). Проте замкнутого циклу добового регулювання, природно, при цьому не буде, оскільки рівень водосховища до кінця кожного робочого дня буде нижчий. Тривалість повного циклу коливань рівня верхнього б'єфу в цьому випадку (мал. 10.21,в) буде рівний одному тижню.
При тижневому регулюванні, так само як і при добовому, є можливість підвищити потужність ГЕС в порівнянні з тією, яку вона могла б розвинути, працюючи на природній витраті. Проте отримуваний в цьому випадку енергетичний ефект за рахунок роботи ГЕС велику частину часу на знижених натисках (мал. 10.21,в) буде менше, ніж при добовому регулюванні. Разом з тим річне вироблення ГЕС тижневе регулювання буде дещо вище (за рахунок деякого зменшення холостих скидань) в порівнянні з ГЕС добового регулювання, оскільки водосховище тижневого регулювання більше за об'ємом, чим водосховище добового регулювання. Зазвичай вважається, що при двох вихідних днях цей об'єм не перевищує приточності за дні, прийняті за розрахункову маловодну добу.
При здійсненні тижневого регулювання на відповідний режим ГЕС можуть також накладатися різного роду обмеження як з боку неенергетичних галузей комплексу, так і за умовами бескавітаційного режиму роботи турбін. Природно, що всі подібного роду обмеження знижуватимуть енергоекономічну ефективність ГЕС.
Загальним для короткострокового регулювання є перерозподіл порівняльно рівномірного добового і тижневого режиму приточності в нерівномірний режим витрат ГЕС.
Річне регулювання. Природний гідрологічний річний режим річки зазвичай відрізняється крайньою нерівномірністю і знаходиться в суперечності із запитами енергетики. Вживане для зняття цієї суперечності річне регулювання шляхом затримання (частково або повністю) у водосховищі; паводки і використання їх протягом маловодного періоду дозволяє збільшити гарантовану потужність ГЕС і кількість енергії, що виробляється нею, в порівнянні з ГЕС короткострокового регулювання за рахунок зменшення (або ліквідації) безкорисних скидань вод повені. Весь цикл регулювання при цьому займає 1 рік. Якщо після спрацювання чергового наповнення водосховища завжди є холості скидання, то регулювання називається сезонним (неповним річним) на відміну від річного (повного), коли в умовах розрахункової забезпеченості стоку скидань немає. Як у разі сезонного регулювання, так і річного в кожному наступному році цикли спрацювання і наповнення повторюються.
Об'єм водосховища річного регулювання зазвичай складає від 2 до 30% середньобагаторічного об'єму річного стоку річки, тобто βгр=0,02÷0,30.
Мал. 10.22. Зміна рівня верхнього б'єфу ГЕС.
а — при річному регулюванні; б — при сезонному регулюванні.
Водосховище річного регулювання може, як це звичайно і буває, одночасно виконувати і короткострокове регулювання (добове і тижневе).
На мал. 10.22,а представлена загальна схема річного регулювання, а на мал. 10.22,б — сезонного (є період скидання надлишків вод). На цих же малюнках представлені відповідні режими верхнього б'єфу zв.б(t). Ясно, що в особливо маловодні роки або при дуже великих (понадразрохункових) вилученнях вод повені водосховище може і не наповнитися до відмітки НПР .
Багаторічні регулювання. Цикл регулювання триває декілька років. Водосховище наповнюється надмірним стоком одного або декількох багатоводних років спорожняється протягом ряду маловодних років. При цьому регулюванні рівень водосховища в кінці маловодного року буде завжди нижчий, ніж на його початку. Багаторічне регулювання зводиться до збільшення стоку маловодних років. Особливістю цього виду регулювання є непостійність тривалості циклу регулювання. При незмінному споживанні води період наповнення і період спорожнення водосховища визначається виключно гідрологічною обстановкою кожного року. Чим більше при цьому відносний об'єм водосховища, тим, очевидно, рідше він заповнюється до відмітки НПР.
При багаторічному регулюванні, так само як і при річному, є можливість збільшити гарантовану потужність ГЕС і енергію (за рахунок практично повного усунення холостих скидань під час повеней), що виробляється нею, в порівнянні з ГЕС річного регулювання і короткострокового. Само собою зрозуміло, що і в цьому випадку водосховище може здійснювати будь-яке менш тривале регулювання (або їх поєднання).
Вважається, що для того, щоб водосховище ГЕС було спроможне здійснювати багаторічне регулювання, його об'єм повинен складати не менше 30—50% величини середнього за багаторічний період об'єму річного стоку річки, тобто βмр = 0,3÷0,5.
Мал. 10.23. Зміна рівня верхнього б'єфу ГЕС при багаторічному регулюванні.
На мал. 10.23 представлені загальна схема багаторічного регулювання і графік зміни рівня верхнього б'єфу. Як видно з малюнка, період наповнення залежно від водності років може бути різним. На початку регулювання водосховище було заповнене в перший же рік, а після спрацювання на це було потрібно два роки (більш маловодних, ніж перший рік).
Таким чином, при тривалому регулюванні зменшується багаторічна і річна нерівномірність витрати, тоді як при короткостроковому регулюванні нерівномірність витрати за регульований період (доба, тиждень) різко зростає.
Окрім описаних видів регулювання розрізняють спеціальні види регулювання, включаючи каскадне.