Управление водными ресурсами

Гидростанции

Как уже говорилось, гидроресурсы являются высокоэкономичным восполняемым источником энергии. В европейской части России наиболее экономически выгодные гидроресурсы практически исчерпаны. Гидроэнергетические ресурсы, сосредоточенные в Енисейско-Ангарском бассейне, уникальны. Из них экономически эффективные освоены на 32,8 % [3]. В мировом балансе энергетические ресурсы рек России составляют около 10 % от мировых. Енисей по величине стока является самой многоводной рекой среди рек России, среднегодовой расход в его устье составляет 19 800 M VC.

Уровень воды в реках переменный. Они стекают в Мировой океан, п уровень воды в верховьях рек выше, чем в низовьях. Если некоторое сечение реки (створ) перегородить плотиной, то напор (перепад уровней) сосредоточится в створе плотины. Статистический напор Н это разность отметок уровней верхнего и нижнего бьефов:

, (2.1)

Соответственно мощность потока , сбрасываемого из верхнего бьефа в нижний,

, (2.2)

где расход воды, м³/с;

плотность воды (1000 кг/м³);

ускорение свободного падения (м/с²).

Полная энергия сбрасываемой воды определится как

, (2.3)

где время, с.

Разделив реку в нескольких створах плотинами, можно по формулам (2.2), (2.3) получить энергетический потенциал реки. Следует отметить, что предложенная схема расчета упрощена, так как часть напора теряется при движении воды от водозабора до турбины, речной сток неравномерен и меняется, часть воды сбрасывается вхолостую и не проходит через турбину. В табл. 2.5 представлен потенциал некоторых крупнейших рек России и производство электроэнергии на 1995 г.

Таблица 2.5

Река	Экономический потенциал, млрд. кВтч	Использованный потенциал, млрд. кВтч	Река	Экономический потенциал, млрд кВт ч	Использованный потенциал, млрд кВтч
Енисей	125.0	51,6	Обь	94.0	2,3
Лена	227,8	0.2	Колыма	27.0	2.4
Ангара	163,0	53.0	Вилюй	7,2	2.6
Амур	43.0	0.0	Зея	15,0	5.0
Волга	46.3	32.5	Кама	9,7	7.2

На гидроэлектростанции большая часть воды, проходящей через плотину, по водоводам поступает к турбинам. Турбина, вращаемая потоком, переводит гидравлическую энергию в механическую энергию вращения рабочего колеса турбины. Рабочее колесо турбины соединено валом с ротором генератора. В генераторе происходит преобразование механической энергии в электрическую. КПД генератора напрямую зависит от напора воды, а следовательно, управление водными ресурсами является важным моментом в вопросе эиерго- и ресурсосбережения на гидростанции.

Вопрос рационального использования водных ресурсов эффективно решается с помощью водного хозяйства. Его главная задача трансформировать естественный гидрограф реки и приспособить его к графикам потребностей водопотребителей и водопользователей. Основным регулятором стока является водохранилище (искусственный водоем, образующийся перед плотиной). Объем водохранилища является полным объемом К„д,.,, если уровень воды соответствует нормальному подпорному уровню (НПУ). Соответствующий объем водохранилища от дна до отметки УМО называется мертвым объемом . Разность между полным и мертвым объемами составляет полезный объем водохранилища:

. (2.4)

Выбор оптимального размера водохранилища (высоты плотины) представляет собой сложную комплексную задачу. С одной стороны, водохранилище должно иметь вместимость (объем), достаточный для того, чтобы запасти в нем возможно большую часть стока половодья и паводков п расходовать этот запас в межень, когда естественные расходы малы и воды не хватает для нужд потребителей. При пропуске катастрофических половодий и паводков техническими условиями разрешается кратковременно повышать уровень, превышающий НПУ. Уровень, до которого разрешается такой подъем, называется форсированный подпорный уровень (ФПУ). В большинстве случаев водохранилище имеет многоцелевой характер. При разработке схемы управления гидроресурсами (графики отпуска и потребления воды, мощности и электрической энергии) должны быть учтены интересы: со стороны поставщиков воды: бассейновые водохозяйственные управления: со стороны поставщиков электроэнергии: РАО «ЕЭС России»; со стороны потребителей воды, мощности н энергии: промышленные, сельскохозяйственные, коммунально-бытовые и другие потребители энергетических ресурсов; бытовые и другие потребители энергетических ресурсов; со стороны прочих организаций: органы федерального, регионального и местного самоуправления, предприятия и организации по обеспечению защиты от повреждений, затоплений, подтоплений и санитарного расхода воды во все времена года с учетом экологических требований и интересов коммунально-бытовых потребителей.

Существует ряд проблем, которые можно условно разнести по разным уровням уравнения:

расчеты балансов энергии и мощности и их перетоков производятся только в физических единицах, без денежного выражения, что не позволяет оценить экологическое состояние производителей энергии; отсутствие механизма учета режимного эффекта ГЭС; недостаточный учет экологических требований в правилах водопользования;

в правилах водопользования недостаточно рассмотрены вопросы параллельно работающих каскадов ГЭС, расположенных на одной и на разных реках;

отсутствие согласованного механизма принятия решении по наиболее полному и эффективному использованию водноэнергетических ресурсов рек на различных интервалах времени при соблюдении экологических требований;

технико-экономическое обоснование балансов энергии и мощности каждой территории и энергосистеме отдельно на различных интервалах времени с учетом режимов энергосистемы;

недостаточная точность прогнозов расходов воды, отсутствие правил водопользования, разработанных с учетом рыночных отношений между всеми водопользователями, производителями и потребителями электроэнергии;

отсутствие методик оценки и механизма взыскания ущерба при несогласованных действиях или отклонениях от них различными организациями органами управления.

Особенностью управления ГЭС по сравнению с ТЭС является необходимость учета ряда специфических факторов:

неравномерность годового стока рек и необходимость его основного использования в зимний период (зимний максимум нагрузки);

непосредственное влияние водного режима на большое количество объектов выше и ниже створа ГЭС и, следовательно, необходимость учета интересов большого количества субъектов (водопользователи, пароходство, рыбное хозяйство и т. д.);

инерционность водных режимов:

влияние водноэнергетического режимов каждой ГЭС на другую ГЭС данного каскада и на другие каскады ГЭС, особенно, когда реки, на которых они выполнены, сливаются вместе в одну.

Кроме того, зеркало водохранилища должно быть возможно минимальным, чтобы избежать больших затоплений н уменьшить негативное влияние водохранилища на окружающую среду. В табл. 2.6 приведены данные по некоторым наиболее крупным водохранилищам России.

Из таблицы видно, что Саяно-Шушенское водохранилище имеет минимальное зеркало водохранилища при существенной его емкости. Это одни из важных факторов при оценке экономической эффективности ГЭС.

При энергетическом освоении какого-либо водотока стремятся к каскадному использованию его водных ресурсов. В этом случае на реке возводятся последовательно несколько гидроузлов, решающих общую задачу рационального регулирования стока реки. Это повышает степень зарегулиро- ванности стока, а следовательно, позволяет увеличивать мощность и выработку энергии ГЭС каскада.

Таблица 2.6

Водохранилище	Река	Объем водохранилища, км	Площадь водного зеркала, км
полный	полезный
Братское	Ангара	169,3	48,2
Красноярское	Енисей	73,3	30.4
Куйбышевское	Волга	58,0	34.6
Бухтарминское	Иртыш	53,0	31.0
Вилюйское	Вилюй	35.9	17.8
Волгоградское	Волга	31.1	8,3
Саяно-Шушенское	Енисей	30,7	14,7
Рыбинское	Волга	25.4	14,4
Цимлянское	Дон	23,8	11.5

Период аккумуляции воды в водохранилище сопровождается ростом уровня верхнего бьефа и называется наполнением водохранилища, период отдачи накопленной воды сработкой водохранилища. На рис. 2.3 дан условный график сработки наполнения водохранилища, па котором по оси Z_ta отложены уровни воды, а по оси t- время.

Рисунок 2.3 Условный график сработки -наполнение водохранилища

Существует несколько видов регулирования стока: многолетнее, годичное, суточное. Годичное (сезонное) преобразует сток в течение одного года. Многолетнее регулирование, когда в водохранилище хранится избыток стока многоводных лет, чтобы использовать этот избыток в маловодные годы (рис. 2.4). Пример такого водохранилища Братское, самое большое водохранилище в России объемом 169 км3. При суточном регулировании преобразуется сток в течение одних суток в периоды суточных утренних и вечерних максимумов нагрузки. В большинстве случаев водохранилища совмещают в себе функции сезонного и многолетнего регулирования.

Рисунок 2.4 Общая схема многолетнего регулирования и график уровня верхнего бьефа

Если обьем притока превышает объем сброса, следовательно, это годы аккумулирования (наполнения) водохранилища. Когда объем сброса превышает объем притока, то можно говорить о сработке водохранилища. Из рис. 2.2 видно, что потребовалось 5 лет, чтобы наполнить водохранилище до отметки нормального уровня.

При анализе притоков и расходов гндроресурса в стоке Красноярской ГЭС было выявлено, что самый маловодный год за последние 20 лет что 1990 год, приток составил всего 73,3 км'. Пик притока воды 1 17,2 км² пришелся на 2006 год. Вхолостую было сброшено 17,7 км² что приблизительно эквивалентно 4 млрд кВт ч. Следует отметить, что если бы не было каскада ГЭС па Енисее, то такой огромный приток создал бы массу проблем для водопользователей и только хорошо зарегулированный сток позволил избежать наводнения. Оптимизация графиков наполнения и сработки водохранилищ призвана обеспечить максимально высокие уровни водохранилищ многолетнего и суточного регулирования. Поддержание оптимальных сроков наполнения водохранилищ сезонного регулирования позволяет повысить КПД гидрогенератора. Важными вопросами при управлении водными ресурсами также являются: своевременное уточнение, разработка новых правил использования водных ресурсов совместно с федеральными органами МНР с учетом интересов других пользователей; участие в разработке федеральных законов и региональных нормативных документов, обеспечивающих приоритетное право на использование гидроресурсов водохранилищ ГЭС.

Дата добавления: 2017-01-14