Регулирование стока и выбор основных параметров гидроэлектростанции и водохранилища

В п. 2.2.3 отмечалось, что естественный сток реки неблагоприятен для водопотребителей и водопользователей, Например, зимой, когда потребность в электрической энергии возрастает, расходы в реках России минимальные. Поэтому при проектировании гидроэлектростанции первоочередной задачей, решаемой еще на стадии ТЭО. является рассмотрение возможностей регулирования (перераспределения) стока в интересах всех водопользователей и водопотребителей.

Оптимальное регулирование стока является сложной многокритериальной задачей. Требуется выбрать такие параметры гидроузла, чтобы, учтя возможности реки, удовлетворить потребности нескольких водопользователей и водопотребителей при минимальных затратах материальных ресурсов и минимальном ущербе окружающей среде. Прямое решение столь сложной задачи не представляется возможным. Поэтому она решается по шагам, методом последовательных приближений, и качество решения зависит от опыта инженера-проектировщика.

Примечание. К настоящему времени в прикладной математике разработано большое количество процедур принятия оптимальных решений в условиях неопределенности при наличии многих критериев, которым необходимо удовлетворить. Эти процедуры помогают инженеру-проектировщику найти оптимальное решение. Ход рассуждений, приведенный ниже, примыкает к известному методу проб и уступок. Сущность метода заключается в том, что первоначально делается попытка удовлетворить одному главному критерию. Затем в найденном решении по главному критерию делается «уступка», такая, чтобы удовлетворить в какой-то мере второму по значимости критерию и т.д.

Рассмотрим пример. На первом шаге предположим, что имеются:
- «идеально зарегулированная» река с постоянным расходом Q = 2500 м/с;
- один водопользователь - ГЭС. целиком использующая всю воду реки для производства электроэнергии, то есть Q = 2500 м/с;
- природные условия, позволяющие в некотором створе «идеальной» реки возвести ГЭС с максимальным напором Н = 200 м.

Примечания:
1. В качестве расхода для «идеально зарегулированной» реки можно принять среднегодовой расход реальной реки.
2. Условиями, ограничивающими напор до 200 м, могут быть, например, рельеф местности (недостаточная глубина ущелья) или наличие большого города, расположенного на таких отметках, что при напоре выше 200 м город будет затоплен.
3. В рассматриваемом примере среднегодовой расход и напор взяты приближенными к реальным параметрам для Саяно-Шушенской ГЭС.

Так как гидрологический режим водотока ниже плотины останется таким же, что в естественном водотоке, то УНБ будет соответствовать уровню воды в реке в естественных условиях, который определяется по данным инженерных изысканий.

Рассмотренная выше идеальная ситуация в действительности не реализуется. Смысл приведенной величины энергии в том, что она задает верхнюю границу величины энергии, к которой можно стремиться, но нельзя превзойти. При заданных постоянных расходе и напоре больше, чем приведенная цифра, энергии не получить.

Рассмотрим более реальную ситуацию, когда сток реки неравномерный, однако, водопользователь один (гидроэлектростанция) и нет никаких ограничений на размеры сооружений и водохранилища, кроме максимально допустимого напора, который, как и в предыдущем примере, примем Н= 200 м. Поскольку напор остался прежним, полный объем водохранилища V в этом примере такой же, как и в предыдущем.

В случае равенства площадей заштрихованных фигур, лежащих выше и ниже линии АВ, не требуется холостых сбросов. Если площадь заштрихованной фигуры, лежащей выше линии АВ, больше площадей заштрихованных фигур, расположенных ниже линии АВ, то разность площадей заштихованных фигур, лежащих выше и ниже линии АВ определяет объем холостых сбросов за год, а следовательно, позволяет оценить потребность в водосбросных сооружениях.

Зная полный объем водохранилища V, его полезный объем V, можно по кривой объемов определить мертвый объем V и соответствующий ему УМО. УМО будет равен ординате Y на кривой объемов, соответствующей абсциссе объему.

Таким образом, в рассмотренном примере уровень воды в водохранилище будет меняться от УМО до НПУ и напор достигает своего максимума 200 м только в июне-июле, а в остальные месяцы напор ниже. Очевидно, что в этом случае годовая выработка электрической энергии на ГЭС будет меньше, чем в предыдущем примере, где полный напор 200 м сохранялся все время. Величину мощности и выработки энергии для этого случая нетрудно подсчитать.

Вводя в цепь аналогичных рассуждений дополнительные условия, которым необходимо удовлетворить, можно выбрать такие основные параметры зарегулированного водотока, что будут учтены реальные особенности его гидрологического режима и удастся удовлетворить интересы водопользователей и водопотребителей.

Примечание. Дополнительными условиями, которыми, как правило, удовлетворяют водопользователей при проектировании ГЭС, являются ограничения снизу расходов и уровней верхнего и нижнего бьефов зарегулированного водотока. Например, если река судоходна, то существует такой УНБ на время навигации, ниже которого нельзя опускаться без ограничения на условия судоходства. Если выше створа ГЭС имеются водозаборы для водоснабжения населённых пунктов и предприятий или водозаборы ирригационных систем, то уровни в створах водозаборов не могут быть ниже заданных величин. Эти и другие ограничения приводят к изменениям в режиме регулирования водотока и несколько изменяют величины мощности и выработки электрической энергии ГЭС.

Определив основные параметры зарегулированного водотока, можно перейти к выбору типов и размеров сооружений гидроузла (см. ниже). Зная типы и размеры сооружений, можно подсчитать стоимость энергии и сравнить с другими вариантами получения электроэнергии, например, со стоимостью строительства ТЭС или АЭС в рассматриваемом регионе.

В.И. Брызгалов, Л.А. Гордон, "Гидроэлектростанции", Красноярск, 2002г.