Лекция 7 Основные параметры, влияющие на мощность ГЭУ.
Характеристики бьефов. Напорные характеристики гидроэнергетических установок. Баланс напоров и расходов гидроэнергетических установок. Виды потерь напора и расхода.
7.1 Напор, используемый гэс.
Мощность ГЭС является функцией не только расхода, но и напора, поэтому процесс водно-энергетического регулирования связан с учетом того и другого.
Верхний бьеф ГЭС.
Для получения на ГЭС напора естественное падение участка реки сосредоточивается в одном месте с помощью плотины или деривационных сооружений. Однако создать у турбин ГЭС напор, равный по величине полному падению реки на данном участке, никогда не удается. При работе ГЭС часть естественной энергии реки должна расходоваться на продвижение воды от начала используемого участка реки до турбин и от турбин до выхода в естественное русло реки. Такие потери напора и энергии реки всегда неизбежны. Сначала мы рассмотрим потери напора в верхнем бьефе ГЭС.
Поверхность воды в водохранилище может быть горизонтальной, как это показано на рис. 1, только в том случае, когда в нем нет никакого
течения воды. При наличии притока воды в водохранилище и работе ГЭС поверхность воды в водохранилище всегда имеет криволинейную форму. Продольный разрез по оси водохранилища изображен на рис. 2. Если известны гидравлические характеристики водохранилища и величина протекающего через него расхода воды, то всегда можно найти форму кривой свободной поверхности, т. е. кривую подпора с помощью способов, излагаемых в курсе гидравлики.
Вследствие криволинейности свободной поверхности воды в водохранилище разность уровней воды, измеренных в верхнем бьефе у плотины и в нижнем бьефе ГЭС, Нпл=Zвб-Zнб
всегда меньше полного падения на используемом участке на величину потерянного напора АНподп (рис. 2).
Если плотина служит для образования регулирующего стока водохранилища, уровень воды у плотины меняется во времени. Колебания уровня воды в водохранилище при регулировании происходят в некоторых определенных пределах. Верхний предел или нормальный подпорный горизонт (НПГ) или нормальный подпорный уровень (НПУ) представляет собой то наивысшее положение уровня воды в водохранилище, при котором ГЭС и сооружения гидроузла работают с соблюдением нормальных запасов надежности, предусматриваемых техническими условиями. Выше отметки НПУ уровень воды в водохранилище может, как правило, подниматься сравнительно редко, во время пропуска многоводных паводков. Нижний предел или горизонт мертвого объема (ГМО) или уровень мертвого объема (УМО) определяется условиями получения от ГЭС оптимальных в технико-экономическом отношении величии мощности и энергии в периоды опорожнения и заполнения объема водохранилища, используемого для регулирования стока. Этот объем, называемый полезным или рабочим объемом, ограничен зеркалами воды на отметках НПУ и УМО у плотины. Опорожнение полезного объема водохранилища, связанное с регулированием стока, приводит к снижению уровней воды в верхнем бьефе и соответствующему уменьшению действующих на ГЭС величин напоров в период сработки водохранилища.
С изменением положения уровня воды у плотины ГЭС меняется форма кривой подпора. Вследствие этого меняется также и величина потерь напора на подпорной кривой.
Если водохранилищем служит озеро, находящееся в подпоре от плотины ГЭС, то положение уровня воды у плотины зависит от положения- уровня воды в озере (гоз) и от величины расхода воды, используемого в каждый момент ГЭС. Примерный вид такой зависимости показан на рис. 3.
У деривационных ГЭС, где плотина служит не для создания напора, а только для обеспечения работы водоприемных сооружений, она имеет обычно небольшую высоту, и поэтому потери на кривой подпора в большинстве случаев ничтожно малы.
Потери напора в деривационных сооружениях могут достигать большой величины и определяются гидравлическими расчетами. Они зависят от величины расхода воды, пропускаемого через деривационные сооружения, и их гидравлических характеристик.
Часть напора теряется также в турбинных трубопроводах; и в других сооружениях, через которые проходит вода, например в предохранительных решетках и затворах.
Для крупных русловых ГЭС, пропускающих через свои сооружения большие объемы воды, абсолютная величина потерь энергии при малой величине потерянного напора может достигать очень больших значений. Так, например, для Волжской ГЭС имени В. И. Ленина или Сталинградской ГЭС, у которых средний годовой объем используемого в турбинах стока будет составлять более 200 км3, дополнительная потеря напора, равная всего, лишь 1 см, приведет к годовой потере энергии в размере около 4,5*106 кВт-ч. Для замены этой потерянной энергии нужно было бы ежегодно сжигать более 2,5 • 106 кг угля.
Нижний бьеф ГЭС
Действующий на ГЭС напор определяется не только положением уровня воды в верхнем бьефе, но также и положением уровня воды в нижнем бьефе. Колебания уровня воды в нижнем бьефе зависят от величины расхода воды, пропускаемого через турбины, через водосбросные устройства и через различные другие сооружения — судоходные шлюзы, лесосплавные лотки, рыбоходы и прочие.
Для установившегося равномерного режима положение уровня воды в нижнем бьефе ГЭС находится по кривой зависимости уровня от расхода воды (рис. 4). Во многих случаях кривая зависимости уровня воды от расхода не занимает одного постоянного положения. Одной из причин для этого является образование ледяного покрова в русле реки в зимнее время. Как известно, для одного и того же уровня воды
где Q3—величина расхода воды в зимнее время при наличии ледяного покрова;
QJl—величина расхода воды в летнее время при открытом русле;
k3—коэффициент, меньший единицы.
Величина коэффициента k3 в течение зимы часто непостоянна. Во многих случаях вследствие трудности определения действительной величины коэффициента k3 она принимается постоянной, равной средней величине, полученной в результате гидрометрических измерений. Тогда для зимнего времени получается постоянная кривая зависимости уровня воды oт величины расхода в нижнем бьефе ГЭС. Такая кривая показана на рис. 4 пунктиром.
Второй причиной изменения кривой зависимости уровня воды от величины расхода в нижнем бьефе ГЭС может служить зарастание русла реки водной растительностью в теплое время года. Обычно это явление наблюдается на малых реках с медленным течением и илистым дном. На больших реках зарастание русла водной растительностью не может оказать заметного влияния на положение уровня воды в нижнем бьефе ГЭС.
Третья причина, вызывающая изменение зависимости уровня воды от расхода, — размыв дна реки в нижнем бьефе ГЭС. Опыт эксплуатации построенных ГЭС показывает, что после начала работы ГЭС при наличии легко размываемых грунтов дно реки понижается. Понижение дна реки в нижнем бьефе ГЭС уже в течение нескольких первых лет эксплуатации может достигать нескольких десятков сантиметров. Вследствие этого кривая зависимости уровня воды от величины расхода смещается, как это показано на рис. 5, из положения 1 в положение 2.
На положение уровня воды в нижнем бьефе ГЭС могут оказывать влияние и другие условия. К их числу относится, например, подпор воды. Подпор может создаваться, если ниже ГЭС по течению реки имеются препятствия для свободного движения воды — перекаты, острова, резкие сужения или повороты русла реки. Подпор может вызываться также искусственными сооружениями — мостами или плотинами. Временный подпор может появиться вследствие образования в русле реки ниже ГЭС ледяных заторов во время весеннего ледохода или зажоров во время движения шуги зимой. Одной из причин, вызывающих переменный подпор, может быть наличие крупного притока, впадающего в реку ниже ГЭС, как изображено на рис. 6.
На рис. 7 показано положение кривых подпора от нижележащей плотины при постоянной отметке уровня воды у этой плотины, но при различной величине расходов воды в реке. Как видно из графика, с увеличением расхода воды влияние подпора на положение уровня воды в нижнем бьефе ГЭС уменьшается. На рис. 8 построена кривая зависимости уровня от расхода воды в нижнем бьефе ГЭС для этого случая. При расходе, равном нулю, уровень воды в нижнем бьефе ГЭС таков же, как и уровень воды в нижележащем водохранилище (кривая 2). При некотором достаточно большом расходе воды эта кривая сливается с кривой, соответствующей полному отсутствию подпора (кривая 1). Для других положений уровня воды у нижележащей плотины должны быть построены и другие кривые зависимости уровня воды в нижнем бьефе ГЭС от расхода. Примерный вид такого семейства кривых показан на рис. 9.
Колебания уровня воды в нижнем бьефе ГЭС в некоторых случаях могут происходить совершенно независимо от величины расхода воды, проходящего через турбины ГЭС. Такие случаи встречаются у тех деривационных ГЭС, у которых отработанная вода сбрасывается не в ту же реку, из которой она забирается, а в другую реку, озеро или море. Если отработанная вода, выходящая из турбин такой деривационной ГЭС, сбрасывается в другую реку, колебания уровня воды в нижнем бьефе ГЭС зависят от соотношения величин расходов воды, проходящих через турбины ГЭС, и расходов воды в той реке, в которую сбрасывается отработанная вода ГЭС. При сбросе воды в озеро колебания уровня воды в нижнем бьефе ГЭС обычно имеют годовой цикл. Наиболее высокий уровень воды в нижнем бьефе наблюдается после таяния снега или после дождей. При сбросе воды в море колебания уровня воды в нижнем бьефе ГЭС имеют более короткий цикл — 1 или 2 раза в сутки в зависимости от характера морских приливов и отливов. Приливно-отливные колебания уровня воды в нижнем бьефе ГЭС могут достигать величины нескольких метров.
Во время паводка, когда в реке проходят самые большие расходы воды, уровень в нижнем бьефе ГЭС поднимается очень сильно. У низконапорных ГЭС в это время может наблюдаться значительное уменьшение их мощности вследствие уменьшения напора, а некоторые ГЭС даже совершенно прекращают свою работу во время паводков. Но в некоторых случаях можно все же в это время увеличить действующий на ГЭС напор, а следовательно, и мощность ГЭС с помощью специальных эжектирующих устройств, понижающих уровень воды, в нижнем бьефе ГЭС.