ИВЭ. Ч. 1. ВЭР

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

САЯНО ШУШЕНСКИЙ ФИЛИАЛ СФУ

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВОДНОЙ ЭНЕРГИИ

Часть 1. ВОДНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ РЕЖИМОВ ГЭС

Учебное пособие в задачах и упражнениях

Рекомендовано Сибирским региональным учебно­методическим центром высшего профессионального образования

для межвузовского использования в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся по направлениям подготовки бакалавров 13.03.02 (140.400.62) Электроэнергетика

и электротехника и магистров 13.04.02 (140.400.68) Электроэнергетика и электротехника

Саяногорск; Черемушки

2014

1

УДК 629

И 88

Рецензенты: д-р техн. наук, профессор кафедры «Систем управления и экономики энергетики» Новосибирского государственного технического университета Т.А. Филиппова; д-р техн. наук, профессор кафедры «Гидроэнергетика и возобновляемые ис-

точники энергии» Научно-исследовательского университета «МЭИ» М.Г. Тягунов

И88 Использование водной энергии: учебное пособие в задачах и упражнениях. В 2 ч. Ч. 1. Водно-энергетические расчеты режимов ГЭС / сост. Ю.А. Секретарев, А.А. Жданович, Е.Ю. Затеева, С.В. Митрофанов. – Саяногорск; Черемушки: Сибирский федеральный университет; Саяно-Шушенский филиал, 2014. – 108 с.

ISBN 978-5-7638-3145-0

Учебное пособие предназначено для углубленного изучения и овладения методами и принципами водно-энергетических расчетов оптимальных режимов работы гидроэлектростанции в составе электроэнергетической системы.

Издание предназначено студентам, обучающимся по направлениям подготовки бакалавров 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника» и магистров 13.04.02 «Электроэнергетика и электротехника», очной и заочной форм обучения.

Рекомендовано к изданию Научно-методическим советом Саяно-Шушенского филиала СФУ

©Секретарев Ю.А., 2014

©Жданович А.А., 2014

©Затеева Е.Ю., 2014

©Митрофанов С.В., 2014

©Саяно-Шушенский филиал СФУ, 2014

ISBN 978-5-7638-3145-0

2

6.ВОДНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ГЭС ГОДОВОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ПРИ ЗАДАННОМ ГРАФИКЕ ВЫДАЧИ

3

ВВЕДЕНИЕ

Современную электроэнергетику России трудно представить без гидроэлектростанций (ГЭС). На сегодняшнее время на территории России насчитывается 102 рабочие ГЭС с мощностью больше 100 МВт. А мощность всех рабочих ГЭС составляет более 45 млн. кВт. При этом в год вырабатывается 165 млрд. кВт·ч. С этими показателями Россия занимает пятое место в мире.

Кроме того, гидроресурсы являются возобновляемым источником энергии, что является бесспорным преимуществом. Поэтому очевидно, что развитие и поддержка гидроэнергетических систем является приоритетной задачей любого государства. Все это объясняет интерес к вопросам, касающимся современных ГЭС и их элементов.

Все крупные гидроэлектростанции в России и мире уникальны, поэтому при проектировании таких станций нельзя говорить о типовом подходе. В первую очередь это связано с тем, что реки, на которых они возводятся, имеют свои уникальные свойства, также уникален и ландшафт местности.

Представляемая работа является первой частью учебного пособия, которое предназначено для углубленного изучения и овладения методами и принципами водно-энергетических расчетов (ВЭР) оптимальных режимов работы ГЭС в составе электроэнергетической системы (ЭЭС).

В пособии приведены задачи, в которых рассматриваются:

−теоретические основы и методики определения потенциальных ресурсов рек;

−построение кривых обеспеченности для определения одного из основных показателей ГЭС − величины расчетной обеспеченности;

−построение интегральных кривых нагрузки (ИКН) ЭЭС для выбора установленной мощности ГЭС на стадии определения ее проектных параметров;

−построение напорных характеристик плотинных и деривационных

станций;

−проведение водно-энергетических расчетов ГЭС с водохранилищем годового регулирования при различных требованиях ЭЭС к ее режимам работы;

−построение оптимальных энергетических характеристик ГЭС для решения задач внутристанционной оптимизации.

Значительное внимание в пособии уделено основам и способам водноэнергетических расчетов ГЭС с годовым и суточным регулированием водохранилищ, а также выбору оптимальной величины полезной емкости водо-

хранилища (определение горизонта мертвого объема − ГМО).

4

1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОТЕНЦИАЛЬНЫХ РЕСУРСОВ РЕК

Цель: познакомиться с основными гидрологическими и гидрографическими характеристиками рек, а также научиться определять оптимальный для строительства ГЭС створ реки на основе полученных данных.

Задачи

1.Рассчитать энергию и мощность на участках реки.

2.Построить кадастровые графики:

Z= f (L ), Q = f (L ), NУД = f (L ), NΣ = f (L ).

3.Определить для строительства ГЭС створ с наибольшим энергетическим потенциалом.

Основные сведения

При оценке гидроэнергетического потенциала рек принято различать:

−теоретический потенциал (потенциальные энергетические ресурсы реки) – т. е. суммарный энергетический потенциал речного стока;

−технический потенциал – часть теоретического потенциала, который на современном уровне развития науки и техники может быть использован в связи со строительством гидроэлектростанций;

−экономический потенциал – часть технического потенциала, использование которого является экономически целесообразным.

Привыбореместастроительствагидроэлектростанциивпервуюочередьпроизводится оценка потенциальных ресурсов реки на различных ее участках. Потенциальнымиэнергетическимиресурсамирекявляютсямощностьиэнергияпотока.

Определению потенциальных энергоресурсов каждой реки предшествует составление ее водного кадастра, включающего общее описание реки, имеющиеся исходныеданныепогидрометрии, гидрологии, топографииипр.

Потенциальныеэнергетическиересурсырекимогутбытьполученынаоснове уравненияБернулли, являющегосяоднимизосновныхуравненийвгидравлике(1.1).

Выделимучастокреки, заключенныймеждудвумястворами1 и2, какэтопоказанонарис. 1.1.

5

p

Рис. 1.1. Сечение реки

Согласно этому уравнению потенциальная валовая энергия водотока (кВт·ч), теряемаяпотокомжидкостиW (м3) научасткеL1-2 равна разности энергий Э1 и Э2:

энергияжидкости(м), при α– коэффициентеКориолиса.

Уравнение Бернулли лежит в основе расчета многих энергетических характеристик, вчастности:

НАПОР – это удельная потенциальная энергия положения, численно равная падениюуровнейводотока(м).

6

МОЩНОСТЬ – этоработасовершаемаяпотокомтекущей водывтечениеоднойсекунды(кВт).

Величинапотока жидкости врассматриваемомстворев течениеоднойсекундыопределяетсяпоформуле:

Q1 =Wt1 ,

гдеQ1 – расходводычерезствор1 (м3/с).

Расход в реке на протяжении всего русла увеличивается при приближении к устью вследствие бокового притока впадающих в реку ручьев и речек, осадков и т. д. Следовательно, для получения его приближенного значения на участке реки, используетсясреднеемеждустворами1 и2 значение(м3/с):

ПосленекоторыхупрощенийуравнениеБернуллиможетбытьпреобразовано вуравнениемощности(Вт) иприметвид:

Учитывая, что ρ =1000 мкг3 ; g = 9,81 см2 , формула(1.4) приметвид:

Ввыражении (1.5) N1−2 измеряетсявкВт.

Всвязи с тем, что участки могут иметь разные длины, не всегда представляется возможным определить оптимальный участок, используя полученные значения напора, расхода и мощности.

Вэтих случаях для сравнения вариантов удобно использовать величину удельной мощности потока на участке реки, т. е. мощности, приходящейся на единицу длины реки (кВт/км). Расчет удельной мощности вычисляется по формуле:

7

Энергия водотока (кВт·ч) на участке реки за определенный период времени рассчитывается по формуле:

где T – соответствующий период времени (ч).

Порядок выполнения расчетов

1.Пользуясь доступными источниками, таблицами 1.1, 1.2 и справочной литературой, собрать информацию о гидрологических и гидрографических характеристикахреки.

2.Рассчитатьнапорнакаждомучасткерекиспомощьюформулы (1.2).

3.Рассчитать среднее значение расхода для каждого участка с помощью формулы(1.3).

4.Рассчитать значение мощности потока на каждом участке с помощью формулы(1.5).

5.Определить удельную мощность на участках с помощью формулы

(1.6).

6.Определить энергию на каждом участке за годовой интервал времени

спомощьюформулы(1.7).

7.Результатырасчетовсвестивтаблицу1.3.

Таблица 1.1

Исходные данные

8

Продолжение таблицы 1.1

9

Продолжение таблицы 1.1

Таблица 1.2

Длины участков

10