Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ характера русловых деформаций в нижних бьефах гидроэлектростанций 9
Глава 2. Разработка методики построения кривых связи расходов и отметок воды в нижнем бьефе ГЭС 19
2.1. Постановка задачи 19
2.2. Существующие методы построения кривой расходов 22
2.3. Построение кривой расходов с учетом особенностей гидравлического режима нижнего бьефа ГЭС 34
2.4. Предлагаемая методика построения кривой расходов с учетом различия в характеристиках русла и поймы 39
Глава 3. Методы оценки энергетических показателей работы ГЭС 43
3.1. Постановка задачи 43
3.2. Методы расчета длительного регулирования стока водохранилищами ГЭС 44
3.3. Математическая модель, используемая в водноэнергетических расчетах 49
Глава 4. Оценка влияния деформации нижнего бьефа на условия работы основного оборудования и энергетические показатели гидроэлектростанции 57
4.1. Постановка задачи 57
4.2. Оценка изменения условий работы энергетического оборудования гидроэлектростанции в результате деформации нижнего бьефа 63
4.3. Оценка изменения энергетических показателей гидроэлектростанции в условиях деформации русла 68
Глава 5. Оценка влияния русловых деформаций на энергетические показатели работы ГЭС при комплексном использовании водных ресурсов 72
5.1. Постановка задачи 72
5.2. Существующие методы расчета движения волн попусков 75
5.3. Метод построения кривой расходов с учетом времени добегания волны попуска 83
5.4. Оценка изменения энергетических показателей гидроэлектростанции в условиях деформации русла при комплексном использовании водных ресурсов 89
Заключение 92
Список литературы 96
Приложение 106
- Анализ характера русловых деформаций в нижних бьефах гидроэлектростанций
- Существующие методы построения кривой расходов
- Методы расчета длительного регулирования стока водохранилищами ГЭС
- Оценка изменения условий работы энергетического оборудования гидроэлектростанции в результате деформации нижнего бьефа
Введение к работе
Одной из особенностей работы крупных гидроэлектростанций на территории Российской Федерации является то, что большинство ГЭС эксплуатируются в течение длительного срока. Примером могут служить гидроэлектростанции, входящие в состав Волжско-Камского каскада. В табл. Ш приведены даты ввода в эксплуатацию ГЭС, входящих в состав Волжско-Камского каскада [25], для большинства из которых срок эксплуатации превышает 40 лет. Исключение составляют Нижнекамская и Чебоксарская гидроэлектростанции, сооружение которых не завершено.
В результате такого продолжительного срока работы гидроэлектростанции оказываются в условиях значительно отличающихся от условий начального периода эксплуатации. Это происходит в результате воздействия ряда факторов. К этим факторам, прежде всего, относятся износ силового оборудования и изменение естественного режима формирования русла реки, связанного с сооружением и эксплуатацией водохранилища.
Последствиями износа силового оборудования являются изменение его энергетических характеристик по сравнению с проектными, снижение КПД турбин и генераторов, увеличение потерь расхода и напора и, как следствие, уменьшение мощности и выработки ГЭС. Изменение условий формирования русла реки приводит к необратимым процессам, вызывающим изменение характеристик бьефов водохранилища. При этом в верхнем бьефе происходит изменение морфологических характеристик водохранилища, связанное с его заилением, а также переработкой берегов. В нижнем бьефе изменение параметров водотока приводит к трансформации связи между расходами и отметками свободной поверхности воды, что, прежде всего, связано с эрозией русла реки.
Оба фактора требуют учета при оценке эффективности работы энергетического оборудования, планировании режимов работы ГЭС и других участников водохозяйственного комплекса (ВХК).
Кроме того, при рассмотрении вопроса об изменении условий формирования русла реки необходимо учитывать также социальные и экологические последствия этого процесса. Так, например, трансформация связи между расходами и отметками воды может привести к изменению режимов уровней реки, а обрушение берегов может вызвать угрозу обрушения строений, возведенных на берегах водохранилища.
Актуальность темы диссертации определяется необходимостью анализа изменения характеристик ГЭС, находящихся в длительной эксплуатации, их уточнения и определение энергетических показателей работы ГЭС с учетом этого изменения. Использование характеристик, соответствующих начальному периоду эксплуатации, приводит к нерациональному использованию водных ресурсов.
В условиях рыночных экономических отношений проблема повышения энергоотдачи ГЭС за счет более эффективного использования водных ресурсов приобретает особо важное значение.
Целью исследования является разработка методов оценки влияния русловых процессов в нижнем бьефе длительно эксплуатируемой ГЭС на условия ее работы. В качестве исследуемых объектов были выбраны Боткинская и Волгоградская ГЭС, характерной особенностью которых является отсутствие подпора от нижележащего гидроузла.
Для решения поставленной задачи исследования велись в следующих направлениях: - анализ происхождения и развития русловых процессов в нижних бьефах ГЭС; уточнение кривых связи расходов и отметок свободной поверхности воды (кривых расходов) с использованием данных о фактических наблюдениях и анализ изменения этих кривых в результате трансформации русла; уточнение кавитационных характеристик ГЭС с помощью полученных кривых расходов и выявление режимов работы ГЭС недопустимых с точки зрения кавитации; изучение изменений условий функционирования ВХК, связанных с русловыми деформациями, и определение возможного изменения режимов попусков в нижний бьеф ГЭС для обеспечения требований - количественная оценка изменения энергетических показателей ГЭС, получаемая путем сравнения энергетических показателей, соответствующих современным и проектным условиям.
Научная новизна В работе сформулирована задача оценки влияния русловых деформаций в нижнем бьефе гидроузла на условия работы оборудования и энергетические показатели ГЭС. Для решения поставленной задачи разработаны методы учета воздействия русловых деформаций в нижнем бьефе ГЭС на условия работы энергооборудования, а также изменения энергетических показателей ГЭС при комплексном использовании водных ресурсов.
Кроме того, в работе была предложена методика построения кривой расходов, позволяющая учесть различие в гидравлических характеристиках русла и поймы, основанная на методах математической статистики.
Практическое значение работы состоит в том, что проведенное исследование изменения условий работы ГЭС позволяет повысить эффективность использования водных ресурсов за счет уточнения режимов работы ГЭС, а также количественно определить изменение их энергетических показателей.
Результаты исследований автора были использованы при разработке следующих работ, проводимых на кафедре Нетрадиционных и возобновляемых источников энергии Московского энергетического института по заказу РАО "ЕЭС России": - "Водохозяйственные и водноэнергетические расчеты 9-ти ГЭС Волжско-Камского каскада для условий 1999г.",
2000 г. - "Разработка рекомендаций по долгосрочным и краткосрочным режимам работы водохранилищ Волжско-Камского каскада, обеспечивающих повышение выработки электроэнергии ГЭС с учетом требований участников ВХК.", 2002 г.
Достоверность полученных результатов обоснована большим объемом исходной информации, а также сопоставимостью полученных по предлагаемым методикам результатов с материалами независимых фактических наблюдений.
Апробация результатов исследований на разных этапах работы проведена на следующих конференциях и семинарах: на III Семинаре молодых ученых ВУЗов, объединяемых советом по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов, Вологда, 2000 г. на XV пленарном межвузовском координационном совещании по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов, Волгоград, 2000 г. на IV Семинаре молодых ученых ВУЗов, объединяемых советом по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов, Пермь, 2002 г. на IX Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика", МЭИ, Москва, 2003 г. на совместном заседании секции Ученого совета "Гидрофизика" и "Водные ресурсы и управление ими", ИВП РАН, Москва, 2003г.
Диссертационная работа выполнена на кафедре нетрадиционных и возобновляемых источников энергии Московского энергетического института и напгла отражение в опубликованных автором статьях и докладах. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ.
Анализ характера русловых деформаций в нижних бьефах гидроэлектростанций
Возведение гидроэлектростанций на реках оказывает значительное влияние на морфологию речного русла. Последствия этого влияния проявляются в значительном изменении условий формирований русел рек по сравнению с естественными условиями, вплоть до изменения характера руслового процесса.
Для нижних бьефов всех гидростанций русловой процесс носит необратимый характер, наибольшие последствия необратимых деформаций русла проявляются в условиях отсутствия подпора от нижележащей ГЭС. При этом главным последствием такого характера переформирования русла реки следует считать понижение отметок дна в нижнем бьефе гидроузла, и, как следствие, изменение связи между расходами и отметками воды по сравнению с проектными условиями. В результате этого изменяются условия работы энергетического оборудования ГЭС, функционирования водного транспорта, режимов работы водозаборов сельскохозяйственного, промышленного и коммунального водоснабжения, а также требования к режиму попусков рыбного хозяйства.
Кроме того, русловые процессы в нижнем бьефе ГЭС могут иметь экологические и социальные последствиями, связанные с изменениями режима уровней воды в реке. Особой опасности в этом случае подвергаются жилые застройки, расположенные непосредственно в нижнем бьефе ГЭС.
В настоящее время вопрос о влиянии гидростанций на русловые деформации ниже ее плотины хорошо изучен. На сегодняшний день накоплен большой объем результатов натурных и лабораторных исследований, а также опубликовано большое количество работ, в которых произведен анализ и объяснена природа руслового процесса в нижних бьефах гидроэлектростанций. Большой вклад в исследование русловых процессов ниже створов ГЭС внесли такие ученые как Н.И. Макавеев, И.Л. Розовский, К.И. Российский, И.А. Кузьмин, СТ. Алтунин, И.И. Леви и др.
Современный опыт эксплуатации гидроэлектростанций показывает, что русловой процесс в нижнем бьефе гидроузла носит различный характер в различные периоды его работы. При этом условно можно выделить пять стадий русловых деформаций [64] для различных периодов эксплуатации ГЭС: 1) период строительства; 2) первый период эксплуатации; 3) период изменения формы живого сечение русла; 4) распространение зоны эрозии ниже по течению; 5) затухание глубинной эрозии. Как было сказано выше, процессы русловой деформации начинаются уже в период строительства гидроузла, когда поток, стесненный строительными перемычками, оказывается в неблагоприятных гидравлических условиях. Изменение гидравлических условий вызывает местный размыв, при этом оказывается, что количество влекомых наносов превышает транспортирующую способность водотока, что становится причиной образования переката ниже строящегося гидроузла. Такой процесс не является необратимым, быстро затухает по мере того, как восстанавливается баланс транспортирующей способности потока и количества переносимых им наносов.
В первый период эксплуатации гидроэлектростанции основной причиной эрозионных процессов становится повышение размывающей способности потока, за счет нарушения естественного стока речных наносов. Донные и частично взвешенные наносы аккумулируются в водохранилище. В таких условиях в нижний бьеф водохранилища попадает осветленный поток, транспортирующая способность которого значительно превышает количество переносимых им наносов, в результате чего поток начинает насыщаться за счет размыва участков нижнего бьефа гидроузла. Это вызывает необратимые деформации в русле реки, при этом основной формой трансформации русла ниже гидростанции становится донная эрозия. Последствием русловых деформаций в данном случае становится образование ямы местного размыва, и как следствие, понижение отметок поверхности воды. На этой стадии русловых деформаций размыв концентрируется на коротком приплотинном участке.
На третьей стадии происходит сравнительно быстрое понижение уровня воды, вызванное не столько глубинной эрозией, сколько изменением формы живого сечения на перекатах и сглаживанием местных неровностей [63]. В этом случае сечение русла на перекатах становится близким к параболическому, т. е. значительно расширяется у дна.
В дальнейшем основным фактором снижения уровней является эрозия, зона действия которой постепенно удлиняется. Скорость снижения отметок водной поверхности на приплотинном участке на этой стадии примерно в два раза меньше, чем на предыдущей, так как трансформация формы живого сечения на перекатах заканчивается и не влияет на дальнейшее снижение уровня.
Для последней стадии характерным является затухание глубинной эрозии, заканчивающееся относительной стабилизацией продольного профиля, которая наступает в результате уменьшения местного уклона реки и достижения сбалансированного состояния.
Следует отметить, что процесс размыва участков нижнего бьефа сопровождается аккумуляцией наносов ниже по течению [11], что приводит к увеличению отметок дна по сравнению с естественными условиями, образованию островов, делению русла на рукава и т.д.
Таким образом, основной причиной деформаций русла ниже плотины гидроузла является нарушение естественного баланса твердого стока в результате аккумуляции его в водохранилище. В то же время, на характер русловых процессов также оказывает влияние и регулирование стока.
Участие гидростанций в суточном регулировании становится причиной возникновения неустановившегося движения воды в нижнем бьефе гидростанции. В таких условиях постоянно изменяются гидравлические характеристики и кинетическая энергия потока. Как показали лабораторные исследования, осуществленные под руководством Розовского И.Л. [81], и анализ натурных наблюдений, результатом строительства на реках гидроэлектростанций, работающих в режиме суточного регулирования, становятся значительные деформации русла на участке русла реки, расположенного ниже створа гидростанции. При этом влияние именно суточного регулирования на переформирования русла проявляются лишь на участках реки, расположенных на незначительном расстоянии от створа ГЭС. Интенсивность русловых процессов в этом случае зависит от интенсивности суточного регулирования. В своих лабораторных исследованиях Розовский И.Л. показал [81], что характерной особенностью влияния суточного регулирования на русло является активизация размывающей способности потока в плесовых лощинах на повороте русла, систематическое обмеление перекатов, а также активизации грядового движения.
Существующие методы построения кривой расходов
Наиболее часто на практике строится однозначная кривая расходов, так как некоторым рассеянием полученных точек можно пренебречь, а также ввиду простоты ее применения в расчетах. В качестве исходных данных для построения кривой расходов используются наблюдения за расходами Q и 500 W00 1500 2000 2500 ШО JSOO O.Mf/c В 1000 2000 3000 0 Лг О 0,50 1Г,м/с Рис. 2.1 Пример однозначных кривых: 1- Q=0(z); 2- &= ф)\ 3- v=v(z). отметками воды z , а также вспомогательные данные о площадях живых сечений со, средних скоростях воды в живых сечениях V, а также уклоны воды J [14, 36,60]. При построении кривой расходов необходимо на одном графике (рис. 2.1) относительно общей оси z построить кривую Q=f(z), а также связанные с ней кривые водного сечения m=f(z) и средних скоростей vcp=f(z). Одновременно с основной кривой рекомендуется [14] проводить две Дополнительные кривые Q±e=f(H), величина є не должна превышать 5 %. Зависимости Q=f(z) и ш=/(г) должны иметь вид плавной выпуклой кривой. Зависимость vcp=f(z) более сложная и при резком увеличении гидравлических сопротивлений, что чаще всего происходит при выходе потока на пойму, скорости могут принимать минимальные значения (это явление Г. В. Железняков назвал кинематическим эффектом безнапорного потока [37]). Взаимное соответствие кривых Q=f(z), Gr=f(z) И vcp=f(z) проверяется исходя из зависимости: Q = Wcp (2.5) Если при одной и той же отметке расхождение между значением расхода,полученным по (2.5) и снятым с кривой, отличаются менее, чем на 1%, то кривые считаются построенными правильно, в противном случае необходима корректировка построенных кривых.
В современных условиях становится целесообразным применение аналитических методов описания кривой расходов. Одним из первых предложенных выражений для аналитического описания однозначной связи между отметкой и расходом воды является формула В.Г. Глушкова [26]: Q=a-(z-z0)m, (2.6) где z0 - уровень воды при расходе Q=0; а и т - параметры уравнения. К недостатку этой зависимости следует отнести сложность определения г0, которое требует специального изучения гидроствора.
Разные авторы предлагают принимать различные значения показателя п. Так, например, Е.В. Цветков [98] для решения задач оптимизации режимов работы ГЭС предлагает использовать полином пятой степени. В работе В.А. Вуколова [24] рассмотрены самонастраивающиеся процедуры, позволяющие выбирать степень полинома оптимальным образом.
Кроме того, в случае немонотонного хода уровней воды в выражение (2.7) предлагается [44] ввести коэффициенты, учитывающие форму гидрографа: б =2-- T afz , (2.8) rti-m + l v } где m=(zmax/z)-l, здесь Zmax - максимальный за расчетный интервал уровень воды; z - среднеинтервальный уровень. Применение полиномов является оправданным с точки зрения простоты вычислительных операций, хотя не всегда позволяет получить кривую, удовлетворяющую условиям выпуклости: f.O O. (2.9) dz dz1 V 7 Использование методов математической статистики для построения кривой расходов позволяет ввести критерии однозначности связи между расходами и уровнями воды [44].
Одной из распространенных причин неоднозначности связи между расходами и уровнями воды является деформация русла. В практике гидрометрии различают направленные деформации, связанные с годовыми или длительными фазами режима реки и периодические, когда отклонения измеренных расходов отличаются от осредненной кривой расходов сбалансированы по знакам и значениям. В первом случае учет неоднозначности кривой расходов учитывается путем построения семейства кривых [36, 44], при этом каждая из кривых имеет ограниченный срок действия и отвечает своей фазе водного режима. Во втором случае наибольшее распространение получил способ О. Стаута [44], суть которого заключается в следующем: строится кривая расходов, осредняющая поле результатов измерения уровней и расходов воды; определяются отклонения уровней Azt при измеренном расходе и того же значения по полученной кривой расходов; последовательность поправок Azt представляют на хронологическом графике, откладывая их со знаком минус, если измеренный расход был выше осредняющей кривой и со знаком плюс - в противоположенном случае; расходы воды вычисляются на основе осредняющей кривой по исправленным значениям уровня с учетом поправок Az, полученных в результате графической интерполяции последовательности их измеренных значений. Следует отметить, что в настоящее время разработаны более точные методы построения кривой расходов с учетом русловых деформаций, подробное описаний которых можно найти в работах [14,36,44,48].
Другой распространенной причиной неоднозначности связи расходов и уровней воды является переменный подпор свободной поверхности. При этом следует учитывать, что подпор может быть как искусственным, создаваемый гидротехническими сооружениями, так и естественным, возникающий при прохождении паводочной волны на впадающих ниже притоках, намыве нижерасположенного переката, ветровых нагонах и т.д. В случае воздействия на поток подпора от нижележащей гидростанции кривые связи строят для различных значений уровня воды ze6 верхнего бьефа подпирающей ГЭС, в результате получают номограмму z=f(Q, ze_6). При наличии измерений уклона свободной поверхности возможно применение кривой модулей расходов [36, 44], которые определяются как:
Подсчитав значения К для каждого из измеренных расходов строят график K=f(z). Затем по известным уровням определяют значения К и вычисляют расход исходя из выражения (2.12) Ледовые явления увеличивают гидравлическое сопротивление потока, вследствие чего снижается пропускная способность русла реки. Одним из вариантов учета ледовых явлений может быть построение зимних кривых расходов [36, 38, 48, 49], при этом желательно иметь несколько кривых, соответствующих переходному периоду осеннего замерзания, периоду сплошного ледостава, весеннему предледоходному периоду, переходному периоду весеннего вскрытия. В случае невозможности построения зимних кривых учет зимних условий осуществляется с помощью зимнего переходного коэффициента Кз, который определяется как отношение расхода воды потока с ледовыми образованьями з к расходу потока свободного русла Q, т. е. Кз= Q Q- При вычислении расхода с помощью переходного коэффициента следует учитывать, что коэффициент Кз является переменным во времени. Для облегчения вычислений обычно строится вспомогательный график K3=f(T). Аналогично учитываются явления, связанные с зарастанием русла растительностью, характерные для южных рек.
Методы расчета длительного регулирования стока водохранилищами ГЭС
Методика проведения водноэнергетических расчетов разрабатывалась в трудах многих ученых [10, 21, 48, 71, 72, 98] и связана с видом используемых исходных данных, решаемой задачи, необходимой степенью детализации и т.д. При проведении водноэнергетических расчетов многолетнего регулирования стока водохранилищами ГЭС в настоящее время используются два метода [48]: календарный и вероятностный. Первый метод основан на использовании календарных рядов прошедших лет наблюдений за стоком. Этот метод может быть реализован в графической или табличной форме. Графические расчеты проводятся по интегральной кривой стока, построенной на основе имеющихся рядов наблюдений. Недостатком этой формы расчета являются невысокая точность и трудоемкость, однако, они дают возможность получать основные параметры регулирования. Табличный способ расчета сводится к решению уравнения водного баланса по отрезкам времени АҐ,, которое может быть представлено в следующем виде [25]: Qa Mt = ±AVe = (QnpJ - Qpezi )МІ = = (Qnpj-(QUc.i+Qx.c6p.i+&Qe.i)№ где QOK расход аккумуляции, равный разности протекающего Qnp и зарегулированного Qpe2 расходов; AVe- изменение объема водохранилища (плюс - при наполнении, минус - при сработке); Qucwl, Qx.c6p, &Qe расходы, соответственно используемый, сбросной и уходящий на потери воды из водохранилища; А/,- - интервал осреднения.
В зависимости от необходимой точности и интенсивности изменения притока расчет выполняется по интервалам различной длительности. Так, для половодья используются данные по пятидневкам или декадам, для остального времени года обычно по месяцам. Табличный способ позволяет непосредственно рассчитывать гарантированную мощность и вырабатываемую энергию ГЭС. Точность расчета табличным способом выше, чем при расчете по интегральным кривым стока.
Использование стоковых рядов в расчетах многолетнего регулирования имеет ряд положительных особенностей.
Во-первых, данные гидрометрических наблюдений автоматически учитывают все характерные закономерности стокового процесса, которые не всегда могут быть выявлены статистическими методами из-за недостаточной длительности рядов наблюдений.
Во-вторых, использование наблюденных рядов обладает наглядностью получаемых результатов их использования, что дает возможность получить ход изменений режима работы ГЭС, привязанный к календарным датам. Из этого, однако, не следует, что полученные характеристики можно использовать для прогнозирования режима работы ГЭС с привязкой по времени.
Существенным недостатком при использовании натурных рядов наблюдений является их недостаточная представительность с точки зрения чередования маловодных и многоводных лет. Несмотря на имеющиеся недостатки, календарный метод до сегодняшнего остается одним из основных математических инструментов при расчетах многолетнего регулирования стока. Второй метод основан на использовании методов теории вероятности и математической статистики. Представление о годовом стоке, как о случайном процессе дало возможность применить эти методы в расчетах регулирования стока. Это направление получило распространение в работах С.Н. Крицкого и М.Ф. Менкеля [52, 53], А.Д. Саваренского [86], Г.П. Иванова [40], Я.Ф. Плешкова [73], СИ. Рыбкина [85], В.Г. Айвазьяна [1] и др. При использовании вероятностных методов возможны два приема расчета регулирования: композиционный метод (включая аналитический метод) и метод статистических испытаний. Композиционный метод основан на уравнении водного баланса (3.1): наполнение водохранилища в конце некоторого промежутка времени равно алгебраической сумме наполнения в начале рассматриваемого периода, притока воды за рассматриваемый промежуток времени и расхода воды, включающего полезное потребление, потери и холостой сброс. Это положение распространяется и на случай задания всех составляющих водного баланса в вероятностном виде. Композиция заключается в нахождении закона распределения суммы по заданным распределениям слагаемых.
Важнейшим выходом композиционных методов расчета являются номограммы, связывающие между собой многолетнюю составляющую емкости водохранилища Д величину отдачи а и ее обеспеченность Ра. В настоящее время существует большое количество графиков для обобщенных расчетов многолетнего регулирования, связывающих емкость, отдачу и обеспеченность. Причем под емкостью подразумевается многолетняя составляющая полной полезной емкости водохранилища, а под отдачей -количество воды, которое можно получить с той или иной степенью обеспеченности.
Все предложенные графики можно разделить на две группы [2]: 1) графики, построенные без учета корреляционной связи между стоком смежных лет; 2) графики, построенные с учетом корреляционной связи стока смежных лет.
К первой группе можно отнести графики Я.Ф. Плешкова [73], СМ. Рыбкина [85], В.П. Захарова и Ш.Ч. Чокина [35], С.Н. Крицкого и М.Ф. Менкеля [54] для некоторых значений Cv и Cs и др.
Ко второй группе относятся графики Г.П. Иванова [40],А. Д. Саваренского [87], Д. Маматканова и И.И. Дружинина [66], а также И.В. Гуглия [31]. Наиболее универсальными, учитывающими практически все возможные вариации параметров, являются номограммы, разработанные Г.Г. Сванидзе, А.Ш. Резниковским, В.В. Зубаревым [91].
Использование номограмм значительно упрощает расчеты многолетнего регулирования стока и позволяет обобщить опыт энергетического проектирования на многих объектах. Однако, следует иметь в виду, что композиционные методы расчета определяют водоотдачу, т.е. гарантированный расход Qrap с заданной обеспеченностью, в то время как для гидроэлектростанции требуется определить гарантированную выработку энергии с заданной обеспеченностью, т.е учесть колебания напоров.
Метод статических испытаний (Монте-Карло) целесообразно применять в условиях, когда требуется определить режимы работы больших систем, имеющих сложные характеристики. Под методом Монте-Карло понимается совокупность приемов, позволяющих получать решения математических задач с помощью многократных случайных испытаний. Оценки искомой величины выводятся статистическим путем и носят вероятностный характер [18, 50, 78]. Большой вклад в развитие метода Монте-Карло применительно к водноэнергетическим расчетам принадлежит Г.Г. Сванидзе [89, 90].
Оценка изменения условий работы энергетического оборудования гидроэлектростанции в результате деформации нижнего бьефа
Условия эксплуатации энергетического оборудования Боткинской ГЭС существенно отличаются от проектных, согласно которым гидравлический режим в нижнем бьефе гидроузла определяется подпором от следующей ступени каскада - Нижнекамской ГЭС. Однако сооружение Нижнекамской ГЭС до сих пор не завершено и станция работает при временной отметке нормального подпорного уровня (НПУ) водохранилища, равной 62 м, тогда как проектная отметка НПУ составляет 68 м. При современных уровнях водохранилища Нижнекамской ГЭС подпор от него не достигает створа Боткинской ГЭС, что сказывается на интенсивности русловых процессов в нижнем бьефе Боткинского гидроузла.
При построении кривой расходов в нижнем бьефе Боткинской ГЭС использовались данные фактических наблюдений за среднемесячными расходами и соответствующими им уровнями в нижнем бьефе ГЭС за период с 01.01.1995 г. по 01.01.1999 г. При этом были выбраны месяцы с отсутствием ледяного покрова на реке, так как при построении кривой расходов ледовые явления должны учитывать дополнительно (см. п. 2.2). Для построении кривой расходов в нижнем бьефе Боткинской ГЭС была использована методика, описанная в п. 2.3. С целью облегчения вычислений данная методика была реализована в виде программы для ЭВМ. В результате расчетов были получены следующие значения коэффициентов а=49,453; Ь=0,041, координаты проектной и современной кривой расходов в нижнем бьефе Боткинской ГЭС представлены в табл. 4Л и на рис. П.1. Из приведенных результатов следует, что за период эксплуатации гидроузла в результате размыва дна реки в нижнем бьефе Боткинской ГЭС произошло понижение уровней воды от 0,2 до 1,1 м. Для анализа работы энергетического оборудования Боткинской ГЭС в условиях снижения координат характеристики нижнего бьефа была построена кавитационная характеристика. Под кавитационной характеристикой понимается кривая, получаемая по точкам пересечения изолиний Hs с линией, соответствующей постоянной отметке верхнего бьефа ГЭС равной отметке НПУ, на эксплуатационной характеристике гидроэлектростанции. Полученные таким образом значения Hs откладываются от кривой связи расходов и отметок воды в нижнем бьефе ГЭС. Положительные значения Hs откладываются вверх от кривой ZH.6.(QH.6.), отрицательные вниз [25].
В качестве исходных данных для построения кавитационной характеристики Боткинской ГЭС были использованы эксплуатационная характеристика гидротурбины ПЛ 661-ВБ-930 Боткинской ГЭС в координатах Nmyp6(HmyP6, Цтурб), соответствующая начальному периоду эксплуатации (приведена на рис. П. 2.), рабочая характеристика TjeeH=f(N) гидрогенератора типа СБ-1500/170-96 [94], а также проектная и уточненная кривые связи расходов и отметок воды в нижнем бьефе Боткинской ГЭС.
При построении кавитационной характеристики были приняты следующие допущения: потери воды в обход ГЭС отсутствуют, т.е. вся вода проходит через гидротурбину; эксплуатационные характеристики агрегатов за период эксплуатации не изменились и соответствуют характеристикам завода-изготовителя, принятым для первого периода эксплуатации; все агрегаты одинаковые, т.е. оптимальным является равномерное распределение нагрузки гидроэлектростанций между работающими агрегатами [25]. Процесс построения кавитационной характеристики был разбит на три этапа: - построение эксплуатационной характеристики гидроагрегата; - построение эксплуатационной характеристики ГЭС в целом; - построение кавитационных характеристик ГЭС, соответствующих проектной и уточненной характеристики нижнего бьефа.
На первом этапе исходная эксплуатационная характеристика турбины турб(Нтурб, Цтурб) была пересчитана в расходную характеристику агрегата Qazp(H, Цагр)- Для этого диапазон изменения напора турбины от 13 до 23 метров был разбит на интервалы с шагом равным 1 м. В каждой из полученных точек была проведена линия, соответствующая постоянному напору. Далее для каждой из этих линий были найдены точки пересечения с изолиниями КПД турбины и Hs и соответствующая этим точкам мощность турбины.
