Глава 3.2 водное хозяйство электростанций, гидрологическое и метеорологическое обеспечение

Управление водным режимом

3.2.1. При эксплуатации гидроэлектростанций должно быть обеспечено наиболее полное использование водных ресурсов и установленной мощности гидроагрегатов при оптимальном для энергосистемы участии гидроэлектро­станции в покрытии графика нагрузки.

Для электростанций, имеющих водохранилища, ре­гулирующие сток воды, должны быть составлены и ут­верждены в установленном порядке основные правила использования водных ресурсов водохранилища и пра­вила эксплуатации водохранилища. Пересмотр этих правил должен производиться по мере накопления экс­плуатационных данных, но не реже 1 раза в 10 лет. В случае реконструкции сооружений гидроузла, оказыва­ющей влияние на управление водным режимом, прави­ла подлежат пересмотру.

Водные ресурсы являются государственной собствен­ностью. Все воды (водные объекты) составляют единый государственный водный фонд, включающий реки, озера, водохранилища, другие поверхностные водоемы и водные источники, а также воды каналов и прудов, подземные воды и ледники, территориальные воды и др. Государствен­ная собственность на воды создает благоприятные усло­вия для осуществления комплексного использования вод с наибольшим экономическим и хозяйственным эффек­том, позволяет обеспечивать наилучшие условия труда, быта, отдыха и охраны здоровья людей. Регулирование водных отношений и порядок использования водных объек­тов определяются водным законодательством.

В соответствии с водным законодательством водные объекты предоставляются в пользование предприятиям, учреждениям и гражданам для удовлетворении их нужд и потребностей. Разграничены общее водопользование, осу­ществляемое без применения сооружений и технических средств, влияющих на состояние вод, и специальное водо­пользование, осуществляемое с применением сооружений и устройств (плотин, насосных станций, причалов, запа­ней, водоспусков, скважин, передвижных насосных уста­новок и т.п.), влияющих на состояние вод, т.е. влекущих изменения гидрологического, химического и биологичес­кого режима водных объектов. Одним из видов специаль­ного водопользования является использование водных объектов в энергетических целях. Специальное водополь­зование осуществляется на основании разрешений, выда­ваемых органами по регулированию использования и ох­ране вод.

Водопользователи должны:

• обеспечивать рациональное использование водных объектов, экономное расходование воды, восстановление и улучшение качества вод;

• принимать меры к полному прекращению сброса в водные объекты сточных вод, содержащих загрязняющие вещества;

• не допускать нарушения прав, предоставленных дру­гим водопользователям, а также нанесения ущерба хозяй­ственным и природным объектам (землям, лесам, живот­ному миру, полезным ископаемым и др.);

• содержать в исправном состоянии очистные и дру­гие водохозяйственные сооружения и технические устрой­ства, влияющие на состояние вод, улучшать их эксплуата­ционные качества, вести в установленных случаях учет пользования водами.

Право водопользования может быть прекращено в ряде случаев, определяемых водным законодательством, в том числе в случаях нарушения правил пользования водами и их охраны либо использования водного объекта не в соот­ветствии с той целью, для которой он предоставлен.

Гидроэлектрические станции благодаря специфическим свойствам используемых ими природных водных ресурсов и техническим особенностям их технологического оборудова­ния имеют ряд отличительных черт по сравнению с тепло­выми и атомными электростанциями; работа гидроэлектрос­танций в значительной степени зависит от природных усло­вий (водности реки в данный и предшествующие периоды, наличия наносов и льда и т.п.); режим работы гидроэлектро­станции связан с режимом водопотребления и водопользо­вания других отраслей народного хозяйства (сельского хо­зяйства, водного транспорта, рыбного хозяйства). Гидроаг­регаты гидроэлектростанции являются самым маневренным энергетическим оборудованием, обеспечивающим быстрое повышение и сброс электрической нагрузки в соответствии с потребностями энергосистемы. Перечисленные особенно­сти усложняют организацию рационального использования гидроэлектростанций в энергосистемах в первую очередь из-за невозможности однозначного планирования работы гид­роэлектростанций и их водохранилищ вследствие изменчи­вости гидрологического режима водотока. В связи с наличи­ем крупных энергосистем сложились условия для разграни­чения режимных функций между тепловыми элек­тростанциями, с одной стороны, и гидроэлектростанциями — с другой. В этих условиях основными энергетическими функциями гидроэлектростанций являются:

• участие в покрытии пиковой части графиков нагруз­ки объединенных энергосистем;

• регулирование частоты и мощности в энергосисте­мах и перетоков мощности по межсистемным линиям элек­тропередачи;

• выполнение роли аварийного и нагрузочного резер­ва энергосистемы в случае выхода из работы энергогенерирующего оборудования и линий электропередачи, а так­же в случаях неплановых набросов нагрузки.

Выполнение гидроэлектростанциями этих функций обеспечивается запасами гидроэнергии, создаваемыми в водохранилищах и бассейнах суточного регулирования, а также сохранением и развитием маневренных свойств гидроэнергетического оборудования и повышением уров­ня автоматизации гидроэлектростанций. В соответствии с изложенным от персонала требуется:

• обеспечивать сохранение маневренных свойств гидроэнергетического оборудования в течение длительно­го срока его эксплуатации;

• сохранять регулирующую способность (полезные объемы) водохранилищ и бассейнов суточного регулиро­вания;

• обеспечивать надежность гидротехнических соору­жений;

• рационально управлять режимами уровней при регулировании стока или обеспечивать возможность та­кого управления;

• повышать экономичность гидроэлектростанций пу­тем внедрения эксплуатационных мероприятий по повы­шению к.п.д., снижению потерь напора и др.

Следует иметь в виду, что рациональное использова­ние гидроэлектростанций в энергосистемах улучшает ре­жимы работы тепловых и атомных электростанций, вы­равнивает график их нагрузки, что имеет следствием сни­жение удельных расходов топлива на этих электростанци­ях и общую экономию топлива в энергосистемах. Пользо­вание водными объектами для нужд гидроэнергетики осу­ществляется с учетом интересов других отраслей народ­ного хозяйства, а также с соблюдением требований комп­лексного использования вод.

Комплексное использование водных ресурсов требует согласованных действий всех водопользователей и водопотребителей.

Энергетика характеризуется неравномерностью исполь­зования запасов водохранилищ в суточном и сезонном Разрезах, обусловленной графиком электропотребления.

Наиболее эффективны для гидроэлектростанции быстрое заполнение водохранилищ в половодье, поддержание в них максимально высоких уровней в течение весны и лета и сработка в период осенне-зимнего максимума электропот­ребления; перед половодьем желательна краткосрочная глубокая сработка водохранилищ.

Речной транспорт также заинтересован в быстром наполнении водохранилищ после их зимней сработки, в первую очередь до отметки навигационной сработки, но в летне-осенний меженный период он требует повышенных попусков в нижний бьеф для создания необходимых судо­ходных глубин.

Рыбное хозяйство требует максимального приближе­ния режимов уровней водохранилищ и попусков из них к естественным условиям водотока; для этого необходимо создавать весной искусственный гидрограф половодья в нижнем бьефе (рыбохозяйственный попуск), что замедля­ет заполнение водохранилища, а в отдельные годы не даст возможности достичь отметки НПУ. Для рыбного хозяй­ства неблагоприятны колебания уровней воды в верхнем и нижнем бьефах при суточном и недельном регулирова­нии мощности гидроэлектростанций.

Сельскохозяйственное орошение требует совершенно особых графиков подачи воды, зависящих от влажности года, периода созревания орошаемых культур и т.д.

Важную роль в ведении водных режимов гидроэлект­ростанций играют требования к охране окружающей при­родной среды. Эти требования выражаются в осуществ­лении противопаводочных мероприятий, предупреждении эрозии берегов водохранилищ, размывов дна и отложе­ний наносов в нижних бьефах гидроузлов, регулировании содержания твердых частиц (взвешенных наносов) в воде, регулировании ледового режима в нижнем бьефе, Неред­ко возникает необходимость в учете влияния водохрани­лищ на климатические условия района, Существенным неблагоприятным фактором стало загрязнение естествен­ных вод сточными водами, утечками масла из гидроприводов систем регулирования гидроэлектростанций. После создания ряда водохранилищ произошло ухудше­ние качества воды вследствие сброса в водоемы неочи­щенных или плохо очищенных стоков, развития водной растительности и разнообразных биохимических процес­сов. Имеют место случаи засорения водохранилищ древе­синой из-за недостаточной подготовки его ложа к затоп­лению.

Режимы водохранилищ, регулирующих сток рек, ве­дутся на основании взаимосогласованных всеми водополь­зователями основных правил использования водных ре­сурсов или правил эксплуатации водохранилищ, составля­емых для каждого водохранилища на основании действу­ющих типовых правил.

Методические указания [ 1 ] определяют порядок состав­ления и утверждения правил использования водных ре­сурсов конкретных водохранилищ, содержат общие тре­бования в части нормативных уровней воды, управления водным режимом, охраны вод от загрязнения, гид­рометеорологического обслуживания, учета водных ресур­сов, информации и оповещения.

В зависимости от природно-хозяйственной зоны, в ко­торой размещены гидроузел и водохранилище, а также от роли гидроэлектростанций в энергосистеме иерархия це­лей (или водопользователей), в интересах которых ведет­ся регулирование стока, может быть различной и изме­няться по мере изменения экономической, экологической и социальной обстановки.

Эти изменения, иногда знаменующие существенные отличия водного режима водохранилища и реки в нижнем бьефе гидроузла от предусмотренного проектом, должны фиксироваться в правилах использования водных ресур­сов водохранилища или каскада гидроузлов с водохрани­лищами. Правила использования водных ресурсов могут представлять собой самостоятельный (специально разра­ботанный) нормативный документ либо являться разде­лом правил эксплуатации водохранилища. Правила должны составляться по заказам гидро­электростанций или энергообъединений силами проект­ных организаций — разработчиков проекта гидроузла с привлечением институтов, представляющих интересы от­раслей, использующих водные ресурсы.

Правила формулируют принципы управления водными ресурсами водохранилищ в различные по водности пе­риоды и сезоны в целях решения трех основных задач:

— удовлетворения с нормативной надежностью потреб­ности в воде и электроэнергии;

— обеспечения безопасности гидротехнических сооружений, населения и хозяйства близ водохранилища и в нижнем бьефе гидроузла;

— поддержания условий существования водного и наземного природного комплекса в бьефах гидроузла и в зоне его влияния на водный режим реки и водохранилища.

После согласования правил водопользователями и орга­нами местного самоуправления они утверждаются упол­номоченным государственным органом (например, в Рос­сийской Федерации — Министерством природных ресур­сов РФ).

В правила эксплуатации конкретных водохранилищ должны быть включены следующие разделы:

• краткая характеристика назначения и регулирую­щей способности водохранилища;

• характеристика водных ресурсов и условий работы водохранилища (основные параметры естественного при­тока, влияние вышерасположенных водохранилищ и т.д.);

• основные параметры водохранилища и подпорные уровни;

• основные морфометрические и гидравлические характеристики водохранилища;

• гидравлические характеристики сооружений и обо­рудования гидроузла;

• состав и основные требования водопользователей, порядок удовлетворения нужд потребителей и проектные нормативы надежности их обеспечения;

• основные показатели использования водных ресур­сов водохранилища и гидроузла (объем водоподачи, гаран­тированные расходы или уровни воды, водноэнергетические показатели и т.п.);

• порядок использования водных ресурсов водохра­нилища в маловодные периоды (основные правила дис­петчерского регулирования стока; ограничение водопода­чи и колебаний уровня в интересах отдельных водополь­зователей; порядок использования гидрологических про­гнозов и т.п.);

• порядок пропуска высоких вод через сооружения гидроузла;

• мероприятия по борьбе с заилением;

• природоохранные требования (ограничения и эксплуатационные мероприятия по поддержанию надле­жащего санитарного и технического состояния водохра­нилища);

• порядок гидрометеорологического обслуживания водопользователей, учета водных ресурсов, информации и оповещения о водном режиме;

— организация службы эксплуатации водохранилищ. Этот перечень дополняется вопросами, относящимися

к улучшению качества воды (очистка сточных вод поря­док их сброса и т.п.), а также к контролю за использова­нием и учетом вод.

3.2.2. Для гидроэлектростанций с водохранилищем ком­плексного пользования должен быть составлен годовой водохозяйственный план, устанавливающий помесяч­ные объемы использования воды различными водополь­зователями. Водохозяйственный план должен уточнять­ся на каждый квартал и месяц с учетом прогноза стока воды региональными гидрометеорологическими служ­бами.

При наличии в энергосистеме нескольких гидроэлектростанций или каскадов регулирование сто­ка должно производиться так, чтобы получить максимальный суммарный энергетический (топливный, мощностной) эффект с учетом удовлетворения по­требностей других водопользователей.

Для гидроэлектростанций с водохранилищами комплек­сного назначения в целях предотвращения или смягчения конфликтов с неэнергетическими водопользователями (пре­тензий по поводу недодачи воды или необеспечения тре­буемых уровней воды и т.п.) рекомендуется составление годовых или сезонных планов использования воды водо­пользователями. О помесячных или сезонных объемах водоподачи, рассчитанных исходя из запаса воды в водо­хранилище и прогноза притока на предстоящий период (месяц, сезон, год), необходимо заблаговременно сообщать заинтересованным ведомствам (водопользователям). Пла­нируемые объемы (расходы) и уровни воды должны опре­деляться применительно к неблагоприятному отклонению прогноза от наиболее вероятного значения и корректиро­ваться в течение сезона (года) с учетом фактического при­тока и наличного объема воды в водохранилище.

Обязанностью диспетчерских служб и управлений яв­ляется составление водохозяйственного плана только в части помесячного использования объемов (расходов) воды и напора на гидроэлектростанции в соответствии с требо­ваниями правил эксплуатации данного водохранилища и решений органов водного хозяйства. При наличии каска­да водохранилищ водохозяйственный план составляется для каскада в целом.

Разработка водохозяйственного плана для гидроэлектро­станций осуществляется до начала года; основой для предварительной разработки могут служить типовые мо­дели гидрографов бытового притока и потребления всеми водопользователями для 3-4 лет различной водности (ма­ловодный, средний, многоводный). В качестве основного расчетного принимается средний по водности год 50%-ной обеспеченности; в качестве других расчетных лет прини­маются: многоводный - 25%-ной обеспеченности, мало­водный — 75%-ной и 90%-ной обеспеченности.

Водохозяйственный план определяет помесячно среднемесячные значения всех водохозяйственных пока­зателей использования водных ресурсов. В приходную часть плана включаются: запас воды в водохранилище (объем) на начало периода (год, месяц), приток в водохра­нилище, осадки на зеркало водохранилища. В расходную часть включаются: объем безвозвратного забора из водо­хранилища на орошение, все виды попусков, включая хо­лостые сбросы, использование воды гидроэлектростанцией, а также потери воды на испарение и фильтрацию. По сум­ме приходных и расходных компонентов рассчитываются запасы воды в водохранилище, определяются уровни воды в верхнем и нижнем бьефах, напоры гидроэлектростанции, средняя за период мощность и выработка электроэнер­гии, а также удельный расход воды на выработанный ки­ловатт-час.

Водохозяйственный план гидроэлектростанции учиты­вается при планировании работы тепловых электростан­ций, в том числе по затратам топлива. При использовании водохозяйственного плана для перспективного планиро­вания выработки электроэнергии применяются модели года 50%-ной обеспеченности; при составлении балансов мощ­ностей участия гидроэлектростанции в покрытии графи­ков нагрузки энергосистемы ориентируются на 90%-ную обеспеченность стока. В течение года водохозяйственный План уточняется на базе краткосрочных прогнозов воднос­ти и реальных потребностей каждого из участников водо­хозяйственного комплекса (эти потребности не должны превышать пределы, установленные правилами экс­плуатации конкретного водохранилища — см. выше п. 3.2.1).

Рабочей формой изображения правил оперативного Управления водным режимом водохранилища являются диспетчерские графики, представляющие собою зависи­мость расхода (стока) воды или среднесуточной мощнос­ти от календарной даты и запасов воды в водохранилище на известный момент времени. Диспетчерские графики составляются на основании детального анализа фактических гидрографов реки за длительный ряд лет; крайне важ­ное значение диспетчерские графики имеют при малой обеспеченности долгосрочного прогнозирования стока или при отсутствии прогнозов. Диспетчерские графики обыч­но разрабатываются в составе правил эксплуатации водо­хранилищ. Наибольшая степень детализации диспетчерс­ких графиков необходима на периоды весеннего полово­дья, зимней сработки водохранилища, навигационный. Тре­бования к диспетчерским графикам, на период предполоводной сработки и последующего наполнения водохрани­лища изложены в п. 3,2.3.

Порядок использования диспетчерских графиков следу­ющий:

• на поле диспетчерского графика наносится отметка воды в водохранилище на начало расчетного интервала времени (например, месяца) и определяется зона, в кото­рой будет работать гидроузел в этот интервал времени;

• назначается средний за расчетный интервал време­ни расход воды в нижнем бьефе гидроузла или средняя мощность гидроэлектростанции в соответствии с диспет­черской зоной, в которой окажется вышеуказанная от­метка воды в водохранилище;

• рассчитывается предполагаемая отметка уровня воды в водохранилище на конец расчетного интервала времени;

— если расчетный уровень воды в конце интервала находится в той же зоне графика, что и в начале, то расчет для данного интервала времени заканчивается. Если расчетный уровень в конце интервала соответствует дру­гой зоне диспетчерского графика, то он (уровень) назна­чается равным отметке на границе зон и вычисляется про­межуточное значение среднего за расчетный интервал времени расхода воды в нижнем бьефе гидроузла или сред­ней мощности гидроэлектростанции.

Принципы непосредственного составления водохозяйст­венных планов на основе диспетчерских схем регулирова­ния стока с учетом долгосрочных и краткосрочных про­гнозов стока и расходов воды изложены в специальной литературе, которой и следует пользоваться, например [2, 3].

Примером учета прогноза половодного притока при диспетчерском управлении является Цимлянское водохра­нилище на р. Дон, где объем весеннего рыбохозяйственного попуска нормируется в зависимости от сочетания запаса воды в водохранилище к концу зимней межени и прогнозируемого объема предстоящего половодья.

Двухступенное (или еще более дробное) задание рас­хода судоходных попусков в зависимости от уровня воды в водохранилище к началу навигации регламентировано диспетчерским графиком работы Иркутского водохрани­лища на р. Ангаре.

Таким образом, для водохранилищ многолетнего регулирования стока объемы, планируемые для разных водопользователей на предстоящий год или сезон, могут назначаться исходя из запаса воды в водохранилище к началу планируемого периода работы.

Назначение экономичных режимов регулирования сто­ка водохранилищами гидроэлектростанций, работающих в сложных условиях многоцелевого комплексного водо­пользования, является задачей, которая решается с при­менением математических оптимизационных методов расчета на базе современной вычислительной техники. В общем виде критерий экономичности регулирования выра­жается в обеспечении гарантированных водных режимов (по уровням и объему водоподачи) неэнергетических водо­пользователей, максимальной срезки высоких пиков павод­ков и половодий и в достижении минимума тех эксплуа­тационных издержек в энергосистеме, которые зависят от водного режима гидроэлектростанций: издержек от расхо­да топлива на тепловых электростанциях и от ущербов при возможных дефицитах энергоснабжения из-за недостаточ­ной обеспеченности водой гидроэлектростанций.