Водноэнергетические расчеты ГЭС для сезонного регулирования стока по диспетчерскому режиму. Методические указания к выполнению практических работ по д

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования «МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра гидротехнического строительства

ВОДНОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ ГЭС ДЛЯ СЕЗОННОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ СТОКА ПО ДИСПЕТЧЕРСКОМУ РЕЖИМУ

Методические указания к выполнению практических работ

по дисциплине «Гидроэнергетические сооружения»

Москва 2014

1

УДК 621.22 ББК 31.5

В60

Р е ц е н з е н т :

кандидат технических наук В.В. Берлин, профессор кафедры

гидротехнического строительства

ФГБОУ ВПО «МГСУ»

С о с т а в и т е л ь :

О.А. Муравьев, доктор технических наук, профессор кафедры гидротехнического строительства ФГБОУ ВПО «МГСУ»

В60 Водноэнергетические расчеты ГЭС для сезонного регулирования стока по диспетчерскому режиму : методические указания к выполнению практических работ по дисциплине «Гидроэнергетические сооружения» для студентов, обучающихся по специальности 271101 «Строительство уникальных зданий и сооружений», профиль «Строительство гидротехнических сооружений повышенной ответственности» / М-во образования и науки Росс. Федерации, Моск. гос. строит. ун-т, каф. строительства объектов тепловой и атомной энергетики ; сост. О.А. Муравьев. Москва : МГСУ, 2014. 32 с.

Рассмотрена методика выполнения водно-энергетических расчетов сезонного (годичного) регулирования стока по календарным рядам среднемесячных расходов с реализацией диспетчерского режима регулирования в водохранилище. Расчеты по предлагаемой математической модели позволяют определить изменение во времени основных параметров ГЭС (расхода, напора мощности по водотоку), а также получить оптимизированный диспетчерский график наполнения и сработки водохранилища. Практическая работа, выполняемая с использованием настоящих методических указаний способствует развитию у студентов навыков самостоятельной работы по обоснованию энергетических параметров ГЭС.

Для студентов, обучающихся по специальности 271101 «Строительство уникальных зданий и сооружений», профиль «Строительство гидротехнических сооружений повышенной ответственности».

УДК 621.22 ББК 31.5

© ФГБОУ ВПО «МГСУ», 2014

2

ВВЕДЕНИЕ

Водно-энергетические и водохозяйственные расчеты представляют собой важный и ответственный этап проектирования гидроэлектростанций (ГЭС). Их целью является установление основных параметров (мощность, выработка энергии, напоры и др.) с учетом требований комплексного использования водотока и охраны окружающей среды. При этом необходимо обеспечить высокую надежность полученных данных, так как в противном случае возможен значительный экономический ущерб.

Водно-энергетические и водохозяйственные расчеты, как правило, основываются на результатах гидрометрических наблюдений водотока за прошлые годы с введением соответствующих поправок, учитывающих расположение створа сооружений, воздействие на сток других гидроузлов или водопользователей, ожидаемое изменение структуры водосборной площади и др.

Вкачестве исходного материала задаются гидрологические ряды

−хронологическая последовательность среднемесячных (среднедекадных) расходов в течение многих лет. Основная сложность состоит в том, что на основе данных за прошлые годы нужно дать надежный прогноз работы ГЭС на будущее. Для этого приходится выполнять многочисленные расчеты за большое количество лет, имеющих различные показатели по стоку и его сезонному распределению. Все это сопряжено с большим объемом вычислительной работы, выполнить которую наиболее эффективно можно только используя ЭВМ.

Вметодических указаниях дается описание компьютерной программы водно-энергетических расчетов «WRST». Программа написана на языке Фортран и введена в библиотеку прикладных программ вычислительного класса кафедры ГС.

Программа обеспечивает выполнение расчетов на основе решения уравнения водного баланса для сезонного (годичного) регулирования. Цикл сработки и наполнения полезного объема водохранилища составляет один год.

Программа «WRST» осуществляет расчеты для заданного диспетчерского графика. Поскольку оптимальный вид диспетчерского графика для данных условий заранее неизвестен, то расчеты прихо-

3

дится повторять по несколько раз: для предварительно принимаемого диспетчерского графика и после его корректировки. Последовательная корректировка диспетчерского графика для каждого календарного месяца требует выполнения как минимум 12-ти расчетов.

Ниже дано описание алгоритма и структуры программы, инструкция по ее использованию, приведен текст и тестовый пример.

1. Условные обозначения

Каждый параметр, участвующий в расчете, имеет оригинальное буквенное обозначение (идентификатор). В методических указаниях принята система обозначений, использованная в тексте компьютерной программы. Ниже приведена расшифровка используемых идентификаторов.

Идентификаторы для отдельных величин:

М – порядковый номер месяца;

МF – общее количество месяцев в расчетном ряду;

М1 – календарный месяц, с которого начинается расчетный ряд; MD – календарный месяц года (1...12);

NF – количество узловых точек кривой объемов водохранилища; JF – количество узловых точек кривой нижнего бьефа (НБ);

LA – схема ГЭС (см. DK);

КF – количество расчетных случаев;

VU – полезный объем водохранилища, 106 м3

VR – мертвый объем водохранилища, 106 м3

QR – гарантированный отрегулированный расход, м3/c; QPF – полный (максимальный) расход ГЭС, м3/c;

DK – параметр определения потерь напора; для ГЭС с индивидуальными водоводами LA = 0 (DK − потери в м); для ГЭС с общим водоводом LA = 1 (DK – коэффициент потерь напора при QP2);

EFF – КПД агрегата (турбины, генератора), о.е.;

S – объем холостых сбросов в НБ за весь расчетный период, 106 м3; EP – выработка электроэнергии ГЭС за месяц, кВт/ч.;

EEP – среднегодовая выработка электроэнергии, кВт/ч.

4

Идентификаторы для массивов:

Q(M) – среднемесячные расходы притока (гидрограф), м3/с; QP(M) – отрегулированные расходы ГЭС, м3/с;

QS(M) – расходы, сбрасываемые через водосброс, м3/с; ZU(M) – отметка верхнего бьефа (ВБ) на конец месяца, м; ZL(М) – отметка НБ, м;

РH(M) – статический напор ГЭС на конец месяца, м;

PN(M) – среднесуточная мощность ГЭС на конец месяца, кВт; VMM/М) – остатки в полезном объеме водохранилища на конец

месяца, 106 м3;

MDK(М) – номер календарного месяца года;

QU(МD) – расход, забираемый из ВБ, и потери из водохранилища, м3/с;

VD(MD) – диспетчерский график (требуемые остатки в полезном объеме на конец календарного месяца), 106 м3;

VV(N), – сопряженные массивы, представляюшие собой зави- ZUU(N) симость объема водохранилища, 106 м, от отметки ВБ, м

(NP – количество узловых точек);

QLL(I), – сопряженные массивы, представляющие собой зави- ZLL(I) симость отметок НБ, м, от расхода, м3/с (JF – количе-

ство узловых точек).

2. Алгоритм вычислений

Программа осуществляет ежемесячные вычисления на основе уравнения водного баланса.

Рассмотрим расчетные зависимости на конец М-го месяца. Значение календарного месяца года MD, соответствующее М, вычисля-

Календарные месяцы года с номерами от 1 до 12 при любом М получаются по (1) при делении и умножении целочисленных величин.

На рис. 1,а показан диспетчерский график в координатах объем– время. На графике выделены порядковый месяц М и календарный MD. Пусть фактическое положение точки на начало месяца – А. Фактический объем – VM, избыток над объемом, требуемым по дис-

5

петчерскому графику – DV. Зарегулированный расход ГЭС для М-го

где QP1 – среднемесячный расход ГЭС; QR – гарантированный расход; DV / 2,63 – добавочный расход за счет сработанного избытка объема (2,63 106 – количество секунд в месяце). При этом увеличение объема в водохранилище за месяц составит:

где DV1 – приращение объема, млн м3; Q(M) – бытовой приток, м3/с; QS1 – расход водосбросов и QU(MD) – расход отбора из ВБ, включая потери на испарение и фильтрацию.

Рис. 1

6

Фактический остаточный объем в водохранилище на конец месяца

Соотношение между фактическим остаточным объемом и необходимыми диспетчерскими остатками

Возможны три случая в зависимости от соотношения между фактическим остаточным объемом и необходимыми диспетчерскими

где VD1 – требуемый объем по диспетчерскому графику; VU – полезный объем водохранилища. В данном случае не требуется коррекция результатов расчета.

Случай 2 (см. рис. 1,б)

Точка А1 вышла за пределы НПУ, т.е. происходит переполнение водохранилища. В этом случае требуется коррекция расхода ГЭС в сторону увеличения, чтобы избежать переполнения водохранилища. Расход ГЭС определяется по формуле:

При этом к концу месяца уровень в водохранилище достигнет НПУ. Случай 3 (см. рис. 1,в).

Точка А1 лежит ниже диспетчерской линии, т.е. произошла чрезмерная сработка водохранилища, что недопустимо. Нужно снизить

Вэтом случае зарегулированный расход ГЭС (QP1) может оказаться ниже гарантированного (QR).

Валгоритме реализовано ограничение по максимальному расходу турбин ГЭС:

где QPF – максимальный расход турбин ГЭС (фактически QPF зависит от напора, но в данной программе для упрощения расчетов этот фактор не учитывается, что, как правило, не приводит к существенной погрешности). Если требование (8) не удовлетворено, то принимают QP1 = QPF, при этом во втором случае появится расход холостых сбросов QS1 = QP1 – QPF.

Статический напор вычисляется как разность отметок ВБ и НВ:

7

PH1 = ZU1 – ZL1, причем ZU1 определяется интерполяцией по кривой объема водохранилища для объема VM1, а ZL1 – по кривой НБ для расхода QL1=QP1+QS1.

Мощность ГЭС рассчитывается по формуле:

PN1 = QP1 (PH1 – PHL) 9,81 EFF, (9)

где PHL – гидравлические потери напора; EFF – КПД гидроагрегата.

3. Блок-схема и текст программы «WRST»

На рис. 2 показана блок-схема программы водно-энергетических и водохозяйственных расчетов годичного (сезонного) регулирования, составленная согласно описанному выше алгоритму вычислений (для удобства на схеме указаны соответствующие тексту программы метки). Текст программы «WRST» приведен в Приложении 1.

Первыми операциями являются ввод и контрольная печать исходных данных, которые разделены на две группы:

1-я группа – общие:

Q(M), VV, ZUU, QLL, ZLL, LA (строки 5–18) 2-я группа – режимные (метка 107):

VU, VR, QPF, DK, EFF, VD(MD), QR, QU(MD) (строки 20–25).

Следующий этап – выполнение расчета начиная со значения М=1 (строка 27), причем принимается, что VD=0, т.е. начальная точка А (см. рис. 1) лежит на диспетчерской линии. Наиболее вероятно, что это условие удовлетворяется в конце половодья, когда водохранилище заполнено.

Далее (метка 8) по формуле (2) вычисляется расход QP1 и делается проверка на максимальный расход ГЭС (строка 33). При этом считаем, что сброса воды через водосбросы нет: QS1=0. Затем по формуле (1) вычисляется календарный месяц MD (строка 37) и находится приращение объема водохранилища за М-й месяц – DV1 по формуле (3), объемы VM1 по (4) и VD1 по диспетчерскому графику (строки 38–40).

После этого (строка 41) проверяется условие (5). Если оно удовлетворено (см. рис.1,а), то счет переводится на метку 11. Здесь прежде всего формируются члены искомых массивов МDK(М), QP(M), QS(M), VММ(М). С помощью интерполяционной подпрограммы LAG11 находятся отметки ВБ (по объему водохранилища VM11) и НБ (по расходу в НБ QL1), а также вычисляется статиче-

8

ский напор РН, и формируются члены массивов ZU(M), ZL(M), PH(M) (строки 45–56). Затем по заданному значению DK с учетом типа ГЭС определяются гидравлические потери (строки 57–60) по формуле (9) вычисляются мощность РN1 и элемент массива РN(М) (строки 61, 62).

Далее счет переводится на метку 14, где осуществляется печать полученных значений, дается приращение М = М+1, проверяется, не окончился ли ряд (M > MF) (если нет, производится переприсваивание значений VM = VM1, DV = VM1 – VD1), и счет возвращается на метку 8 для следующего месяца.

Вернемся к строке 41 и рассмотрим вычисления, если условие (5) не удовлетворено. Здесь возможны два случая:

1.VM1 > VU (переполнение водохранилища), тогда счет направляется на метку 12 (строки 64–68), по формуле (6) дается новое значение расходу QP1, производится проверка по QPF и определяется сбросной расход QS1, затем вычисляются новые значения DV1 и VM1, и счет переводится на метку 11;

2.VM1 < VD1(чрезмерная сработка водохранилища), тогда по формуле (7) определяется новое (уменьшенное) значение расхода QP1, счет направляется на метку 13 для нахождения новых DV1 и VM1 и переходит на метку 11.

Когда вычисления выполнены для всего ряда M > MF (строка 76), счет направляется на метку 100, где суммируются все месячные сбросы S1, и определяется общий объем S холостых сбросов воды за весь расчетный период MF. Затем подсчитывается месячная выработка энергии (принято – 720 часов в месяце), и вычисляется среднегодовая выработка энергии ГЭС ЕЕР (строки 80–89).

Полученный результат выводится на печать.

Выполняется статистическая обработка результатов расчетов. Вычисляются координаты кривых обеспеченности наиболее важных параметров: бытовых расходов Q, зарегулированных расходов QP, напоров РН, среднесуточных мощностей ГЭС РN.

Для статистической обработки используется подпрограмма RAVK(A), выполняющая ранжирование соответствующих массивов (т.е. перестроение их членов таким образом, чтобы они располагались в порядке возрастания), а затем отбор членов от минимального до максимального с интервалом 5 % (т.е. 1/20) и вывод их на печать (строки 120–146).

9

Рис. 2. Блок-схема

10