CC BY
15УДК 627.8.09
ОГРАНИЧЕНИЯ СКОРОСТИ ИЗМЕНЕНИЯ УРОВНЕЙ ВОДЫ ВОДОХРАНИЛИЩ ПРИ УПРАВЛЕНИИ РЕЖИМАМИ РАБОТЫ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ В СООТВЕТСТВИИ С ТРЕБОВАНИЯМИ ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ
© 2012 г. А.Ю. Александровский, С.В. Хасянов
Национальный исследовательский университет «Московский энергетический институт», Москва
Ключевые слова: режим работы водохранилищ, безопасность гидротехнических сооружений, скорость изменения уровня воды.
0-^ Ш
А.Ю. Александровский С.В. Хасянов
Рассмотрено влияние ограничений скорости изменения уровня воды в водохранилище на режим его работы. Оценивается влияние ограничения на показатели работы гидроэлектростанции. Предложено учитывать ограничения скорости изменения уровня при водохозяйственных и водноэнергетических расчетах.
Введение
Ввод в эксплуатацию гидроэлектростанции обычно связан с созданием водохранилища, основным назначением которого является перераспределение речного стока во времени. Влияние водохранилища на водный режим реки и, соответственно, на окружающую среду тем значительней, чем больше его абсолютный и относительный полезные объемы по сравнению со среднемноголетним стоком.
На основании Водного кодекса РФ [1] использование водных ресурсов осуществляется согласно «Правилам использования водных ресурсов водохрани-
Водное хозяйство России № 4, 2012
Водное хозяйство России
лищ» (далее Правила). Правила являются основным документом, регламентирующим принципы и методы управления стоком рек с максимально возможным учетом интересов всех водопользователей и с учетом безопасности гидротехнических сооружений гидроузла.
Как правило, на этапе проектирования или перед сдачей гидроузла в эксплуатацию для разработки Правил используют исходные данные, содержащиеся в проектных материалах. По мере накопления опыта эксплуатации, изменения водохозяйственной обстановки, экологических требований к режиму использования стока Правила подлежат пересмотру.
В составе Правил разрабатываются диспетчерские графики и положения, которые определяют основное содержание Правил и являются средством управления водными ресурсами водохранилища в условиях гидрологической неопределенности.
Влияние режима работы водохранилища на безопасность гидротехнических сооружений
Безопасность гидротехнических сооружений гидроузла, а следовательно, расположенных в долине реки ниже по течению населенных пунктов и хозяйственных объектов, а также надежность функционирования электроэнергетического объекта в значительной мере определяются режимом использования водных ресурсов водохранилища. Однако в настоящее время в Правилах зачастую полностью не отражены условия, связанные с безопасностью. К примеру, характеристика динамики уровня воды в водохранилище - скорость повышения или снижения горизонта в расчетном интервале времени -в диспетчерских графиках не оговаривается. Эта характеристика имеет важное и часто определяющее значение для безопасности гидротехнических сооружений [2].
Колебания уровня воды в водохранилище в процессе его эксплуатации сопровождаются перестройкой напряженно-деформированного и фильтрационного состояния массива. При этом зачастую происходит интенсификация суффозионных процессов (вынос мелких минеральных частиц породы фильтрующейся через нее водой), а также образование зон со снижающейся прочностью вследствие циклических изменений знака напряжений.
При быстрой сработке водохранилища в массиве перегораживающего сооружения могут возникать зоны избыточного давления, в которых развиваются процессы разрушения массива. Наличие в трещинах массива фильтрующей воды существенно влияет на напряженно-деформированное состояние массива в бортах водохранилищ и в местах примыкания плотины
[3, 4].
Водное хозяйство России № 4, 2012
Водное хозяйство России
При быстром подъеме уровня воды в водохранилище большие аккумулируемые массы воды не успевают реализовываться в виде объемных гидродинамических сил в скальном массиве и действуют на ложе водохранилища преимущественно как поверхностная нагрузка. Такая нагрузка приводит к деформациям бортов каньона, которые существенно влияют на напряженно-деформированное состояние плотин.
Подобные явления разрушения массива наблюдаются на крупнейшей гидроэлектростанции России - Саяно-Шушенской ГЭС. Уже в первые годы после подъема верхнего бьефа по данным измерительной аппаратуры, установленной в ближней к плотине зоне, отмечалось повышенное трещинооб-разование и увеличенные фильтрационные расходы в поверхностной части основания. Согласно геофизическим данным процесс дополнительного техногенного разуплотнения массива в русловой части достиг глубин порядка 50-60 м [5].
Большой комплекс исследований, проведенных на плотине лабораторией гидротехнических сооружений Саяно-Шушенской ГЭС, наглядно свидетельствует о существенном влиянии колебания уровня воды в водохранилище (39-40 м ежегодно) на деформации скальных примыканий плотины. Многолетние наблюдения показывают, что эти деформации берегов водохранилища непосредственно связаны с сезонными колебаниями уровня воды [4].
Таким образом, результаты наблюдений показали существенное влияние колебаний уровня воды в водохранилище на физико-механические свойства и напряженное состояние массива в примыкании и основании плотины [6]. В результате возникновения вышеописанного явления, оказывающего отрицательное воздействие на безопасность ГТС, может возникнуть необходимость использования определенных ограничений при назначении режимов работы водохранилища.
Оценка влияния ограничений по скорости изменения уровня воды в водохранилище на энергетические показатели гидроэлектростанции
Очевидно, что применение ограничений по скорости изменения уровня воды в водохранилище приводит к изменению режима работы водохранилища и, как следствие, к изменению режима работы гидроэлектростанции. Также изменяются показатели работы гидроэлектростанции в сравнении с вариантом, при котором эти ограничения не учитываются: уменьшатся среднегодовая выработка электроэнергии, гарантированная зимняя мощность и др.
В работе на примере Саяно-Шушенской ГЭС рассмотрено влияние ограничения по скорости изменения уровня воды в водохранилище на
Водное хозяйство России № 4, 2012
Водное хозяйство России
энергетические показатели работы гидроэлектростанции. Саяно-Шу-шенский гидроэнергокомплекс имеет комплексное назначение. Помимо регулирования стока преимущественно в энергетических целях, он используется для нужд водного транспорта, коммунального хозяйства и срезки максимальных расходов воды для предотвращения наводнений.
Гидроэлектростанция расположена на р. Енисей на границе между Красноярским краем и Хакасией и является крупнейшей по мощности электростанцией России. Установленная мощность станции составляет 6400 МВт (10x640 МВт), среднегодовая выработка электроэнергии 23,5 ТВтч. Станция является первой ступенью Енисейского каскада ГЭС, в который также входят Майнская ГЭС (321 МВт и 1,7 ТВтч) и Красноярская ГЭС (6000 МВт и 20,4 ТВтч).
Саяно-Шушенская ГЭС - это мощная высоконапорная гидроэлектростанция приплотинного типа. Напорный фронт образуется бетонной ароч-но-гравитационной плотиной - уникального по размерам и сложности возведения гидротехнического сооружения. Конструкция высоконапорной арочно-гравитационной плотины не имеет аналогов в мировой и отечественной практике, она входит в десятку самых высоких плотин мира. Высота сооружения 245 м, длина по гребню 1074 м, ширина по основанию 106 м и по гребню 25 м. Плотина очерчена по напорной грани радиусом 600 м. Устойчивость и прочность плотины обеспечивается не только действием собственного веса (60 %), но и работой верхнего арочного пояса с передачей нагрузки на скальные берега (40 %). Водосбросная часть плотины длиной 190 м расположена у правого берега и является эксплуатационным водосбросным сооружением. Станционная часть плотины находится в левобережной части русла реки, общая длина составляет 332 м. Проектная отметка нормального подпорного уровня (НПУ) 540 м, форсированного подпорного уровня (ФПУ) 544,5 м. После завершения ремонтных работ в теле плотины (1997 г.) отметка НПУ была снижена до 539 м, а ФПУ до 540 м. После аварии 17 августа 2009 г. на период восстановления станции отметка верхнего бьефа не должна превышать 536 м.
Площадь водосбора бассейна реки, обеспечивающей приток к створу ГЭС, составляет 179 900 км2, среднемноголетний сток в створе 46,7 км3. Водохранилище Саяно-Шушенской ГЭС - сезонного регулирования, с полным объемом 31,3 км3, полезным 15,3 км3, длиною 320 км и площадью 621 км2.
Саяно-Шушенская ГЭС используется для регулирования мощности в единой энергосистеме Сибири. Согласно проектной документации, Саяно-Шушенский гидроэнергетический комплекс в энергообъединении выполняет следующие функции:
Водное хозяйство России № 4, 2012
Водное хозяйство России
- выдача в систему активной и реактивной мощности и энергии;
- частотный резерв мощности и аварийный резерв системы.
В настоящее время недостаточная пропускная способность электрических сетей не позволяет полностью использовать мощность Саяно-Шушенс-кой ГЭС в энергосистеме, что в результате приводит к наличию «запертой» мощности. На основании вышеизложенной информации было решено провести расчеты по оценке влияния ограничения по скорости изменения уровня воды в водохранилище на энергетические показатели гидроэлектростанции для двух вариантов. Первый вариант соответствует работе Саяно-Шу-шенской ГЭС в условиях недостаточной пропускной способности линий электропередач (максимальная мощность станции 4000 МВт). В качестве второго варианта рассматривали использование проектной установленной мощности станции 6400 МВт.
Для оценки влияния ограничений по скорости изменения уровня воды в водохранилище были выполнены водохозяйственные и водноэнергети-ческие расчеты, в результате которых были получены показатели работы гидроэлектростанции при различных значениях ограничений. В качестве показателей работы гидроэлектростанции приняты: ^гар - гарантированная зимняя мощность ГЭС обеспеченностью 90 %; Э0 - среднемноголетняя годовая выработка электроэнергии; Жхолсбр - среднемноголетний годовой объем холостых сбросов. Расчеты выполняли подекадно по гидрологическому ряду наблюдений за стоком с 1903 по 2005 гг.
В качестве правил управления водными ресурсами водохранилища использовали действовавшие правила. Если режим работы по диспетчерскому графику нарушал требования по ограничению скорости изменения уровня воды в водохранилище, то водо- и энергоотдача ГЭС корректировались с учетом этих ограничений. Расчеты выполняли по разработанной в НИУ МЭИ программе «Каскад» [7], позволяющей проводить водохозяйственные и водноэнергетические расчеты режима работы каскада водохранилищ с гидроэлектростанциями. Программа осуществляет расчет выработки электроэнергии ГЭС и холостых сбросов из водохранилищ каскада при известных параметрах водохранилищ (батиграфических и/или объемных кривых водохранилищ, пропускных способностей гидроузлов и др.), а также заданных гидрографов притока, ограничений изменения уровня и пр.
Ограничения по скорости изменения уровня воды в водохранилище при сработке устанавливали в декабре-апреле, при наполнении - в мае-июле. Ограничения не устанавливали в августе-ноябре, т. е. в период летне-осенней межени, когда режим работы водохранилища характеризуется спокойным состоянием уровня без существенных колебаний. Ограничения по скорости изменения уровня воды в водохранилище
Водное хозяйство России № 4, 2012
Водное хозяйство России
23 000 -г 22 000
рс и
21 000
20 000 7000 <3 6000 5000 4000 | 3000 ^ 2000 1000 0
2500 2000
1500
1000
500
а ---- ---- --- ---
б \
ч
в ---- --- --- ---
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 dh (ограничение), см/декаду
при работе ГЭС с ограничениями
при работе ГЭС без ограничений
Рис. 1. Изменение среднемноголетней годовой выработки (а), холостых сбросов (б) и гарантированной зимней мощности (в) Саяно-Шушенской ГЭС в зависимости от ограничений по скорости изменения уровня воды в водохранилище (первый вариант).
устанавливались одинаковыми как для летнего, так и для зимнего периода.
Результаты расчетов по первому варианту представлены на рис. 1, по второму варианту - на рис. 2.
На рис. 1а представлен график, отображающий влияние ограничения по скорости изменения уровня воды в водохранилище на средне-многолетнюю годовую выработку электроэнергии Саяно-Шушенской ГЭС. Из рисунка можно сделать вывод, что наибольшее влияние на выработку электроэнергии гидроэлектростанцией оказывает диапа-
Водное хозяйство России № 4, 2012
Водное хозяйство России
24 000 23 500
Г
й 23 000
т
22 500
22 000
2000 3 1600 1200 ! 800 400 0
3000 2500 т 2000
1500 1000 500
0
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 dh (ограничение), см/декаду
._ при работе ГЭС при работе ГЭС
с ограничениями без ограничений
Рис. 2. Изменение среднемноголетней годовой выработки (а), холостых сбросов (б) и гарантированной зимней мощности (в) Саяно-Шушенской ГЭС в зависимости от ограничений по скорости изменения уровня воды в водохранилище (второй вариант).
а
б
в
зон ограничений в пределе до 500 см в декаду. Рост выработки в диапазоне ограничений от 100 до 500 см составляет 2150 млн кВтч, т. е. 10 % от среднемноголетней выработки ГЭС при работе без ограничений (22 500 млн кВтч). При ограничении более чем 500 см в декаду влияние не так значительно, а после 700 см практически не заметно.
Снижение выработки электроэнергии на ГЭС в результате уменьшения допустимой скорости изменения уровня воды в водохранилище объясняется уменьшением регулирующих водных объемов водохранилища в эти периоды, что, как следствие, приводит к уменьшению эффективности использования речного стока. При ограничении скорости подъема уровня увеличиваются холостые
Водное хозяйство России № 4, 2012
Водное хозяйство России
сбросы при задержке увеличения напора на турбинах ГЭС. При понижении уровня и ограничении скорости этого понижения снижаются расходы через турбины.
На рис. 1б представлена зависимость холостых сбросов воды от ограничения по скорости изменения уровня воды в водохранилище; на рис. 1в - влияние ограничений по скорости изменения уровня воды в водохранилище на гарантированную зимнюю мощность ГЭС. Из рис. 1в видно, что на гарантированную мощность ГЭС влияет диапазон ограничений до 700 см в декаду, причем это влияние достаточно значительное. Уменьшение допустимого уровня колебания воды в водохранилище с 700 до 400 см приводит к снижению гарантированной мощности на 700 МВт или более чем на 30 %. Это приводит к снижению энергоотдачи ГЭС в зимний период, когда имеет место максимум электропотребления. В результате снижается эффективность использования ГЭС в покрытии пиков нагрузки и регулировании частоты в энергосистеме, что приводит к уменьшению маневренных мощностей в энергосистеме.
Во втором варианте за счет увеличения используемой мощности сред-немноголетняя выработка ГЭС больше. В сравнении с первым вариантом характер зависимости практически не изменился. В этом варианте диапазон ограничений, оказывающий влияние на среднемноголетнюю выработку ГЭС, несколько расширился. Установление ограничения в размере 600 см в декаду, в отличие от первого варианта, приводит к снижению выработки на ГЭС 80 млн кВтч (в первом варианте это значение составляет менее 10 млн кВтч). На рис. 2б приведена зависимость холостых сбросов воды от допустимых скоростей изменения уровня воды в водохранилище. На рис. 2в представлено влияние ограничений по скорости изменения уровня воды в водохранилище на гарантированную зимнюю мощность ГЭС для второго варианта. Вид данной характеристики практически не отличается от первого варианта.
Проведенные расчеты показали, что установление ограничений по скорости изменения уровня воды в водохранилище может достаточно сильно повлиять на энергетические показатели работы Саяно-Шушенской ГЭС, в особенности на гарантированную зимнюю мощность ГЭС. В случае установления таких ограничений потребуется корректировка «Правил использования водных ресурсов водохранилищ» и проектных показателей их водо-и энергоотдачи.
Выводы
1. Учет требований к обеспечению безопасности гидротехнических сооружений приводит к необходимости корректировок «Правил использования водных ресурсов водохранилищ».
Водное хозяйство России
2. Введение ограничений по скорости изменения уровня воды в водохранилище может значительно повлиять на энергетические режимы и показатели работы гидроэлектростанции (снижение среднемноголетней выработки электроэнергии на Саяно-Шушенской ГЭС может составлять до 10 % от среднемноголетней выработки при работе ГЭС без ограничений, снижение гарантированной зимней мощности - до 30 %).
3. При каскадной схеме использования водотока следует рассматривать требования по безопасности гидротехнических сооружений для всех гидроузлов каскада совместно.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Постановление правительства РФ № 349 от 22.04.2009 «Об утверждении Положения о
разработке, согласовании и утверждении правил использования водохранилищ, в том числе типовых правил использования водохранилищ».
2. Мурашов С.В., Дубинина В.Г., Александровский А.Ю. Требования рыбного хозяйства и их
учет при разработке правил использования водных ресурсов водохранилищ ГЭС // Гидротехническое строительство. 2009. № 12. С. 28-32.
3. Савич А.И., Бронштейн В.И., Ильин М.М. Геомониторинг на участках крупных гидротех-
нических сооружений в районах повышенного геодинамического риска // Гидротехническое строительство. 2000. № 4. С. 50-55.
4. Савич А.И., Газиев Э.Г. Влияние водохранилищ на поведение скальных массивов основа-
ний высоких плотин // Гидротехническое строительство. 2005. № 5. С. 33-37.
5. Шуйфер М.И. Изменения во времени состояния основания Саяно-Шушенской ГЭС по
геофизическим показателям // Гидротехническое строительство. 1991. № 6. С. 53-57.
6. Савич А.И., Ильин М.М., Речицкий В.И., Замахаев А.М. Особенности влияния водохрани-
лищ на скальные основания больших плотин // Гидротехническое строительство. 2003. № 3. С. 48-53.
7. Александровский А.Ю., Силаев Б.И., Пугачев Р.В., Якушов А.Н. Программный комплекс
для проведения водохозяйственных и водноэнергетических расчетов каскадов ГЭС «Каскад». Свидетельство о государственной регистрации в Федеральной службе по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам программы для ЭВМ № 2011613087 от 19 апреля 2011 г
Сведения об авторах:
Александровский Алексей Юрьевич, д. т. н., профессор, кафедра «Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии», Национальный исследовательский университет «Московский энергетический институт» (НИУ МЭИ), 111250, Москва, ул. Красноказарменная, 14; e-mail: [email protected]
Хасянов Сергей Владимирович, аспирант, кафедра «Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии», Национальный исследовательский университет «Московский энергетический институт» (НИУ МЭИ), 111250, Москва, ул. Красноказарменная, 14; e-mail: [email protected]
Водное хозяйство России № 4, 2012
Водное хозяйство России
