Реконструкция Шершневской малой ГЭС с выбором гидромеханического оборудования

Чаще всего в гидрологических расчётах кривую распределения представляют в форме кривой обеспеченности интегральной форме распределения вероятностей. По этой кривой определяется средняя вероятность появления того или иного значения стока. Например, обеспеченность Р = 95% означает, что соответствующий сток может появиться в среднем 1 раз в 20 лет.

Для построения кривых обеспеченности необходимо знать статистические параметры стока и их средние квадратические ошибки (σ):

среднее значение стока (норма):  

 

                                                     (1)

 

;                                                   (2)

 

коэффициент вариации:

 

;                                                  (3)

 

;                                              (4)

коэффициент асимметрии:

;                                                 (5)

 

.                                    (6)

 

Длина ряда наблюдений считается достаточной для определения и Сv, если < 5…10%, а < 10…15%. Как показывают практические расчёты для указанных пределов σ достаточны ряды наблюдений 25…50 лет, в зависимости от климатических характеристик района. Тогда как для определения Cs ряды должны быть более длинными (более 100 лет), что на практике встречается весьма редко. Поэтому часто Cs определяют методом подбора по очертанию кривой обеспеченности.

В гидрологических расчётах широкое применение нашли кривые распределения биноминального типа: кривая распределения Пирсона III типа при Cs = 2Cv, а при других соотношениях Cs и Cv кривые трёхпараметрического гамма распределения.

Кривая распределения Пирсона III типа в интегральном выражении имеет вид:

,                                               (7)

 

где y – текущее значение ординаты (частоты);

x – текущее значение абсциссы;

a и d – отклонение моды и нормы от начала координат и определяются через центральные моменты.

Эмпирическая вероятность определяется по формуле:

 

,                                               (8)

 

где m – порядковый номер члена ряда, расположенного в убывающем порядке;

n – общее число членов ряда.

По данным гидрометеослужбы построены кривые продолжительности среднемесячных зарегулированных расходов в створе Шершневского водохранилища.

 

Рисунок 30  – Кривая продолжительности среднесуточных зарегулированных расходов в створе Шершневского водохранилища.

Средний годовой сток р. Миасс в створе гидроузла 95 % и  97% обеспеченности с учётом зарегулирования Аргазинским водохранилищем равен соответственно  4,7 м3 /с и  3,9 м3 /с , сток водосбора между водохранилищами равен 0,42 м3/с, коэффициент вариации годового стока    Cv = 0,54.

Максимальные расходы воды весенних половодий 0,1% и 1% обеспеченности, с учётом регулирования Аргазинским водохранилищем, равен соответственно  613  и  424 м3/с, соответствующие расходы дождевых паводков  442  и 274 м3 /с.

 

Рисунок 31 – Кривая продолжительности месячных уровней НПУ Шершневского водохранилища.

 

Минимальный уровень в верхнем бьефе при НПУ равен 223,2 м, максимальный – 225 м.

Минимальный уровень воды  в нижнем бьефе  - 212,25 м, максимальный - 216,35 м.

Таблица 27. – Основные водохозяйственные показатели Шершневского водохранилища [15].

Показатели	Единица измерения	Количество
1.Абсолютные отметки уровней  воды,	м
нормальный подпорный уровень (НПУ)		225,0
форсированный подпорный уровень (ФПУ)		225,85
уровень мёртвого объёма  (УМО)		216,50
2.Длина при НПУ	км	17,5
3.Ширина	км
Максимальная		4,0
средняя при НПУ		1,6
4.Глубина	м
Максимальная		14,0
средняя при НПУ		4,5
5. Площадь мелководий с глубиной до 2,0м при  НПУ	км2	9,0
6. Объем	млн.м3
полный		176,0
Полезный		170,0
Мертвый		6,0
7. Площадь водного зеркала,	км2
при НПУ		39,1
при УМО		3,8
8. Протяжённость береговой линии  при НПУ	км	85,0

 

Таблица 28 –Кривые объемов и площадей Шершневского водохранилища

Отметка, м	Площадь водохранилища, млн. м2	Объем водохранилища, млн. м3	Средняя глубина, м
213,0	0	0	0
214,0	0,546	0,273	0,5
215,0	1,630	1,316	0,81
216,0	3,090	3,676	1,19
216,5	3,800	6,0	1,57
217,0	5,100	7,771	1,52
218,0	8,580	14,581	1,72
219,0	13,080	25,381	1,95
Продолжение таблицы 28
Отметка, м	Площадь водохранилища, млн. м2	Объем водохранилища, млн. м3	Средняя глубина, м
220,0	16,600	40,221	2,42
221,0	20,750	58,896	2,84
222,0	25,400	81,971	3,22
223,0	28,400	108,871	3,80
224,0	33,300	139,721	4,20
225,0	39,100	175,921	4,50

 

 

Рисунок 32 – Кривые объемов и площадей Шершневского водохранилищ

 

7.1.6 Водноэнергетические расчеты

 

Основными энергетическими параметрами малых ГЭС являются установленная мощность и число гидроагрегатов, годовая выработка электроэнергии, расчётный напор, расчётный расход.

В общем случае установленная мощность малой ГЭС выбирается на основании энергоэкономических расчётов, также обосновывается размещение на ГЭС резервной и дублирующей мощностей, осуществляется выбор числа гидроагрегатов при различных режима работы ГЭС и т.д.

Установленная мощность ГЭС определяется с учётом гарантированной (обеспеченной) мощности Nгар, резервной мощности Nрез, и дублирующей (сезонной) мощности Nсез. При выборе установленной мощности малой ГЭС и выработки электроэнергии влияют характеристика энергосистемы, в составе которой может работать рассматриваемая ГЭС (уровни и режимы электрических нагрузок, функции, возлагаемые на неё в энергосистеме, удалённость её от центров нагрузок и др.) и регулирование стока.

Поэтому определение основных параметров малых ГЭС имеет свои особенности при проектировании ГЭС в районах централизованного энергоснабжения или изолированных от энергосистемы.

Как известно, экономически наивыгоднейшее распределение нагрузки между электрическими станциями, работающих в составе энергосистемы, соответствует условию равенства их относительных приростов с учётом потерь в сетях. Задача распределения нагрузки между электростанциями системы решается с точностью 2-5% (в определении перспективных графиков электрических нагрузок), а удельный вес малых ГЭС (даже мощностью 30 тыс.кВт) соответствует в энергосистеме менее 2%. В связи с этим изменения мощности малых ГЭС практически не сказывается на экономичности работы.

Эти факторы снижают требования энергосистемы к режиму работы малых ГЭС. Исходя из этого, при рассмотрении малых ГЭС в зонах энергосистем, режим её работ выбирается из условия получения на малой ГЭС наибольшей (с учётом эффективности) выработки электроэнергии.

На малых ГЭС, имеющих водохранилища с длительным циклом регулирования (сезонным, многолетним), увеличение выработки электроэнергии может быть достигнута за счёт более полного использования стока реки путём выбора оптимального режима сработки и наполнения водохранилищ. На малых ГЭС с водохранилищами с коротким циклом (суточным) регулирования увеличение выработки возможно за счёт повышения среднесуточного напора ГЭС. Суточное регулирование накладывает определённые ограничения на режим работы малой ГЭС, приводящие к уменьшению суточной выработки электроэнергии за счёт сработки верхнего бьефа и изменение уровня в нижнем бьефе. Следовательно, для малых ГЭС с водохранилищем с коротким циклом регулирования максимальная выработка электроэнергии будет при отсутствии регулирования, т.е. при работе на бытовом стоке с поддерживанием максимального уровня в верхнем бьефе.

Сооружение гидроузлов только энергетического назначения в зонах централизованного энергоснабжения сопряжено со значительным экономическими затратами, в то время, как показали исследования и как отмечалось ранее, основным направлением развития малой гидроэнергетики на ближайшую перспективу, является освоение створов с готовым напорным фронтом как эксплуатируемых водохранилищ неэнергетического назначения, так и вновь создаваемых комплексных гидроузлов с подчинённым значением энергетики.

Режим работы таких малых ГЭС подчинён требованиям основного водопользователя. Установленную мощность для них принимают по гарантированной с обоснованием целесообразной устанавливаемой дублирующей мощности для получения сезонной выработки электроэнергии. В этом случае установленная мощность малой ГЭС складывается из обеспеченной (гарантированной) и дублирующей (сезонной):

 

NУСТ = NГАР + NСЕЗ кВт.                                            (7.9)

 

Для определения основных параметров малой ГЭС, пристраиваемых к водохозяйственным объектам, необходимых к водохозяйственным объектам, необходимы следующие основные исходные данные: многолетний ряд наблюдений за стоком в нижний бьеф или внутригодовое распределение попусков в расчётном маловодном году и году 50% обеспеченности; уровенный режим водохранилища; кривая связи расходов и уровней в нижнем бьефе Q = f(Z).

Основные параметры малых ГЭС определяются исходя из использования на ГЭС попусков в нижний бьеф и установки на ГЭС унифицированного оборудования. Напор ГЭС НГЭС, м, в каждый момент времени определяют как разность уровней верхнего (УВБ) и нижнего (УНБ) бьефов за вычетом потерь напора в проточном тракте Δh:

 

НГЭС = УВБ – УНБ - Δh м.                                          (7.10)

 

Уровни воды в верхнем бьефе в каждый момент времени определяются по графику изменения уровней в водохранилище, уровни воды в нижнем бьефе - расходами воды, поступающими в нижний бьеф (независимо от того, идут ли они через турбины ГЭС, через водосброс или другие сооружения).

За расчётный напор ГЭС НР, м, принимается средневзвешенный напор за многолетний ряд наблюдений.

Мощность ГЭС, кВт, определяется по формуле:

 

Ni = 9,81Qi · Hi · ηг,                                                     (7.11)

 

где Нi - напор, м;

Qi - расход ГЭС, м3/с;

ηг - среднеэксплуатационный КПД гидроагрегата, для малых ГЭС    (9,81ηг) принимается равным 8.

В качестве гарантированной принимается мощность, соответствующая 50% обеспеченности в маловодном году и принимают её в качестве предварительного значения установленной мощности.

Среднегодовую выработку электроэнергии ЭСР.ГОД, наиболее точно подсчитывают как среднемноголетнюю за длительный ряд наблюдений за попусками в нижний бьеф:

 

ЭСР.ГОД = Niti  кВт·ч,                                                  (7.12)

 

где Ni – установленная мощность ГЭС, кВт;

       ti – число использования ГЭС в году (6000 – 8000 часов), час.