4.4. Многолетнее регулирование ГЭС - оптимизация режимов
На примере Токтогульской ГЭС показаны возможности оптимизации режимов работы гидроузлов многолетнего регулирования с использованием имитационно-оптимизационной математической модели.
Автор курса: Георгий Николаевич Петров
Полезный объем Токтогульского водохранилища 19,5 куб.км при среднегодовом стоке 11,4 куб.км. В этих условиях наиболее интересным вопросом становится исследование возможностей не сезонной, а многолетней оптимизации работы ГЭС – максимизации выработки электроэнергии при одновременном ее выравнивании по годам. Такая модель рассмотрена в настоящей презентации.
В качестве переменных в оптимизационной модели Токтогульской ГЭС принимаются годовые попуски воды из водохранилища, в предположении, что вся она пропускается через турбины гидроэлектростанции.
Потери напора, как функция пропускаемого через турбины расхода, зависимость самой величины удельного расхода от напора нетто, зависимость максимально допустимого расхода через ГЭС (по условию пропускной способности и по условию кавитации) от напора нетто, определяются экспериментальным путем,
Объем воды в водохранилище в любом году определяется по балансовому уравнению.
В качестве ограничений в модели приняты условия:
1. Объем водохранилища не может быть меньше минимального и больше максимального:
2. Попуски воды из водохранилища не могут быть меньше нуля:
Расходы воды из водохранилища не могут быть больше максимально допустимых:
3. Начальное состояние водохранилища должно быть восстановлено к концу рассматриваемого периода:
В качестве критерия оптимизации в ней принята максимизация выработки электроэнергии за весь рассматриваемый период.
Без каких-либо ограничений этот критерий обеспечивает такой режим работы Токтогульской ГЭС, когда водохранилище сначала наполняется до максимально возможного объема, а затем ГЭС работает на транзитном стоке при максимальном напоре. В этих условиях обеспечивается максимально возможная суммарная выработка электроэнергии, но достигается такая максимизация за счет того, что годовая выработка электроэнергии для разных лет очень сильно отличается друг от друга - почти в 2 раза.
Для того, чтобы работа Токтогульской ГЭС в многолетнем периоде стала действительно оптимальной, необходимо дополнительно обеспечить стабильное и постоянное по годам энергоснабжение потребителей.
Модель показывает возможность такого режима работы. Можно отметить, что в варианте 100-%-го выравнивания выработки электроэнергии за весь рассматриваемый период водохранилище должно было бы наполниться полностью только один раз за весь период, и в нем все время имелся бы запас воды на случай чрезвычайных ситуаций.
К сожалению, именно этот запас является одной из причин неэффективной эксплуатации Токтогульской ГЭС. Все последнее время – как только ближе к концу года выясняется его наличие, тут же в СМИ возбуждается общественное мнение и энергетики вынуждаются к его сработке для получения дополнительной электроэнергии «на благо народа». В результате, Токтогульская ГЭС постоянно работает в сезонном режиме, а не оптимальном для нее многолетнем.
При очень большой неравномерности выработки электроэнергии Токтогульская при таком режиме создает также серьезные проблемы с водообеспечением ирригационного сектора Узбекистана и Казахстана, не получая для себя каких-либо выгод. Даже, наоборот, при сработке водохранилища удельная выработка электростанции (в расчете на единицу объема воды), существенно снижается.
Водность р. Нарын изучалась, начиная с 1910 года, поэтому представляет интерес вопрос, как бы могла работать Токтогульская ГЭС, если бы она также существовала с этого времени. Такие расчеты, выполненные с использованием математической модели, показывают наличие двух, существенно различных периодов – 1910÷1990 гг. и 1991÷2011 гг. В обоих этих случаях возможна оптимизация режимов работы ГЭС, обеспечивающая устойчивую и равномерную по годам выработку электроэнергии, но с разными абсолютными значениями.
Задания для самоконтроля
1. За счет чего производится выравнивание выработки электроэнергии на ГЭС?
2. Что такое компенсация при оказании услуг по регулированию водного стока?
3. От чего зависит удельный расход воды на выработку электроэнергии на ГЭС?
4. Что такое напор нетто и напор брутто?
Дополнительное задание
Как гидроэнергетика может смягчить негативные последствия глобального изменения климата?