для гидроэнергетических расчетов




 

Изучением водоемов земной поверхности занимается наука, называемая гидрологией суши. Сюда составной частью входят гидрология рек, задачей которой является изучение режима рек.

Гидрологической основой гидроэнергетики так же, как и всех водохозяйственных и гидроэнергетических расчетов, являются, прежде всего, денные о режиме стока, определяемом соответствующими характеристиками. Ниже рассмотрены основные характеристики параметров и режима поверхностных водотоков.

Часть осадков, выпавших на сушу, испаряется, часть стекает в пониженные места в виде ручьев и рек (поверхностный сток) или в виде подземного (грунтового) стока. Площадь, с которой осуществляется сток в данную реку, называется водосборным бассейном этой реки. Линия, отделяющая один бассейн от другого, называется водоразделом.

Сток реки – объем воды, протекающей через данное сечение реки (гидрометрический створ) за определенный промежуток времени (сутки, месяц, сезон, год). Сток изучается путем систематических изменений уровней и расходов (Q, м3/с) в постоянных створах реки:

(1.1)

где ν – средняя скорость потока, измеренная в изучаемом створе, м/с;

ω – площадь поперечного сечения створа, м2.

Вычисленные расходы воды публикуются в ежегодных изданиях (водные кадастры) служб, занятых изучением водных ресурсов.

Кроме непосредственно измеренных расходов воды реки, в водных кадастрах помещаются следующие вычисленные характеристики стока:

Среднегодовой расход воды Qср.г.

, (1.2)

где – сумма среднесуточных расходов воды за год;

T - число суток в году (T = 365 или 366);

Годовой сток V

V = Qср.г ·31,54·106, м3, (1.3)

где 31,54·106 – число (среднее) секунд в году.

Средний многолетний объем годового стока V0

, (1.4)

где V1, V2…Vn – объемы стока за отдельные годы; n – число лет периода.

Средний многолетний расход воды Q0:

. (1.5)

Модуль среднегодового стока M0:

(1.6)

где F – площадь водосбора бассейна реки для рассматриваемого створа, км2;

Модульный коэффициент годового стока ki

(1.7)

где I – порядковый номер.

При большой длительности ряда величины Q0, V0 и M0 принимаются за норму стока. Практически за норму стока принимается среднее значение, полученное по ряду 40…60 лет, если в этот ряд входят не менее двух циклов колебаний водности реки при неизменных географических условиях и одинаковом уровне хозяйственной деятельности в бассейне реки. При отсутствии непосредственных измерений характеристик стока нормы определяются по картам изоляций модуля стока, составленных для территории всей страны и помещенных в соответствующих справочниках «Ресурсы поверхностных вод России». Процесс формирования речного стока представляет собой весьма сложное многофакторное природное явление. Это такие факторы, как осадки, интенсивность снеготаяния и дождей, влажность и промерзание почвогрунтов, испарение и др. В том случае, если событие или явление возникает под действием суммы или произведения большого числа независимых или слабозависимых случайных факторов, то согласно центральной предельной теореме теории вероятностей это событие или процесс является случайным и подчиняется определенному статическому закону. Поэтому для изучения гидрологических характеристик применимы методы математической статистики. Общей задачей гидрологических расчетов при проектировании гидроэнергетических объектов является не только определение нормы стока, но и его возможных колебаний на период эксплуатации установки.

Изменчивость годового стока характеризуется коэффициентом вариации Cν, который представляет собой нормированное среднеквадратичное отклонение (σ/M0) годового стока и служит мерой оценки колебания годового стока относительно его нормы:

(1.8)

Чем больше колебания стока из года в год, тем больше величина Cν. Для европейской части территории России величина Cν находится в пределах 0,2…0,25. Для определения закона распределения годового стока и расчета вероятности появления той или иной величины стоковой характеристики необходимо определение третьего параметра распределения – коэффициента асимметрии CS, который характеризует несимметричность ряда исследуемых величин стока относительно их нормы или центра распределения. Как и Cν, значения CS выражают в относительных единицах, что позволяет сравнивать степень несимметричности рядов отдельных рек:

(1.9)

Вычисление сколько-нибудь надежной величины CS для годового стока требует натурных данных о стоке более чем за 60 лет, что не всегда имеется. Поэтому часто принимают величину CS = 2· Cν. Однако для рек засушливых областей CS =(1…1,5)· Cν, а для рек, вытекающих из озер, обычно CS > 2· Cν.

По трем параметрам (M0, Cν, CS) подбирается теоретическая кривая распределения, которая выражается в интегральном виде – в форме кривой обеспеченности. Кривая обеспеченности отвечает на вопрос, какова вероятность превышения, или обеспеченности, того или иного значения исследуемой характеристики стока от общего числа случаев. По кривой обеспеченности определяется расчетный (заданной обеспеченности) расход воды для определения установленной мощности гидроэлектростанции.

1.2. Гидроэнергетический потенциал малых рек

При изучении гидроэнергетики рек выделяют следующие категории энергопотенциала:

· валовой теоретическийгидроэнергетический потенциал, или потенциальные гидроэнергетические ресурсы;

· техническийгидроэнергетический потенциал, или технически возможные киспользованию гидроэнергетические ресурсы, – это та часть валового теоретического гидроэнергетического потенциала речного стока, которая технически может быть использована или уже используется;

· экономическийгидроэнергетический потенциал – часть технического гидроэнергетического потенциала, использование которого является экономически эффективным.

Для определения количества водной энергии реки используется метод «линейного учета». При применении этого метода каждую реку делят на ряд участков без притоков. Границы расчетных участков устанавливаются в точках перелома продольного профиля реки или в местах резкого нарастания приточности реки, т.е. у устья притока.

Численное значение работы, совершаемой потоком на каждом участке, можно определить следующим образом.

Пусть имеется некоторый участок реки АВдлиной L (рис. 1.1) с постоянными уклоном sinα площадью поперечного сечения ω средней скоростью ν. За некоторый промежуток времени t объем воды на участке переместится в направлении движения на расстояние L=vt,а точка приложения силы тяжести этого объема F = mg =vLpg сместится в вертикальном направлении на высоту Lsin a = vsinat.

 

Рисунок 1.1 – К расчету мощности водного потока на участке реки

Работа, совершаемая силой тяжести на участке L за время t определяется по выражению

A = ωLν·sinαt, (1.10)

мощность

P = A/t = ρgωνL·sinα. (1.11)

В выражении (1.11) произведение wv=Q и является средним расходом воды в реке на участке АВ, а произведение L·sin а = Н – падением реки на этом же участке. Принимая ρ = 1000 кг/м3, g = 9.81 м/с и выражая Q в м3/с, Н – вметрах, получаем мощность Р в кВт:

P = 9,81QH. (1.12)

Средний расход воды в реке на рассматриваемом участке находится как средний из расхода в начальном и конечном створах участка.

Если имеются продольный профиль всей реки и данные по ее стоку, то потенциальную мощность от истока до устья (расчетного створа) можно определить по формуле:

(1.13)

где Qi – средний многолетний расход воды на отдельных участках (норма стока), м3/с; Н – падение реки на участке; п –число участков.

Потенциальные запасы гидроэнергетических ресурсов реки в кВт·ч определяют, исходя из 8760 часов использования потенциальной мощности, по формуле

(1.14)

Для сравнения по мощности бассейнов рек различных физико-географических зон рассчитывается удельная насыщенностьгидроэнергоресурсами, т.е. удельная мощность (кВт/км2) или удельная энергия (кВт·ч/км2) на единицу площади водосбора.

Технический потенциал является величиной переменной, растущей по мере развития технических возможностей использования гидроэнергоресурсов. Однако в гидроэнергетике существенные изменения способов производства электроэнергии на ГЭС наблюдаются крайне редко, поэтому оценки технического потенциала достаточно устойчивы во времени.

Размер технического потенциала зависит от величин потерь, часть которых неизбежна и более или менее постоянна, другая (основная) часть зависит от гидрологических, топографических и других природных условий, которые формируют сток. Эта часть потерь непостоянна, и её величина может колебаться в широких пределах.

Пределы колебаний размеров постоянных потерь невелики, и средняя их величина может отражать порядок величин, присущий всем гидроэлектростанциям. Величина их складывается из потерь напора в подводящих каналах, в напорных трубопроводах и т.п. (2...10 %); из потерь стока через направляющие аппараты, затворы водоподпорных сооружений (1 %); из механических потерь при превращении гидравлической энергии в электрическую (11...13 %). Поэтому верхний предел использования валового гидроэнергетического потенциала не может превышать 86 %.

Потери, зависящие от природных условий, свои на каждой реке. Они складываются из потерь стока и падения реки из-за неполного использования верховых и низовых участков рек, потерь на фильтрацию и испарение и т.п. В работе под руководством А.Н.Вознесенского выделены группы рек, имеющие различный процент использования валового потенциала. Анализ проводился по изученным рекам и существующим проектам. Исследования показали, что этот процент зависит не только от крупности реки, но и от полноты использования длины реки, её водности, естественной зарегулированности (Cv),внутригодовой неравномерности, рельефа долины, наличия крупных потребителей воды (орошение) и др.

Все реки разделены на четыре группы. Первые две группы рек - это крупные реки с потенциальной энергией выше 1000 млн.кВт·ч.

Третья группа – это средние водотоки с потенциальной энергией от 15 до 1000млн. кВт·ч, используемой на 40...50 %.

Четвертая группа – малые водотоки с потенциальной энергией менее 15 млн. кВт·ч. Вследствие незначительной величины стока большая часть рек группы либо перемерзает в зимний период, либо пересыхает летом. Энергетическое использование малых рек возможно не круглый год. Энергия этих рек используется на 15...20 %.

Установить общий экономический потенциал гидроэнергетики малых рек в настоящее время очень сложно, поскольку нет совершенной методики поиска экономичных технических решений по малым ГЭС. Все существующие методики оценок опираются на уже проработанные проекты малых ГЭС.

1.3. Гидроэнергетические ресурсы водохранилищ



Поделиться:




Поиск по сайту

©2015-2024 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2016-02-16 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных


Поиск по сайту: