автореферат диссертации по энергетике, 05.14.10, диссертация на тему:Обеспечение экологической безопасности при управлении водно-энергетическими режимами каскадов ГЭС в составе ЭВХК

V г

г

о Ой 7 Я97

На правах рукописи

САЙ ОЛЬГА АНАТОЛЬЕВНА

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ УПРАВЛЕНИИ ВОДНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМИ РЕЖИМАМИ КАСКАДОВ ГЭС В СОСТАВЕ ЭВХК

Специальность 05.14.10 - Гидроэлектростанции и гидроэнергетические

установки

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1997 г.

Работа выполнена на кафедре инженерной мелиорации, гидрологии и охраны окружающей среды Санкт-Петербургского государственного технического университета.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Н.В.Арефьев

Оффициальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор В.В.Елистратов, кандидат технических наук В.Г.Еловенко

Ведущая организация: АО «Ленгидропроект»

Защита состоите» кЗ 1997г. в /6 часов на заседании

специализированного Совета Д.063.38.09 при Санкт-Петербургском государственном техническом университете.

Адрес: 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 3?, пристройка к гнлр^корпус), ауд.411.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке университета.

А в Iорсферат разослан аи/Мср 1997г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандлехн.наук, профессор

В.Т.Орлов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

'Актуальность работы обусловлена повышением требований, к экологической безопасности при управлении режимами работы каскадов ГЭС.

Цель работы заключалась в разработке и реализации новой- методики управления водно-энергетическими режимами (ВЭР) каскадов ГЭС с позиций обеспечения экологической безопасности природно-технической системы (ПТС), сформированной на базе каскада ГЭС. В этом напраиленни были поставлены следующие задачи:

- анализ факторов антропогенного воздействия на ПТС в период эксплуатации энерго-врдохозяйственных комплексов (ЭВХК);

- проведение классификации эксплуатационных ситуаций в природно-технической системе, возникшей на базе каскада ГЭС;

- разработка методики упразления режимами работы каскада ГЭС с учетом ситуации в экосистеме, ориентированной на использование в автоматизированных системах управления в условиях функционирования гидроэкомониторинга;

- разработка математических моделей объектов в природно-технической системе;

- апробация методики на примере каскада ГЭС и ГЭК, функционирующих в составе энерго-водохозяйственных комплексов (ЭВХК) Карелии и Узбекистана.

Научная новизна.

Впервые проведена классификация факторов антропогенного воздействия и эксплуатационных ситуаций в ПТС с позиций задач управления ВЭР.

Разработана методика выбора режимов работы каскадов ГЭС при. обеспечении экологической безопасности ПТС.

Разработаны математические модели качества воды водных объектов, ориентированные на использование в АСУ ТП комплексных гидроузлов (КГУ) в условиях функционирования системы гидроэкомониторига.

Практическая ценность и > внедрение. Предложенная методика управления водно-энергетическими режимами работы каскадов ГЭС, обеспечивающая экологическую безопасность природно-технической системы предназначена ках для проектных организаций при планировании режимов работы проектируемых каскадов

ГЭС, так и для эксплуатационного персонала ГЭС при обосновании текущих и планируемых режимов работы гидроузлов. Разработанные' численные модели ориентированны для использования в АСУ ТП КГУ.

Результаты работы внедрены в учебный процесс при подготовке студентов гидротехнического факультета СПбГТУ. Отдельные положения и результаты исследований использовались Ташкентским Государственным Техническим Университетом при разработке имитационной модели водноэнергетических режимов работы гидроэнергетических установок в составе. Туямуюнского гидроузла, что подтверждается справкой о внедрении.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы доложены и одобрены на международной научно-технической конференции »Нетрадиционные источники энергии» (Санкт-Петербург, 1994); на международном научно-техническом форуме «Экобалтика XXI век» (Санкт-ПетербургЛ996); на научно-технической конференции студентов «Двадцать пятая юбилейная неделя науки СПбГТУ» (Санкт-Петербург,1996) и на постоянно действующих семинарах кафедр «ВИЭГ» и «ИМГ и ООС». Работа отмечена персональным грантом на конкурсе для молодых ученых, проведенного Правительством Санкт-Петербурга в 1996 году.

о

Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 печатных работы и I отчет о ( научно исследовательской работе.

ОГн,ем_раоо[ы _Д|1Ссергаиио!1ная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка л m ера туры из IJ2 наименований. Работа изложена на 119 арашшах машинописною текста, содержит 19 рисунков и 4 таблицы.

еодаржАнии работы

И черной главе рассмотрена иерархическая структура управления каскадом I'JC: пространственная, временная, ситуативная. Пространственная иерархия - yiipawiL'HH* соответствует арунуре.'нергохозяйова страны. Временная иерархия h M.Kioxiuce время iipt\aeiaB.iamc* четырьмя основными уровнями: перспективное панирование (Î ЛО .ici ); лолюерочнче планирование (loa - Kuapuui); краткосрочное il иимрон.иш..' (мссяи-иеделх-су|ки); оперативное управление в реальном usine

k['..чеки, Ciüv.nn.iiijH иерархия иреюивлиет собой спсюму принятия решений а

• - * -

различных режимных ситуациях на конкретном временном уровне оперативного управлении.

Общая цель управления энергетической системой формулируется как сохранение ее в работоспособном состоянии, а внешней целью является обеспечение надежного и бесперебойного энергоснабжения. Предложено энергетическую систему рассматривать не изолировано, а как участника ПТС. Топп общую цель управления природно-технической системой можно сформулировать как обеспечение экологической безопасности при достижении заданного уровня эффективности работы инженерных объектов, Внешней целью при этом является бесперебойное, надежное, безопасное функционирование всех участников ПТС,

Рассмотрены современные методы обоснования водно-энергетических режимов каскадов ГЭС, дается обзор литературы, определяются основные понятия,

Большой вклад в вопросы обоснования режимов работы каскадов ГЭС внесли: Арефьев Н.В., Айвазьян В.Г., Беляев Л.С., Бесчинский A.A., Болотов В.В., Васильев Ю.С., Виссарионов В.И., Горнштейн В.М„ Губии Ф.Ф., Егиазаров И.В., Елистратов В.В., Еловенко В.Г., Долгов П.П., Дружинин И,П., Журавлев В.П„ Зарубаея Л,В., Золотарев Т.Л., Карелин В.Я., Картвелишвили H.A., Крицкнй С.И., Макаров A.A., Малншгн Н.К., Мелентьев Л.А., Морозов A.A., Мостков М.Л,, Никитин Б.И., Новожилов В.В., Резниковский A.M., Сванидзе Г.Г., Соколов Б.А., Сыров Ю.П., Тананаев A.B., Тягунов М.Г., Фельдман М.П., Федоров М.П., Филиппова Т,Л., Хрисаиов Н.И., Цветков Е.В., Чокин М.Ч., Шарыгин B.C., Щавелев Д.С., Эрлихман Б.Л. и др.

Антропогенная деятельность, связанная с эксплуатацией гидроэнергетических объектов (ГЭО), оказывает многофакторное воздействие im окружающую среду. Факторы антропогенного воздействия в период эксплуатации ЭВХК можно условно разделить на 2 группы: эволюционные (долговременные и малоизмеияющиес* воздействия) и революционные (разовые, высокой интенсивности). Эволюционными факторами при эксплуатации ГЭО являются: • изменение гидрологического режима поверхностных и грунтовых под, (колебания уровня воды, изменение распределения скоростей течения, заиление водохранилищ, размывы русла в нижнем бьефе и др.);

- S-

- изменение качества воды, ее гидрохимических, гидрологических и др. показателей (повышение уровня минерализации, увеличение концентрации' взвешенных веществ, снижение содержания кислорода, эвтрофирование водоема,

повышение химической окисляемостн и др.);

» '

изменение климата (повышение влажности воздуха, изменение ледотермического и температурного режимов и др.);

- изменение флоры и фауны (смена видового состава, изменение биоценозов и

др.).

К революционным относят те факторы, воздействие которых имеет разовый характер, но последствия которых приводят к недопустимому сдвигу параметров так, что может произойти гибель экосистемы. Как правило, воздействие революционных факторов обусловлено другими участниками ЭВХК.

Предложена классификация эксплуатационных ситуаций с позиций

I

экологической безопасности. Различают три основных состояния системы:

1) кв&зиустановившаяся или медленноизменяющаяся ситуация, когда нагрузка на окружающую среду не превышает ее восстановительного потенциала;

2) предаварийная ситуация, когда нагрузка приводит к исчерпанию потенциала системы, но существует возможность восстановления потенциала за счет компенсационных мероприятий;

3) аварийная ситуация, нагрузка превышает потенциал, экосистема дирглнрует.

В работе рассмотрены существующие подходы к оценке качества природных ш>г I) последнее время все чаще ставится вопрос оценки водных объектов с позиций и\ й.ис о1|о.1> чия ка* жосистем. Трудности, возникающие при попытках решения эгой проблемы связаны с ограниченноегью наших знаний о функционировании экосистем и их реакциях на воздействия антропогенного и естественного характера.

г

Во второй 1лаве ставя 1ся задачи управления режимами работы каскадов ГЭС с чпищий экологической безопасности. Рассмотрены мезоды оценки состояния чр.фозной с;хлы применительно к задачам управления режимами работы гидроузлов. I! иечих с.х'сцочеж'я >ко.'шгическы1 беюпасносги необходимо о1слсжнвать-I. iub.nt.Mo качеаво природных вод учитывая его при управлении режимами р.и'/шы 'ри Г К*.

Необходимость учета многочисленных требований со. стороны неэнергетических водопользователей ЭВХК и природной подсистемы значительно усложняет задачу выбора режимов работы . каскада ГЭС. Оптимальный закон управления функционированием ЭВХК основан на системе критериев, отражающих цели отдельных участников комплекса. В общую постановку задачи со стороны энергетики входят критерии и ограничения:

1) критерий экономии топлива на тепловых н атомных энергетических установках ( в случае наличия ГЭС и АЭС): с к

В = £ 2 Bt,Nt,T,,\t, -» min ; (1)

/.I г-1

где В„, N„ Т„ - соответственно расход топлива, мощность и температура воды, поступающей в систему охлаждения /(-й энергетической установки в интервале времени Л/, ; Т„ - продолжительность периода управления; G - число ТЭС, АЭС в ЭВХК; .

2) критерий максимума выработки пиковой энергии на ГЭС, ГАЭС:

Э = ¿ ¿9,81ij„ Н„ Vt¡ гаах ; . (2)

1-1 г-1

здесь 7„, Н„, N,,, V,, - соответственно КПД, напор, мощность и пропущенный объем воды агрегатов i-й ГЭС в интервале времени Д t,; а - общее число ГАЭС, ГЭС в ЭВХК; ' *■

3) критерий обеспечения минимума потерь потенциальной энергии потока при совместном участии ГЭС каскада в покрытии графика нагрузки энергосистемы:

' /•! г-1 -

4) ограничение по заданной суммарной мощности ТЭС и АЭС:

¿ С„(Г„)- Я,:, ; (4)

i-i

где Р°х - суммарная мощность ТЭС и АЭС в энергосистеме.

5) ограничения по заданной суммарной мощности пиковых энергоустановок (ГЭС, ГАЭС) в турбинном и насосном режимах:

±KZN¡X , ±N»¿N"х (5)

<-i I-I ■

6) ограничения по максимальной пропускной способности агрегатов ГЭС и максимально выдаваемой мощности:

О, ГЭС, ■ "„эс, . (6)

Со стороны участников «Водоснабжение» и «Ирригация»:

1) критерий обеспечения требуемых объемов воды в течении периода управления в соответствии с графиком запроса:

\Ур-К,|-»тт ; . (7)

где V , У1 - соответственно реально запрашиваемый и реально выделяемый

обьемы воды для коммунального и промышленного водоснабжения, ирригации;

2) ограничения по минимальным уровням воды у водозаборов:

г1 где 2(> - текущее и минимально допустимое значение уровней

воды у водозабора).

Учасшик «Природная среда»:

Обобщенным показателем состояния экосистемы предлагается использовать пила )а 1 ель Шеннона. Тогда критерием экологической безопасности выступает требование не убывания видового разнообразия экосистем водосбора: ^ ■

сМ Л -

-, —»0 ; о(8)

Л

V- . „

где К- и — >0 ;

Л

1ЛСС1. р,- ь»ро» гноен. какого-либо (¡-ю) признака (состояния) элементов ич N шк^пжмых признаков (состояний), т.о. 1-1,2,и р, = $,/5- выражает меру р;.си|н.01ра«|сння зкьснстем в пределах р;ссмагри>.аемого водосбора, где ¿',- площадь, С пр^ алах вод»с»ора; Л-общая нлощ.'дь. •

К четных случаях задач управления используются также: I) критерий поддержания |емпературы в заданной у-й зоне водной системы в « и. <*>11М1Ы\ пределах (в случае наличия ТК1, АЭС):

1 ]Г(-Т(>- > 1;Гщ ; (9)

I ■! )""" - щииматьн! с (ни' ет.е (емисразуры/-(1 зоны;

Л -

2) критерий поддержали* обобщенного показателя концентрации контролируемых веществ в заданной /-Й зоне водной системы в оптимальных пределах:

|Сг/-С,7|->ш1п ; " . (10)

где С,,, С""- соответственно фактическое и нормативное значения концентрации веществ;

3) ограниченна по допустимым температурам и концентрациям веществ:

Т^Т?, С,;С . (И)

Так как в каждом отдельном случае имеется свой набор отраслей, участники» ЭВХК, то постановка задачи для каждрго конкретного случая будет строиться на основе указанной выше системы критериев и ограничений. Для решения задачи предложен алгоритм на основе системы критериев н ограничений с переменной струюурой и использованием весовых коэффициентов, ориентированный на поиск оптимального решения ЛП, • методом.

На основе классификации, изложенной в гл.1, разработана методика по изменению структуры критериев и ограничений. В зависимости от характеристики региона рекомендуется осуществлять выбор режимов работы ЭВХК следующим образом:

- в густонаселенных районах, с большим дефицитом воды, с напряженной экологической обстановкой следует вести ■ управление водно-энергетическими режимами (ВЭР) с постулатом: природная среда - приоритетный участник ЭВХК. Экологические критерии должны быть жестко соблюдены, иначе экосистема деградирует и гибнет;

- в районах с небольшой антропогенной нагрузкой необходимо выявить основные отрицательные показатели, которые не позволяют системе прийти к состоянию равновесия. Нет необходимости жесткого соблюдения экологических критериев, но значимость их довольно высока;

- в малонаселенных районах с малой антропогенной нагрузкой, где не происходит деградация экосистемы, достаточно соблюдать ограничения,, по установленным показателям.- 9 -

В зависимости от ситуации в экосистеме предложен следующий алгоритм выбора приоритетного критерия:

- в случае "квазиустановившейся" ситуации приоритетной отраслью является энергетика, определяемая критериями (1НЗ),. а требование экологической безопасности можно задать в виде ограничения (11); ■

- в случае "предаварийной" ситуации требование экологической безопасности встает на первый план, и в зависимости от предполагаемого ущерба отдается большее предпочтение экологическим (9)-(10) или энергетическим (1)-(3) критериям. Они входят в систему с примерно равным значением;

- в случае "аварийной" ситуации приоритетным является сохранение устойчивости природной среды. Тогда управление режимами работы ГЭО будет производиться исходя из требования недопущения экологической катастрофы, т.е. определяющими будут критерии (9)-(Ю), а энергетический участок ЭВХК задается в виде ограничения (4)-(6). - •

Таким образом использование перестройки системы управления, в зависимости ог эксплуатационной ситуации, позволит осуществить требование экологической безопасности. Предложенный алгоритм включен в математическое обеспечение УВЭР АСУ ТП ГЭС.

о

В главе 2 подробно изложено решение общей задачи выбора режимов каскада ГЭС на о нове теории принятия решений.

В третьей главе рассмотрены математические модели для работы подсистем АСУ ТП каскада ГЭС. Показана структурная и функциональная схемы АСУ ТП при организации подсистемы «Экология», которая обуславливает расширение задач в целях обеспечении экологической безопасности. Ее основные функции:

1) контроль качества воды в водной системе энерго-водохозяйственного комплекса на базе АСУ каскада и системы гидроэкомонкторйнга;

2) выработка рекомендаций по корректировке управления водно-.'исргс нческнч режимов с целью выполнения природоохранных требований.

Задачи, которые ькодят в АСУ • ГЭС условно классифицированы но ■ !'|мктёрнмм Iр>паг.ч: «Вона» - группа дагч рационального использования водных р.. /ре :>!.' ■ )нер1ня» - задачи рационального управления агрегатами; «Диагностика» -

Ю

Рис.2 Изменение концентрации 6ПК аа 1991-1994 гг.

0.03

• 0.025 ■

г> â 0.02 ■

i §

0.015 ■

I о 0.01 ■■

0.005 •

I I I s i I i S 1 £ I .S'l I i §

Рис.3 Изменение концентрации фенола за 1991-1994 гг.

-уг-

задачи оценки состояния агрегатов и сооружений; «Электричество» - задачи, относящиеся к электрической части ГЭС; «Экономика» - задачи технико-экономического планирования и хозяйственной деятельности; «Информация» - задачи получения, хранения, обработки и предоставления информации.

Для подсистемы «Экология» сбор информации предполагается осуществлять системой гидроэкомониторинга, разработанной в СПбГТУ.

На основании проведенного автором анализа применимости существующих моделей динамических процессов в водной системе ПТС для целей обеспечения экологической безопасности рекомендуется:

- для вновь проектируемых технических объектов применять классические математические модели на основе дифференциальных уравнений;

- при управлении режимами эксплуатируемых каскадов ГЭС использовать модели типа «черный ящик», основанные на экспериментальных данных и построенных на базе методов регрессионного агализа или метода группового учета аргументов (МГУА).

Автором, на основе МГУА, разработана модель формирования качества ьоды в нижнем бьефе ГЭС. Применительно к Туя-Муюнскому ГЭК (схему см.рис.1) данная модель описывает изменения концентраций БПК и фенола (см.рис.2,3). В четвертой главе приведены результаты исследования водно-энергетических режимов работы Кемского каскада и Туямуюнского ГЭК. Это два характерных гипа эксплуатационных ситуаций в ПТС; медпенноизменяюшаяся (Кемский каскад) и предаварнйная (Туямуюнский ГЭК).

На основе предложенной в работе методики проведены расчеты режимов работы ГЭС Кемского каскада (схему каскада см. рис.4), результаты приведены на рис.5. Приоритетным критерием при выборе ВЭР является критерий максимума выработки электроэнергии (2). Скорректированный оптимальный вариант 4 распределения нагрузки по ГЭС каскача харакгери»уегся увеличением суммарной выработки энергоустановок на 5,91$% по сравнению с принятым базисным вариантом. Увеличение выработки электрознериш больше, чем ниамо энергосистемой нсиможио ■за счет каскадного перерегулирования При лом происходит ми -n-in.il но* реагирование так, что обеепечиваеи я отсуга вне холосшч сбросов.

о 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 Т, ч

| IГЭС-5, опт ШВ ГЭС-4, опт

г'....."1 ГЭС-3,опт '

ВВИГЭС-2, опт : газя гэс-1, опт :

-ГЭС-5 •

--ГЭС-4

- - - ГЭС-3

— - ГЭС-2 | --ГЭС-1

Рис.5 Суточные графики нагрузки на ГЭС Кемского каскада.

160-1

140 -

120 -

100 -

со 80-

2

г" 60 -

40 -

20 -

0 -

т

Г: оптимальный

вариант инс-гаэсз

ннс-гаэс 1 ;

в нс-гаэс 2

ИТуямуюнская гэс

ш от ш

X о;

Ю ОТ а

ю ш ш ю Ю ю ю ю ю ю

СП О) го СП О) СП с» ОТ СП СП

о. о. >х I с ю га X £ О (X

(9 2 с: (0 га г 5 9 а 8 о X ф

Рис.6 Распределение мощностей Туямуюнского ГЭК.

Рис.7 Изменение концентрации БПК: фактическое и оптимальное.

Рис.8 Изменение концентрации фенола: фактическое и' оптимальное.

Приоритетными критериями при выборе. ВЭР Туямуюнского ГЭК являются поддержание концентрации контролируемых веществ в допустимых пределах (10), обеспечение потребностей в воде ирригации и коммунального водоснабжения (7) и обеспечение минимума потерь электроэнергии (3). Для прогнозирования изменения концентрации БПК и фенола при выборе, рациональных ВЭР использована разработанная модель формирования качества воды в нижнем бьефе Туя-Муюнской ГЭС, Результаты расчетов по данной системе критериев представлены на рис.6-8.

Как видно из результатов использование предложенного алгоритма выбора рациональных ВЭР позволило обеспечить соблюдение требований по предельно-допустимой концентрации БПК и уменьшить значение концентрации фенола, не. ухудшая характеристики эффективности энергетических режимов (в Частности, сохранение величены суммарной выработки электроэнергии объектами ГЭК).

Использование предложенной методики позволит более рационально удовлетворить требованиям энергетических и неэнергетических участников комплекса при обеспечении экологической безопасности, за счет оптимального управления водными ресурсами.

Основные результаты работы и выводы:

1. Проведена классификация факторов антропогенного воздействия и эксплуатационных ситуаций в природно-технической системе, сформированной на базе каскадов КГУ.

2. Сформулирована постановка задачи управления режимами работы каскада ГЭС в условиях функционирования ЭВХК, позволяющая учесть требование экологической безопасности, а также требования неэнергетическнх. учасгннков комплекса. '

, 3. Разработан алгоритм выбора приоритетных критериев и ограничений в зависимости ог ситуации в природно-технической системе.

4. В целях решети задачи обеспечения экологической безопасности предложено и обосновано расширение автомаги зировпнпой- системы управления технологическими процессами каскада ГЭС посредством создания подсистемы «Экология» мри организации сиоемы гилроэкомониторннга. Сформулированы основные задачи подсистемы.

- ¿г -

5. Для условий Узбекистана и Карелии согласованы базы данных системы гидроэкомониторинга с подсистемой УВЭР АСУТП. Результаты используются при обосновании режимов работы Туямуюнского ГЭК.

6. Разработана методика построения математической модели качества воды в бьефах КГУ. Методика реализована при обосновании режимов работы Туямуюнского ГЭК.

7. На примерах Кемского каскада и Туямуюнского ГЭК показана эффективность разработанной методики управления режимами работы ГЭС на основе гибкой структуры критериев и ограничений, учитывающих требования различных участников возникающего на базе ГЭО ЭВХК и при обеспечении экологической безопасности.

Задачи дальнейших исследований состоят в:

- развитии разработанной методикк для энергокомплексов, включающих традиционные энергоустановки (ГЭС, ТЭС, АЭС) и нетрадиционные энергетические объекты; ■

I

- дальнейшем развитии подходов к идентификации эксплуатационных ситуаций в природно-технической системе.

По теме диссертации сделаны следующие публикации:

1. Обеспечение экологической безопасности малых ГЭС.//Тез.докл.Межд.науч.-техн.конф. «Нетрадиционные источники энергии».-СПб: СПбГТУ,1994.-С.153-155 (в соавторстве с Н.В.Арефьевым).

2. Обеспечение экологической безопасности при выборе оптимальных режимов работы ЭВХК.//Сб.науч.труд. по матер. Межд.конф. «Современные проблемы нетрадиционной энергетики».-СПб: Изд-во ^ПбГТУ, 1996.-С.90-92 (в соавторстве с Н.В.Арефьевым).

3. Обеспечение экологической безопасности ГЭС.//Тез.докл.межд.науч.-техн.форума «Экобалтика XXI век».-СПб; СПбГТУ, 1996.

4. Обеспечение экологической безопасности ГЭК.//Тез.докл.иауч.-техн.конф.студ. «Двадцать пятая юбилейная неделя науки СПбГТУ».-СПб: СПбГТУ,1996.-С.16-17 (в соавторстве с Н.В.Арефьевым).

-а-