автореферат диссертации по энергетике, 05.14.10, диссертация на тему:Усовершенствование методики определения технико-экономических показателей ГЭС с учетом заиления водохранилища

ю

и

московский энергетическии институт

(Технический университет)

На правах рукописи

ПЛЕТНЁВ Дмитрий Евгеньевич

УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕХНИКО -ЭКОНОМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ГЭС С УЧЕТОМ ЗАИЛЕНИЯ

ВОДОХРАНИЛИЩА.

Специальность 05.14.10 Гидроэлектростанции и гидроэнергетические установки

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель ^ Д.т.н. проф. Александровский А.Ю.

Москва -1999

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. Процесс заиления водохранилища и методы его

расчета. 1О

1.1. Условия формирования и режим стока взвешенных наносов. 10

1.2. Механизм заиления водохранилищ. 15

1.3. Анализ методов расчета заиления водохранилищ. 18

1.4. Постановка задачи и основные этапы ее решения. 40

ВЫВОДЫ 43

Глава 2. Определение изменения энергетических и экономических показателей ГЭС на реках с большим объемом твердого стока на стадии проектирования. 44

2.1.Определение основных энергетических показателей ГЭС на стадии проектирования ГЭС без учета заиления. 44

2.2. Учет аккумуляции наносов в ложе водохранилища при водноэнергетических расчетах и ее влияние на энергетические показатели ГЭС. 54

2.3. Критерии определения финансово - экономической эффективности инвестиций в электроэнергетике и методы их расчета. 59

2.4. Методика определения изменения показателей финансово-экономической эффективности ГЭС, расположенных на горных реках. 68

ВЫВОДЫ 75

Глава 3. Исследование влияния заиления водохранилища на энергетические и экономические показатели Ирганайской ГЭС. 76

3.1.Краткая характеристика водного режима р.Аварское Койсу и исходные данные для расчета изменения энергетических показателей ГЭС по причине заиления водохранилища. 76

3.2. Определение изменения энергетических показателей Ирганайской ГЭС на стадии проектирования. 79

3.3. Исходные данные для определения изменения показателей финансово - экономической эффективности Ирганайской ГЭС. 88

3.4. Определение изменения показателей финансово -экономической эффективности Ирганайской ГЭС. 91

ВЫВОДЫ 94

Глава 4. Исследование влияния заиления водохранилищ

на технико-экономические показатели каскада ГЭС. 95

4.1. Исходные данные для расчета изменения энергетических показателей Ирганайской ГЭС и Чиркейской

ГЭС, работающих в каскаде. 95

4.2. Определение изменения энергетических показателей Ирганайской ГЭС и Чиркейской ГЭС, работающих совместно. 99

4.3.Исходные данные для определения финансово-экономической эффективности каскада ГЭС с

учетом заиления. 108

4.4 Определение финансово-экономической эффективности Ирганайской ГЭС и Чиркейской ГЭС с учетом заиления. 109

ВЫВОДЫ 111

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 112

ЛИТЕРАТУРА 115

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 .Диспетчерские графики работы

Ирганайского водохранилища. 123

ПРИЛОЖЕНИЕ 2.Диспетчерские графики работы

Чиркейского водохранилища без Ирганайского водохранилища. 130

ПРИЛОЖЕНИЕ З.Диспетчерские графики работы

Чиркейского водохранилища с Ирганайским водохранилищем. 137

ПРИЛОЖЕНИЕ 4.0пределение внутренней нормы

рентабельности Ирганайской ГЭС. 144

ПРИЛОЖЕНИЕ 5.Определение внутренней нормы

рентабельности каскада Ирганайской ГЭС и Чиркейской ГЭС. 177

ПРИЛОЖЕНИЕ 6. Акт об использовании результатов

диссертационной работы. 198

ВВЕДЕНИЕ

Эксплуатация ГЭС, расположенных на реках, протекающих в узких, ущелеобразных долинах с большими уклонами и скоростями течения, показывает, что водохранилища теряют часть полезной емкости по причине отложения наносов в верхнем бьефе [27,46,61,65,85,91,99]. При создании на реке аккумулирующей емкости происходит переформирование участков речного русла, причем спектр разновидностей русловых форм на горных реках значительно шире, чем у равнинных рек. Это связано с общим увеличением уклонов от предгорий к высокогорьям, с различиями на разных уровнях в развитии эрозийных и склоновых процессов, с изменением основных гидравлических и режимных характеристик потоков и форм транспорта наносов.

Русловые переформирования, связанные с созданием ГЭС, включают в себя заиление водохранилищ, обрушение берегов, размыв русла в нижнем бьефе и др [38,46,65].

В данной работе будет исследовано влияние заиления водохранилищ на работу ГЭС. Под термином "заиление" подразумевается отложение наносов, которые устойчиво взвешиваются в толще потока и которые в бытовых условиях чаще всего относятся к категории нерусловых [46]. При заилении водохранилищ Карасев И.Ф. в [27] выделяет по крайней мере три стадии:

-иррегулярный режим заиления, при котором определяющую роль играет начальная емкость, поглощающая все поступления наносов;

-регулярный режим заиления, характеризующийся тем, что независимо от начальных условий потеря емкости водохранилища происходит по экспоненциальному закону с уменьшением аккумуляции наносов во времени;

-заключительная стадия - восстановление транзита наносов через водохранилище.

В руководстве "Методика измерения расходов наносов и изучения деформации речных русел и исследование твердого стока" выпущенном СЭВ в 1972 году [58], принимается, что водохранилища потерявшие 70-80% своего объема, не могут считаться годными для нормальной эксплуатации.

Большинство водохранилищ в нашей стране используются комплексно, для нескольких целей: энергетики, питьевого, коммунального и промышленного водоснабжения, водного транспорта, орошения, рыбного хозяйства и др., - следовательно изменение объема водохранилища повлияет на водоподачу для каждой из этих отраслей. В данной работе рассматривается влияние отложения наносов в ложе водохранилища только на изменение показателей работы ГЭС.

Из всех отраслей водного хозяйства гидроэнергетика отличается наибольшей маневренностью, т.е. возможностью приспособления своего режима к различным гидрологическим условиям. В большинстве случаев ГЭС является составной частью большой энергетической системы. Вследствие этого при разработке диспетчерских правил управления водохранилищем приоритетными требованиями являются гарантированный расход воды и гарантированная энергоотдача. Гарантированная энергоотдача является одним из основных показателей при проектировании ГЭС, поскольку от нее зависит значение установленной мощности ГЭС, а также степень участия ГЭС в суточном графике электрической нагрузки энергосистемы [17,23,74,94,95].

Гарантированная отдача в основном определяется притоком воды и полезным объемом водохранилища. Гарантированная отдача по характеру может быть статической и динамической. Значение статической гарантированной отдачи является неизменной в течение длительного периода времени. В случае динамического характера гарантированная отдача зависит от изменяющихся во времени требований водопотребителей и водопользователей, электрических и гидравлических параметров

гидроузла и энергосистемы. Одним из изменяющихся параметров гидроузла является полезный объем водохранилища, который теряется вследствие аккумуляции наносов в ложе водохранилища.

Актуальность_темы диссертации определяется

необходимостью научного обоснования влияния русловых деформаций в верхнем бьефе, вызванных отложением наносов, на проектирование и эксплуатацию ГЭС, расположенных на реках с большим объемом твердого стока.

Цель исследования заключается в совершенствовании методики определения технико - экономических показателей ГЭС с учетом транспорта наносов и их аккумуляции в ложе водохранилища, которые рассматриваются как составная часть русловых процессов в верхнем бьефе. В данном исследовании водохранилище, полезный объем которого уменьшается, представляется в виде динамической системы, в которой происходит не стационарный процесс с затуханием во времени. Правильность оценки водноэнергетических показателей гарантирует объективность определения эффективности капиталовложений в строительство ГЭС.

Учет изменения полезной емкости водохранилища, а также технико-экономических показателей ГЭС приведет к необходимости интенсивной разработки и проведения эффективных мероприятий по борьбе с заилением.

Методика исследования включает:

а) обработку материалов гидрологических наблюдений за стоком наносов; выделение расчетных интервалов времени и расчетных участков; определение нормы стока наносов;

б) расчет заиления по участкам и получение новой формы продольного русла; оценку потери полезной емкости водохранилища; построение зависимостей объемов водохранилища от уровней для каждого периода заиления;

в) разработку оптимального режима работы ГЭС по принятым критериям для каждой стадии заиления;

г) проведение водноэнергетических расчетов для определения энергетических показателей ГЭС для каждой стадии заиления; оценку изменения показателей работы ГЭС в течение времени;

д) исследование влияния потери полезной емкости водохранилища на экономические показатели ГЭС: проведение экономических расчетов с использованием энергетических показателей, изменяющихся во времени, для определения финансово-экономической эффективности проектируемой ГЭС по критерию внутренней нормы рентабельности.

В результате исследования получены следующие выводы и результаты представляющие собой научную новизну:

1. На стадии проектирования при определении энергетических показателей работы ГЭС полезный объем водохранилища уменьшается, по причине отложения в его ложе наносов;

2. Научно обосновано изменение гарантированной, используемой мощности и среднемноголетней выработки энергии ГЭС в связи с потерей полезного объема водохранилища;

3. Исследовано влияние заиления водохранилищ ГЭС, работающих в каскаде, на энергетические показатели совместно работающих станций.

4. Произведена экономическая оценка эффективности инвестиций в ГЭС, учитывающая изменение показателей работы ГЭС во времени, системы финансирования и долговременность результатов проекта.

Практическое использование основных результатов работы необходимо при проектировании и эксплуатации ГЭС, в частности при:

а) производстве водноэнергетических расчетов на стадии проектирования ГЭС, расположенных на реках с большим объемом твердого стока;

б) исследовании режимов работы и эффективности использования ГЭС в энергетических системах;

в) исследовании совместной работы ГЭС, входящих в состав объединенных энергосистем.

д) экономической оценке проекта сооружения ГЭС, расположенных на реках с большим объемом твердого стока.

Апробация работы. Результаты исследований были представлены и обсуждены на:

- международной конференции "Стохастические модели гидрологических процессов и их использование в защите окружающей среды.", Москва, 1998г.

- на заседании кафедры НВИЭ МЭИ (г.Москва, 1999 г.). Основное содержание диссертации опубликовано в

следующих работах.

1. Александровский А.Ю., Плетнев Д.Е. Влияние заиления водохранилища на энергетические параметры Ирганайской ГЭС. -Реф.журнал 22, Энергетика №8, 1998, 8Д17.Деп.

2. Александровский А.Ю., Плетнев Д.Е. Методика определения технико-экономических показателей ГЭС с учетом заиления водохранилищ. М:Гидротехническое строительство, №1,1999.

3. Aleksandrovsky A.U., Pletnev D.E. Accounting River-Bed Processes and Transportation of Drifts in Operation of Storage Lakes. Stochastic models of hydrological process and their applications to problems of environmental preservation, Moskow, Water problems Institute, 1998.

Глава 1.Процесс заиления водохранилища и методы его

расчета.

1.1. Условия формирования и режим стока взвешенных

наносов.

Исследованию вопросов формирования и режима твердого стока посвящены работы Багирова И.Б.[9], Ибад-Заде Ю.А.[24-26], Лисициной К.Н.[50-53], Шамова Г.И.[90,91], Швебса Г.И. [93], Щегловой О.П.[96] и др..

Водный поток, движущийся в русле, транспортирует твердый материал, являющийся продуктом эрозии и выветривания поверхности водосборного бассейна, а также русел ручьев и рек. Выветриванием называется распад на отдельные куски и более мелкие частицы обнаженных поверхностных слоев коренных пород, покровных отложений и почвенных агрегатов под влиянием физико -химических воздействий [91]. Продукты выветривания в период ливней превращаются в грязевые потоки, которые переносят твердые частицы в русло реки. Содержание наносов в грязевых потоках составляет 30% и более. Выветривание разделяют на :

- физическое - связанное с колебаниями температуры воздуха, которое наиболее интенсивно проявляется в горных условиях, отличающихся резко выраженными суточными изменениями;

- химическое - процесс разрушения коренных пород под влиянием химического воздействия на них воды и воздуха.

Эрозия - разрушающее действие воды и ветра на почву и подстилающие породы [22,35,81]. Она делится на ветровую и водную. Ветровой эрозией называется выдувание с поверхности почв мелкозема и коренных пород с более подверженных воздействию ветра площадей в защищенные от ветра участки. Водная эрозия представляет собой наиболее активный фактор, обогащающий реки наносами [34,42,44,93]. Она делится на склоновую и ветровую.

Склоновая эрозия характеризуется смывом мелкозема под действием струй, стекающих по поверхности склона. Русловая эрозия представляется в виде глубинной и боковой. Глубинная эрозия - врезание водотока в грунт. В этом процессе в зависимости от скоростей потока происходит либо скопление наносов, либо их размыв. Боковая эрозия проявляется в размыве берегов реки. Размыв берегов происходит особенно интенсивно в половодье, при этом смытый грунт берегов и выносы из прибрежных оврагов состоят из относительно крупных наносов.

Характер и интенсивность эрозии зависит от [55]:

- рельефа водосборного бассейна или крутизны склонов, определяющей скорость движения воды ;

- строения грунтов, слагающих поверхности бассейна, и растительного покрова;

- величины стока воды и степени его изменчивости во времени ;

- количества атмосферных осадков и их распределения во времени;

- колебаний температуры;

- силы и продолжительности ветра и др.

Различные сочетания перечисленных выше условий создают и большое различие в характере и величине поверхностной эрозии в отдельных бассейнах. Интенсивность эрозии не только меняется по территории, но и в каждом бассейне она не одинакова во времени. Наибольшей величины она достигает в тех горных районах юга, в которых климатические условия в течение сезона, предшествующего периоду сильных дождей, способствуют подготовке верхних слоев почвы к смыву. Наиболее интенсивное перемещение продуктов выветривания и эрозии происходит в горных районах, вследствие большой крутизны склонов.

Исходя из выше сказанного следует, что наибольшее количество наносов содержат горные реки [9,69,92].

Горные реки, характеризующиеся высокой кинетической энергией потока, содержат большое количество твердых частиц, влекомых по дну (донных) и взвешенных в воде (взвешенных)

наносов [29]. Разделение речных наносов на донные и взвешенные основано на том, что первые перекатываются по дну или перебрасываются под действием гидродинамических сил, возникающих только в придонном слое, а вторые поддерживаются в потоке пульсационными скоростями, возникающими на всех уровнях в толще потока, и во взвешенном состоянии могут переноситься на большие расстояния. Форма движения частиц может изменяться в зависимости от гидравлических условий. Удельное содержание взвешенных наносов в твердом стоке достигает в межень 100%. Взвешенные наносы горных рек имеют крупный гранулометрический состав и достигают 30 мм. Донные наносы достигают в поперечнике 1-2 м и перемещаются после каждого значительного паводка. Наиболее мелкие частицы наносов в основной своей массе проносятся рекой транзитом к устью, тогда как движение крупных частиц происходит периодически, от одного участка реки к другому, где они задерживаются иногда на длительный период времени и снова приходят в движение при изменении гидравлических условий потока [32].

Сток наносов определяется преимущественно взвешенными наносами, донные наносы составляют лишь незначительную часть твердого стока [49].

Одним из основных показателей, определяющих сток взвешенных наносов является мутность воды. Мутностью называется насыщение потока различными по крупности фракциями наносов. Эта величина влияет на размывающую способность потока в нижнем бьефе, а также на плотность и вязкость жидкости. Мутность воды рек зависит от геологического строения бассейна, строения почв, типа растительности, степени увлажненности, характера хозяйственной деятельности человека [9,91].

Измерение мутности воды является составной частью определения расхода взвешенных наносов. Для детальной характеристики режима мутности в течение года производят отбор единичных проб воды на мутность. Для отбора проб воды на

мутность из речных потоков используются батометры различной конструкции. В настоящее время в практике гидрологических рабо�