EVALUATION OF WATER ENERGETIC MODES OF ZHIGULEVSKAYA GYDROELECTRIC POWER STATION AND CORRELATION BETWEEN ELECTRIC ENERGY GENERATION AND WATER DISHARGE

Full Text

Жигулевская ГЭС входит в состав Волжско-Камского каскада гидроэлектростанций, которые дают около 20 % электроэнергии, производимой на ГЭС России. Его установленная мощность составляет 12,8 ГВт, а годовая выработка электроэнергии колеблется от 35 до 40 ТВт·ч в зависимости от водности [1, 8, 11]. В каскаде эксплуатируется 11 гидроузлов. Участниками комплекса являются энергетика, водный транспорт, орошение, рыбное хозяйство, водоснабжение. ГЭС гидроузлов работают в одной и той же энергосистеме. Важную роль играют водохранилища каскада для поддержания судоходных глубин (регулярное судоходство от города Ржева более 3200 км), а также в борьбе с наводнениями и т.д. Основные технические характеристики Жигулевской ГЭС приведены в табл. 1. В настоящее время актуальным является анализ режимов работы Жигулевской ГЭС с учетом действующих Правил использования водных ресурсов. Основным документом, регламентирующим режимы работы Жигулевского водохранилища и использования их водных ресурсов в условиях нормальной эксплуатации, являются «Методические указания по разработке правил использования водохранилищ» (Приказ Минприроды России от 26 января 2011 г. № 17), которые базируются на методологии комплексного подхода к регулированию речного стока, в основном отражающей отечественный опыт водохозяйственного управления в условиях планового развития экономики. В работе [2] выполнен анализ практики разработки и применения Правил в нашей стране за сорокалетний период на начало 2000 г. Рассмотрены основные разделы, порядок использования водных ресурсов водохранилищ в маловодные периоды, порядок пропуска высоких вод через сооружения гидроузла и др., а также ведомственные нормативные документы и постановление правительства Российской Федерации «О порядке эксплуатации водохранилищ» № 762 от 20 июня 1997 г. Ценностью данного исследования является методика разработки диспетчерских правил регулирования стока водохранилищами. Эта работа была крайне актуальна, так как на момент ее выхода Правила управления многих водохранилищ России устарели [4]. За это время изменились режим и объем водопотребления, критерии удовлетворения требований к воде, возрос приоритет экологических проблем, появились возможности для исследования функционирования водохозяйственных систем с использованием компьютерных технологий. Предпринятые доработки и уточнения Правил не решают в полной мере накопившиеся проблемы, и требуется разработка новых [4]. Обсуждается необходимость разработки новой методологии регулирования речного стока [5], которая должна учитывать в полной мере существенно изменившиеся условия функционирования водохозяйственных и электроэнергетических систем за последние десятилетия. Рассмотрена законодательная и нормативная база управления режимами гидроэлектростанций в электроэнергетических и водохозяйственных системах и выявлены серьезные противоречия в принципах, организации и средствах управления режимами водохранилищ комплексных гидроузлов гидроэлектростанций [5]. Сделано заключение о необходимости адаптации методологии разработки диспетчерских правил использования водных ресурсов водохранилищ к рыночным условиям, когда взаимоотношения между водопользователями при распределении водных ресурсов должны регулироваться рыночными механизмами на базе экономически обоснованной системы платежей за пользование водными ресурсами. Предлагается узаконивание в Правилах наряду с модифицированными диспетчерскими графиками использования водохранилищ также расчетов водно-энергетических показателей работы ГЭС и их каскадов, отражающих реальные текущие условия, складывающиеся в электроэнергетических и водохозяйственных системах. Следует отметить, что задача разработки методологии управления речным стоком и водохранилищами ГЭС значительно усложняется в условиях происходящих динамичных климатических изменений, так как возрастает неопределенность при прогнозировании водности рек и показателей энергоотдачи гидроэлектростанций [9-16]. В работе [8] выполнен анализ соответствия эксплуатационных режимов Жигулевской ГЭС Волжско-Камского каскада за период 1981-2012 гг. основным положениям Правил, которые были разработаны в 60-80-е гг. прошлого века и используются в настоящее время [6, 7]. Выполнена оценка жизнеспособности диспетчерских правил для планирования обеспечения гарантированной энергоотдачи ГЭС, безопасности гидротехнических сооружений, нормального функционирования участников водохозяйственного комплекса на объектах. Это позволяет определить факторы, подлежащие корректировке, уточнить принципы управления режимами работы водохранилищ, отражающие прогнозные природно-климатические, водохозяйственные и экологические условия, разработать правила использования водных ресурсов водохранилищ, обеспечивающие максимальную энергоотдачу ГЭС, надежную и безопасную эксплуатацию гидротехнических сооружений. Жигулевский гидроузел, имеющий водохранилище годичного регулирования стока и ГЭС с установленной мощностью, значительно превышающей мощность ГЭС вышележащих гидроузлов, является основным компенсатором в Волжско-Камском каскаде. Гидроузел обеспечивает получение максимальной выработки энергии на ГЭС Саратовского и Волжского гидроузлов, а также требуемое энергосистемой внутригодовое распределение энергоотдачи каскада. Подпор от Жигулевского гидроузла в меженный период при нормальном подпорном уров- 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 январь ф евраль март апрель май июнь июль август сентябрь октябрь ноябрь декабрь Месяц Уровень ВБ, м 1981 1982 1983 1984 1985 1986 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 НПУ УМО МНУ Рис. 1. Внутригодовое изменение уровней воды в верхнем бьефе Жигулевского водохранилища Гидротехническое строительство не у плотины распространяется вверх по течению р. Волги до Чебоксарского гидроузла и по р. Каме до Нижнекамского гидроузла. Внутригодовое распределение стока в створе Жигулевского гидроузла определяется режимом работы Волжско-Камского каскада гидроузлов. Полезный объем Жигулевского водохранилища, равный 0,14 от среднегодового объема притока к водохранилищу за многолетие, позволяет осуществлять неполное годичное (сезонное), недельное и суточное регулирование стока р. Волги в интересах различных водопотребителей и водопользователей. Главными из них являются: энергетика, водный транспорт, водоснабжение, рыбное хозяйство, сельское хозяйство. Водохранилище играет особую роль в качестве основного регулятора волжского стока в обеспечении режима специального весеннего попуска в низовья Волги, ежегодно проводимого в интересах рыбного и сельского хозяйства. Эта роль заключается в преобразовании поступающего в водохранилище остропикового притока в заданный режим сбросных расходов, соответствующий графику спецпропуска. Для оценки соответствия эксплуатационного режима водохранилища Жигулевской ГЭС Правилам [7] были проанализированы графики изменения уровней в верхнем бьефе водохранилища (рис. 1, 2) и расходов в нижнем бьефе гидроузла. На рис. 1 приведено внутригодовое распределение изменения уровня воды в верхнем бьефе Жигулевского водохранилища для различных лет. На рис. 2 показан календарный график изменения уровня воды в верхнем бьефе за многолетний период. За рассматриваемое время водохранилище один раз срабатывалось до отметки несколько ниже УМО. В отдельные годы уровень воды в водохранилище к концу периода сработки приближался к отметке НПУ. На начало апреля недоиспользовалось от 6 до 93 % полезного объема водохранилища. Требование поддержания в водохранилище минимального навигационного уровня воды выполнялось. На основе проведенного анализа можно констатировать, что за последние десятилетия изменился характер регулирования стока водохранилищами. Вместо сезонного и годичного регулирования стока, предусмотренного Правилами, фактически на всех ГЭС (кроме Чебоксарской) выполняется такое регулирование стока, которое позволяет обеспечить требования водного транспорта и рыбного хозяйства, однако приводит к энергетическому недоиспользованию стока из-за холостых сбросов. Рис. 2. График изменений уровней воды в верхнем бьефе Жигулевского водохранилища Годы Рис. 3. Динамика изменения турбинного расхода Жигулевской ГЭС Таблица 2 Основные характеристики выработки электроэнергии Жигулевской ГЭС Анализируемый период, лет Среднее значение выработки электроэнергии за период, ГВт·ч Коэффициент вариации Коэффициент асимметрии 31 10614,4 0,121 -0,102 Рис. 4. Динамика изменения среднегодовой выработки электроэнергии Жигулевской ГЭС и объёмов годового стока через турбины Гидротехническое строительство Динамика изменения среднегодового расхода через турбины ГЭС показана на рис. 3. Среднемноголетний сток в створе Жигулевской ГЭС равен 242 км3. Отношение полезного объема к среднемноголетнему стоку оценивается в 0,144. Минимальный расход через турбины ГЭС составил 4983 м3/с (1996 г.), а максимальный - 8261 м3/с (1990 г.). Коэффициент неравномерности турбинных расходов ГЭС равен 1,66. Средний удельный расход воды на производство электроэнергии составил 21,685 м3/кВт.ч. За рассматриваемый период наблюдался рост среднемесячной зимней мощности, что связано с увеличением водности. Среднемноголетняя годовая выработка электроэнергии ГЭС (P=50 %) за период 1982-2011 гг. составила 10687 ГВт.ч, что больше проектной (9600 ГВт.ч) на 11,3 %. Среднемесячная зимняя мощность (декабрь-март, P=90 %) составила 689 МВт, что превышает проектную (634 МВт) на 8,7 %. Наибольшее значение имеет климатообусловленное изменение стока рек. Изменение выработки гидроэлектроэнергии на Жигулевской ГЭС в отдельные годы при неизменности технических условий функционирования их оборудования и стабильности экономической ситуации в основном зависит от изменения притока воды к водохранилищу. Проведен статистический анализ годовой выработки электроэнергии ГЭС каскада и определены основные характеристики: среднее значение, коэффициенты вариации и асимметрии (табл. 2). Коэффициент неоднородности выработки электроэнергии составляет 1,76. Построены кривые обеспеченности среднемесячной мощности за период декабрь-март, а также кривая обеспеченности годовой выработки электроэнергии. Изменение выработки гидроэлектроэнергии на Жигулевской ГЭС в отдельные годы при неизменности технических условий функционирования их оборудования и стабильности экономической ситуации в основном зависит от изменения притока воды к водохранилищу. Выполнен ретроспективный анализ связи выработки электроэнергии на Жигулевской ГЭС с водностью. Для этого были проанализированы фактические ряды, отражающие режим работы ГЭС как внутри года, так и при многолетнем разрезе (1982- 2012 гг.). Между среднегодовой выработкой электроэнергии на Жигулевской ГЭС и стоком установлена устойчивая корреляционная зависимость. Наличие достаточно тесной связи между выработкой электроэнергии и стоком показано на рис. 4. Зависимость годовой выработки электроэнергии от турбинного стока имеет вид: Э=1091+41,49WT. Тесноту корреляционной связи подтверждает коэффициент корреляции, равный 0,916 (рис. 5). В качестве параметра, влияющего на выработку электроэнергии на ГЭС, может быть принят сток через турбины или сток в нижнем бьефе ГЭС. Использование первого параметра (стока через турбины) позволяет получить более тесную корреляционную связь. Использование второго параметра (стока в нижнем бьефе ГЭС) возможно при отсутствии данных по турбинным расходам. Полученная зависимость может быть использована при прогнозировании выработки электроэнергии Жигулевской ГЭС на перспективу с учетом изменения водности, вызванной климатическими изменениями [11-13]. Выводы. 1. Основные принципы использования водных ресурсов водохранилища Жигулевской ГЭС, заложенные в Правилах, в целом показали устойчивость и работоспособность, несмотря на значительные изменения хозяйственных и экономических условий за прошедшие годы с момента их разработки. 2. Выявлен ряд несоответствий между их эксплуатационными режимами и регламентируемыми требованиями по поддержанию уровней воды в верхнем бьефе водохранилища, а также расходов воды в нижнем бьефе в период весеннего половодья, летне-осенней и зимней межени, определяемыми Правилами использования водных ресурсов, что указывает на необходимость корректировки Правил. 3. Анализ фактических режимов работы Жигулевской ГЭС за рассматриваемый период 1981- 2012 гг. показал, что в условиях использования устаревших Правил средне-многолетняя годовая выработка электроэнергии и среднемесячная гарантированная зимняя мощность (декабрь-март, Р=90 %) превышает проектную. 4. Установлены статистические закономерности между показателями энергоотдачи Жигулевской ГЭС и характеристиками речного стока.

About the authors

Vladimir Ivanovich MASLIKOV

Peter the Great Saint-Petersburg Polytechnic University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Gennady Ivanovich SIDORENKO

Peter the Great Saint-Petersburg Polytechnic University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

References

Supplementary files