Оптимальное распределение нагрузки между гидроагрегатами ГЭС.

 

 

Зависимость расхода воды гидростанцией, выраженного в м³/с, от ее электрической мощности Q_г = f (Р_ст) представляет расходную характеристику ГЭС (рис. 9.16).

Qг –суммарные расход воды; rг – относительный прирост расхода воды; Р – нагрузка гидростанции

Рис. 9.16. Характеристика относительных приростов и расходная характеристика гидростанции

 

Для построения расходной характеристики гидростанции при однотипных агрегатах и неизменном напоре необходимо нагрузки и расход воды одного агрегата умножить на число агрегатов.

Наивыгоднейшее число гидроагрегатов, которое должно находиться в работе при определенной электрической нагрузке ГЭС и данном напоре, принимается таким, чтобы ему соответствовал минимальный расход воды на ГЭС.

Следовательно, переход от использования z агрегатов к (z + 1) агрегату должен происходить при электрических нагрузках ГЭС, соответствующих равенству расходов воды по агрегатам. Нахождение этих нагрузок по точкам пересечения расходных характеристик при использовании z и (z + 1) гидроагрегатов практически затруднено в виду достаточной близости характеристик в зоне нахождения этих точек. Более точные результаты могут быть получены по точкам пересечения кривых зависимости суммарных потерь мощности ∆Р в гидроагрегатах от нагрузки ГЭС (рис. 9.17).

Рис. 9.17. Определение наивыгоднейшего числа работающих агрегатов

 

Эти потери складываются из потерь в турбинах, гидрогенераторах и водопроводящих сооружениях. С повышением нагрузки ГЭС критерием перехода от работы z гидроагрегатов к (z + 1) гидроагрегатам является равенство суммарных потерь мощности (имеются и другие способы определения искомых нагрузок).

Характеристика относительных приростов гидроагрегата r_га = f(P_а) представляет зависимость относительного прироста расхода воды, выраженного в (м³/с)/МВт, от его электрической нагрузки.

Характеристика относительных приростов расхода воды гидростанцией строится суммированием характеристик отдельных гидроагрегатов при одинаковых значениях относительных приростов воды.

Поскольку на гидростанции в большинстве случаев устанавливаются однотипные агрегаты, то суммирование заменяется умножением абсцисс характеристики одного агрегата на число агрегатов при неизменных ее ординатах.

При данном числе включенных в работу агрегатов ГЭС (меньшем максимального количества) с ростом электрической нагрузки относительный прирост расхода воды постепенно увеличивается. Если при данной электрической нагрузке гидростанции ввести в работу дополнительный гидроагрегат, то нагрузка на каждом гидроагрегате снизится и уменьшится относительный прирост расхода воды ГЭС.

Этому на рис. 9.18. соответствует переход от относительного прироста r_г1 к r_г2 при нагрузке Р₁. Следовательно, суммарная характеристика относительных приростов расходов воды на ГЭС при переменном количестве работающих агрегатов имеет пилообразный характер с разрывами непрерывности при нагрузках, соответствующих включению (отключению) каждого агрегата (см. на рис. 9.18 – ломаная линия А – Б – В – Г). Использование такой характеристики практически затруднено в виду неоднозначности величины электрической нагрузки ГЭС при данном значении относительного прироста расхода воды. Так, при относительном приросте r_г3 имеется два значения электрической нагрузки: Р₁ и Р₃.

Рис. 9.18. Характеристика относительных приростов гидростанции

 

Характеристика сглаживания

Сглаживание суммарной характеристики относительных приростов ГЭС обычно производится при допущении, что переход от z к (z+1) агрегатам не вызывает изменения относительного прироста расхода топлива на тепловых электростанциях энергосистемы. Тем самым принимается, что при таком сглаживании можно руководствоваться только характеристикой рассматриваемой ГЭС и не учитывать характеристик остальных станций энергосистемы.

Тогда искомое значение относительного прироста должно быть выбрано таким, чтобы расход воды, подсчитанный по действительной и сглаженной характеристикам не изменился. Этому условию соответствует значение относительного прироста r_г4 (см. рис. 9.18), при котором площадь F₁ (снижение расхода воды по сравнению с действительной характеристикой) равна площади F₂ (повышение расхода воды по сравнению с действительной характеристикой). Сглаженная характеристика относительных приростов расхода воды при переходе от z к (z+1) гидроагрегату представлена на рис.9.18. ломаной линией А – Д – Е – Г. Производя аналогичные построения для каждого дополнительного вводимого в работу гидроагрегата, получаем характеристику относительных приростов ГЭС при данном напоре (Н).

Рис. 9.19. Характеристики относительных приростов гидростанции при различных напорах

I – ограничение по турбинам; II – ограничение по генератору; r_г – относительный прирост расхода воды; Р – нагрузка гидростанции; 1 – 6 – Н = 95м; 97,5; 100; 102,5; 105; 107,5

 

Представленная на рис.9.16 сглаженная характеристика относительных приростов содержит три различающихся участка:

- начальный криволинейный участок, относящийся к работе одного агрегата на ГЭС (от Р_min до Р_{кр а});

- промежуточный прямолинейный участок, соответствующий сглаженной пилообразной части характеристики ГЭС (от Р_{кр а} до Р_кр);

- конечный криволинейный участок, относящийся к работе всех агрегатов ГЭС (от Р_кр до Р_м).

Точке излома характеристики при переходе от участка «Б» к участку «В», называемой «критической», соответствует электрическая мощность, определенная с некоторым приближением по формуле, МВт:

 

Р_кр= Р_{кр а} z_м при Н = const,

 

где Р_{кр а} – критическая нагрузка одного агрегата при данном напоре, МВт;

z_м – максимальное количество работающих гидроагрегатов на ГЭС.

Характеристика относительных приростов гидростанций при различных напорах представлены на рис. 9.19.

Зависимость между критической нагрузкой ГЭС и напором может быть представлена в виде, МВт:

Р_кр = ( Р_{о кр а} - α _{г кр} (Н _н - Н)) z_м,

где Р_{о кр а} - критическая нагрузка гидроагрегата, соответствующая наибольшему напору (Н _н) ГЭС, МВт; Н – рассматриваемый напор на ГЭС; α _{г кр} – величина снижения критической нагрузки при уменьшении напора на 1м, МВт/м.

Максимальная мощность ГЭС может ограничиваться мощностями турбин или генераторов (см. рис. 9.19.).

Максимальная мощность, ограничиваемая турбинами, зависит от напора, МВт:

Р_м = ( Р_{о м а} - α _{г м} (Н _н - Н)) z_м,

 

где Р_{о м а} z_м – условная максимальная мощность ГЭС, соответствующая точке пересечения экстраполированной линии ограничения мощности ГЭС по турбинам с экстраполированной характеристикой относительных приростов ГЭС при этом напоре, МВт; α _{г м} – величина снижения максимальной мощности каждого агрегата ГЭС при уменьшении напора на 1м, МВт/м.

Ограничение по генератору показано на рис. 9.19 вертикальной прямой.

Минимальная нагрузка ГЭС может ограничиваться неэнергетическими потребителями: расходом воды на обеспечение судоходства, ирригации, водоснабжения и др.

Характеристика относительных приростов ГЭС выражается уравнением вида, (м³/с) / МВт:

при Р > Р_{кр 2}

 

r_г = r_0г + т₁ Р_кр + т₂ ( z ( Р_а – Р_{кр а}))^т₃ ; (9.14 )

 

Р_кр1 < при Р ≤ Р_кр2

 

r_г = r_0г + т₁ Р_кр2 ,

 

где r_0г – начальное значение относительного прироста расхода вода; т₁ – коэффициент, отражающий наклон характеристики в зоне от минимальной нагрузки до критической при учете неустановившегося режима, связанного с быстрыми изменениями уровня нижнего бьефа ГЭС; т₂, т₃ – коэффициенты, отражающие конфигурацию криволинейной части характеристики.

Величина r_0г вычисляется по формуле, (м³/с)/МВт:

r_0г = 102/Н η_м,

 

где Н – напор в м; η_м – максимальный КПД (в долях).

Сопоставительные расчеты на конкретных примерах показали, что погрешность в относительном приросте при использовании аналитического выражения (13.5) не превышает 5 – 6%.