Гидроэнергетика

Т.А. ФИЛИППОВА, М.Ш. МИСРИХАНОВ,

Ю.М. СИДОРКИН, А.Г. РУСИНА




            ГИДРОЭНЕРГЕТИКА


Издание третье, переработанное

Допущено УМО вузов России по образованию в области энергетики и электротехники в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки 140200- «Электроэнергетика»









НОВОСИБИРСК
2013

УДК 621.311.21 (075.8)
      Г 464



Рецензенты:
д-р техн. наук, профессор В.В. Дегтярее-, д-р техн. наук, профессор М.А. Кувшинова




Г 464 Гидроэнергетика : учеб. пособие / ТА.. Филиппова, М.Ш. Мисри-ханов, Ю.М. Сидоркин, А.Г. Русина. - 3-е изд., перераб. - Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2013.-620 с. (Серия «Учебники НГТУ»).
         ISBN 978-5-7782-2209-0
         Рассмотрен весь цикл производства электроэнергии на ГЭС и использования гидроэлектростанций как объектов электроэнергетики в электроснабжении потребителей: технологический процесс получения электроэнергии на ГЭС на основе использования водной энергии рек; особенности работы ГЭС в электроэнергетической системе при электроснабжении потребителей; инженерные основы создания ГЭС как промышленного объекта электроэнергетики; общеэнергетические сведения о состоянии гидроэнергетики в России и в мире. По этим направлениям излагаются специальные вопросы. В их числе: использование энергии рек и преобразование ее в электрическую энергию на гидротурбинных установках; регулирование стока рек водохранилищами; место ГЭС в электроэнергетических системах; гидротехнические сооружения; выбор основных гидроэнергетических параметров при проектировании ГЭС; сведения по общей гидроэнергетике России и мира.
         Книга ориентирована на широкий круг читателей: студентов, имеющих энергетическую подготовку; инженеров, работающих на предприятиях и в организациях, где требуются знания основ гидроэнергетики, на любого читателя, который знакомится с работой ГЭС.



ISBN 978-5-7782-2209-0

УДК 621.311.21 (075.8)

                      © Филиппова Т.А., Мисриханов М.Ш., Сидоркин Ю.М., Русина А.Г., 2012, 2013
                                              © Новосибирский государственный технический университет, 2012, 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Список аббревиатур................................................
Предисловие.......................................................
Раздел 1. ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ГЭС.
          ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА
Глава 1. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ РЕК................................
   1.1. Концентрация энергии реки.................................
   1.2. Ступени использования гидроэнергетических ресурсов реки...
   Вопросы для самопроверки.......................................
Глава 2. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ГИДРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ................................................
   2.1. Этапы технологического процесса ГЭС.......................
   2.2. Энергия и мощность ГЭС....................................
   2.3. Напор ГЭС.................................................
   2.4. Водохранилище и его характеристики........................
   2.5. Нижний бьеф ГЭС...........................................
   2.6. Неу становившийся режим в нижнем бьефе ГЭС................
   2.7. Напорные характеристики ГЭС...............................
   2.8. Баланс напоров ГЭС........................................
   2.9. Баланс расходов ГЭС.......................................
   Вопросы для самопроверки.......................................
Глава 3. РЕГУЛИРОВАНИЕ РЕЧНОГО СТОКА..............................
   3.1. Гидрологические особенности и характеристики стока реки...
   3.2. Вероятностная природа стока...............................
   3.3. Виды водно-энергетического регулирования стока реки водохранилищем ....
   3.4. Регулирование стока в каскаде ГЭС.........................
   3.5. Компенсирующее регулирование..............................
   Вопросы для самопроверки.......................................
Библиографический список к разделу 1..............................
Раздел!. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ГИДРОЭНЕРИИ В ГИДРОТУРБИННЫХ УСТАНОВКАХ И РЕГУЛИРОВАНИЕ МОЩНОСТИ АГРЕГАТОВ И ГЭС
Глава 4. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ В РАБОЧИХ ОРГАНАХ ГИДРОТУРБИНЫ..............................................................
   4.1. Понятие о гидравлической турбине..........................
   4.2. Основное уравнение гидромашин.............................

11
13

21
21
26
30

31
31
35
37
40
50
54
61
64
65
67

69
69
77
79
88
89
90
92

93
93
96

ОГЛАВЛЕНИЕ

   4.3. Конструктивное исполнение гидротурбины........................104
   4.4. Гидротурбинные установки и их рабочий процесс.................121
   4.5. Сущность и эффективность процесса регулирования мощности реактивных турбин.........................................................126
   4.6. Кавитация в гидротурбинах.....................................129
   4.7. Условия бескавитационной работы гидротурбины..................134
   4.8. Определение высоты отсасывания установки......................136
   Вопросы для самопроверки...........................................141

Глава 5. ХАРАКТЕРИСТИКИ ОСНОВНОГО ОБОРУДОВАНИЯ ГЭС...................143
   5.1. Виды энергетических характеристик............................143
   5.2. Энергетические характеристики гидротурбин....................147
   5.3. Энергетические характеристики агрегатов ГЭС..................156
   5.4. Натурные характеристики гидроагрегатов.......................165
   5.5. Построение характеристик в АСУ ТП............................174
   Вопросы для самопроверки..........................................180

Глава 6. АВТОМАТИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ МОЩНОСТИ ГИДРОТУРБИН.........................................................183
   6.1. Задачи регулирования активной мощности агрегатов и ГЭС...183
   6.2. Принципиальная схема автоматического регулирования мощности гидроагрегата....................................................184
   6.3. Характеристики регуляторов скорости......................187
   6.4. Гарантии регулирования...................................189
   6.5. Регулирование мощности агрегатов и станций...............191
   Вопросы для самопроверки......................................193
Библиографический список к разделу 2.............................196
Р а з д е л 3. ЗАДАЧИ ОПТИМИЗАЦИИ РЕЖИМОВ ГЭС И МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИХ РЕШЕНИЯ

Глава 7. ОСОБЕННОСТИ УПРАВЛЕНИЯ РЕЖИМАМИ ГЭС.......197

   7.1. Задачи управления нормальными режимами ГЭС................197
   7.2. Технико-экономические показатели режимов работы ГЭС........200
   7.3. Информационное моделирование режимных задач...............204
   Вопросы для самопроверки.......................................208
Глава 8. МОДЕЛИ И МЕТОДЫ ОПТИМИЗАЦИИ РЕЖИМОВ......................209
   8.1. Выбор метода оптимизации..................................209
   8.2. Математическая формулировка задач оптимизации.............210
   8.3. Методы нелинейного программирования.......................214

8.4. Учет ограничений при оптимизации..............................233
   8.5. Математические модели управления режимами.....................242
   8.6. Распределение нагрузки между агрегатами ГЭС методом динамического программирования..................................................246
   Вопросы для самопроверки...........................................252
Библиографический список к разделу 3..................................254

Р а з д е л 4. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВОДНЫХ РЕСУРСОВ ГЭС

Глава 9. ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМОВ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВОДНЫХ РЕСУРСОВ ВОДОХРАНИЛИЩ ГЭС...........................................255
   9.1. Общие положения расчета режима гидроэлектростанции в энергетических и водохозяйственных системах................................255
   9.2. Основные принципы управления режимами ГЭС....................257
   9.3. Методика водно-энергетических расчетов.......................260
   9.4. Оптимизация долгосрочных режимов ГЭС.........................263
   9.5. Оптимизация режима водохранилища одиночной ГЭС...............265
   9.6. Особенности оптимизации режима группы ГЭС, работающих совместно в энергосистеме..................................................270
   9.7. Особенности оптимизации режимов каскада ГЭС..................273
   Вопросы для самопроверки..........................................277

Глава 10. УПРАВЛЕНИЕ РЕЖИМАМИ ВОДОХРАНИЛИЩА.......................279
   10.1. Основные способы управления режимами водохранилища ГЭС...279
   10.2. Диспетчерское регулирование водных ресурсов водохранилища ГЭС...280
   10.3. Последовательная корректировка длительного режима водохранилища.288
   10.4. Схема прикладных расчетов по рациональному использованию гидроэнергетических ресурсов ГЭС.....................................292
   Вопросы для самопроверки..............................................295

Глава 11. ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ ГИДРОУЗЛОВ КОМПЛЕКСНОГО НАЗНАЧЕНИЯ..........................................................297
   11.1. Водохозяйственные компоненты гидроузлов....................297
   11.2. Технико-экономический анализ комплексного использования водных ресурсов гидроузлов.............................................301
   11.3. Задачи эффективного использования водных ресурсов комплексных гидроузлов......................................................302
   11.4. Суточные режимы использования водных ресурсов гидроузлов комплексного назначения............................................307
   Вопросы для самопроверки.........................................310
Библиографический список к разделу 4................................312

ОГЛАВЛЕНИЕ

Р а з д е л 5. ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИИ В ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ
Глава 12. УПРАВЛЕНИЕ РЕЖИМАМИ ГЭС В ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ............................................................
   12.1. Некоторые особенности работы станций в электроэнергетических системах...........................................................
   12.2. Эксплуатационные свойства электростанций......................
   12.3. Категории мощности агрегатов и электрических станций..........
   12.4. Балансы мощности и электроэнергии в системе...................
   12.5. Резервы мощности..............................................
   12.6. Гидроэлектростанции как объект энергетической системы.........
   12.7. ГЭС в балансе мощности энергетической системы.................
   12.8. Режим ГЭС в различных условиях водности и регулирования стока.
   12.9. ГЭС как источник реактивной мощности в энергетической системе.
  12.10. Обобщенные данные об особенностях использования гидроэлектростанций в энергосистеме..........................................
  12.11. Регулирование частоты системы.................................
  12.12. Поддержание качества электрической энергии по частоте.........
  12.13. Процесс регулирования частоты.................................
   Вопросы для самопроверки............................................
Глава 13. КРАТКОСРОЧНАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМОВ ГЭС
        В ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ................................
   13.1. Целесообразность оптимизации..................................
   13.2. Принципы оптимизации краткосрочных режимов ЭЭС................
   13.3. Научные принципы решения задач краткосрочной оптимизации режима ЭЭС.............................................................
   13.4. Оптимальное распределение нагрузки между ТЭС в гидротепловой энергосистеме...................................................
   Вопросы для самопроверки............................................
Глава 14. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ НАГРУЗКИ В ГИДРОТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГОСИСТЕМЕ ..............................................................
   14.1. Основные условия распределения нагрузки в энергосистеме с ГЭС и ТЭС...........................................................
   14.2. Распределение нагрузки при переменном напоре ГЭС..............
   14.3. Комплексная оптимизация режимов электроэнергетической системы.
   14.4. Реализация оптимальных режимов при эксплуатации электростанций
       и энергосистем..................................................
   Вопросы для самопроверки............................................

313

313
315
318
321
332
336
338
341
352

354
355
356
359
363

365
365
366

369

374
380

381

381
388
393

395
399

Глава 15. ОПТИМИЗАЦИЯ ВНУТРИСТАНЦИОННЫХ РЕЖИМОВ ГЭС.....................401
   15.1. Основные условия внутристанционной оптимизации..........401
   15.2. Распределение нагрузки между агрегатами электростанций..402
   15.3. Оптимизация состава и мощностей агрегатов ГЭС...........403
   15.4. Методы оптимизации состава и режима агрегатов ГЭС с различными характеристиками..............................................410
   Вопросы для самопроверки......................................415
Глава 16. ОПТИМАЛЬНЫЕ ЭКВИВАЛЕНТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ.......................................................417
   16.1. Задачи построения характеристик электростанций..........417
   16.2. Энергетические характеристики станции с одинаковыми агрегатами.418
   16.3. Построение эквивалентных характеристик станции методом динамического программирования........................................420
   16.4. Построение эквивалентных характеристик станции при заданном составе работающих агрегатов.......................................424
   16.5. Среднеинтервальные характеристики.......................429
   Вопросы для самопроверки......................................430
Библиографический список к разделу 5.............................432
Р а з д е л 6. ГИДРОТЕХНИЧЕСКИЕ СООРУЖЕНИЯ ГЭС

Глава 17. ГИДРОТЕХНИЧЕСКИЕ СООРУЖЕНИЯ.........................433
   17.1. Общая характеристика гидротехнических сооружений.....433
   17.2. Конструкции зданий ГЭС...............................435
   17.3. Плотины ГЭС..........................................444
   17.4. Силы, действующие на гидротехнические сооружения.....451
   Вопросы для самопроверки...................................456
Библиографический список к разделу 6..........................458
Раздел?. ВЫБОР ГИДРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ГЭС

Глава 18. ПРИНЦИПЫ РАЗВИТИЯ ГИДРОЭНЕРГЕТИКИ....................459
   18.1. Особенности создания новых гидроузлов в России........459
   18.2. Инвестиционные проблемы строительства новых ГЭС.......467
   Вопросы для самопроверки....................................471
Глава 19. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ, ОПРЕДЕЛЯЕМЫЕ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ГЭС.........................................473
   19.1. Стадии проектирования ГЭС.............................473
   19.2. Обоснование установленной мощности ГЭС................475

ОГЛАВЛЕНИЕ

480

   19.3. Обоснование выработки электроэнергии ГЭС.................
   19.4. Выбор отметки нормального уровня водохранилища НПУ и полезного объема водохранилища...............................
   19.5. Расчетная обеспеченность гарантированных параметров ГЭС по вытесняющей мощности и электроэнергии...............................
   Вопросы для самопроверки.......................................
Глава 20. ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ РАЗВИТИЯ ГИДРОЭНЕРГЕТИКИ..........
   20.1. Смета затрат на создание гидроэнергетической установки...
   20.2. Заменяемые водохозяйственные объекты.....................
   20.3. Коммерческая эффективность ГЭС...........................
   20.4. Оценка эффективности инвестиционных проектов.............
   Вопросы для самопроверки.......................................
Библиографический список к разделу 7..............................
ПРИЛОЖЕНИЯ
Приложение 1. Гидроэнергетика в мире..............................
Приложение 2. Гидроэнергетический потенциал рек России............
Приложение 3. Гидроэлектростанции России..........................
Приложение 4. Каскады ГЭС в России и Украине......................
Приложение 5. Краткие характеристики основных гидроэлектростанций России....
Приложение 6. Интересные факты....................................
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК КО ВСЕЙ КНИГЕ............................
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ..............................................
СЛАЙД-КОНСПЕКТ ПО ОСНОВНЫМ ВОПРОСАМ ГИДРОЭНЕРГЕТИКИ...............

482

486
489
491
491
500
503
509
518
520

521
525
535
543
549
570
575
578
585

       СПИСОК АББРЕВИАТУР                                         
АРС    Автоматика регулирования скорости                          
АСДУ   Автоматизированная система диспетчерского управления       
АСУТП  Автоматизированная система управления технологическим      
       процессом                                                  
АСУ    Автоматизированная система управления                      
АЭС    Атомная электростанция                                     
ВБ     Верхний бьеф                                               
ВЛ     Высоковольтная линия                                       
ВНИИЭ  Всесоюзный научно-исследовательский институт электроэнерге       тики                                                       
ВС     Водоподводящие сооружения                                  
ВХ     Водное хозяйство                                           
ВХК    Водохозяйственный комплекс                                 
Г      Генератор                                                  
ГАЭС   Гидроаккумулирующая электрическая станция                  
гг     Г идрогенератор                                            
ГОЭЛРО Государственная комиссия по электрификации России          
гтс    Гидротехнические сооружения                                
ГУ     Гидроузел                                                  
ГЭС    Г идроэлектростанция                                       
дг     Диспетчерский график                                       
дп     Динамическое программирование                              
ЕЭС    Единая энергетическая система                              
икн    Интегральная кривая нагрузки                               
к      Ковшовая турбина                                           
кпд    Коэффициент полезного действия                             
КЭС    Конденсационная тепловая электростанция                    
лог    Линия ограничения мощности по генератору для гидроагрегата 
лот    Линия ограничения мощности по турбине                      
лп     Линейное программирование                                  

СПИСОК АББРЕВИАТУР

ЛПР Лицо, принимающее решение                    
лэп Линия электропередачи                        
НА  Направляющий аппарат                         
НБ  Нижний бьеф                                  
НВИ Норма возврата инвестиций                    
НП  Напорный трубопровод                         
НП  Нелинейное программирование                  
НПВ Направленный перебор вариантов               
нпг Нормальный подпорный горизонт водохранилища  
НПУ Нормальный подпорный уровень                 
от  Отсасывающая труба                           
ОЭС Объединенная энергетическая система          
п   Пропеллерная турбина                         
пл  Поворотно-лопастная турбина                  
пэс Приливная электростанция                     
РЗ  Релейная защита                              
РК  Рабочее колесо                               
РО  Радиально-осевая турбина                     
РЭС Региональная энергетическая система          
САУ Система автоматического управления           
сг  Синхронный генератор                         
СК  Спиральная камера                            
т   Турбина                                      
ТЭК Топливно-энергетический комплекс             
тэо Технико-экономическое обоснование проекта    
ТЭС Тепловая электрическая станция               
УМО Уровень мертвого объема водохранилища        
ФПУ Форсированный подпорный уровень водохранилища
XX  Холостой ход турбины, гидроагрегата          
ш   Штрафы                                       
ээс Электроэнергетическая система