|
Рабочая зона характеристики
гидроагрегата ограничена следующими линиями-ограничениями: /.о по
максимальной высоте подачи в насосных режимах; 2—3 — по максимальной мощности
генератора в двигательных режимах; 3—4 — по пропускной способности агрегата в
насосных режимах; 4—5'— по пропускной способности агрегата в турбинных
режимах; 5—-6 — по максимальном мощности генератора в генераторных режимах; 6
— 7 — по максимальному напору в турбинных режимах; 1—7 — по минимальному
расходу агрегата.
На характеристике нанесены также линии максимальной
мощности
турбины (8—5) и линии нулевой мощности агрегата при
синхронной частоте вращения (13—8—4).
Шеститактный приливный капсульный гидроагрегат может
находиться в одном из следующих состояний:
а) агрегат остановлен; механизмы, регулирующие
расход воды (лопасти и направляющий аппарат), закрыты;
б) агрегат под нагрузкой и вращается с синхронной
частотой в положительном направлении (режим ПТ или ОН в зависимости от того,
вырабатывается или потребляется при этом электр оэнер ги я);
в) агрегат под нагрузкой и вращается с синхронной
частотой в отрицательном направлении (режим ОТ или ПН);
г) агрегат не под нагрузкой и вращается с
частотой, зависящей от разности уровней воды по обе стороны плотины (холостой
пропуск через турбинный тракт); направляющий аппарат полностью открыт,
лопасти развернуты вдоль потока.
В каждый момент времени режим работы ПЭС определен, если
известны: открытие затвора каждого водопропускного отверстия; состояние
каждого агрегата ПЭС в соответствии с п. «а» — «г»; угол разворота лопастей и
открытие направляющего аппарата каждого из агрегатов; уровни моря и бассейна
у плотины. Этих данных достаточно для однозначного определения режима работы
ПЭС в каждый данный момент, характеризуемого расходом, проходящим через
водопропускные отверстия, расходом агрегатов ПЭС и их мощностью.
Расчет водно-энергетического режима ПЭС сводится к
получению гра- фика ее мощности за расчетный период времени Т. Если график
должен удовлетворять некоторому критерию оптимальности, то говорят о расчете
оптимального водно-энергетического ре- уКима ПЭС.
При проведении водно-энергетического расчета для
назначения текущего эксплуатационного режима ПЭС требуется также получение
графика изменения во времени управляющих параметров станции — положения
затворов водопропускных отвеостий и регулирующих органов агрегатов. Иногда
нужно получить также и график изменения во времени расхода через створ ПЭС и
уровня воды в бассейне, например для анализа условий судоходства.
При проектировании на основе расчетов оптимальных
водно-энергетических режимов экономически обосновываются параметры ПЭС: ее
створ, тип, диаметр, частота вращения и заглубление турбины, мощность
генератора, число агрегатов, тип и число водопропускных отверстий,
максимальный и минимальный допустимые уровни воды в бассейне, годовая отдача
ПЭС, ее вытесняющая мощность и пр.
Режимы ПЭС должны рассматриваться в условиях работы
параллельно с традиционными электростанциями. Хотя ПЭС и не может
генерировать мощность непрерывно, она все же способна выдавать
гарантированную пиковую мощность, т. е. часть ее установленной мощности не
требует дублирования. Приспособить режим генерирования ПЭС к режиму
потребления при выдаче пиковой мощности удается лишь благодаря использованию
насосных режимов. Когда от ПЭС не требуется обязательного участия в покрытии
пика графика нагрузки, использование насосных режимов может существенно
увеличить ее отдачу.
Условимся считать, что ПЭС работает в базисном режиме,
если к ней не предъявляется требование обязательного участия в покрытии пиков
графика нагрузки; периоды времени, в которые ПЭС работает в базисном режиме,
есть базисные периоды работы ПЭС.
Периоды времени, в которые к режиму ПЭС предъявляется
требование обязательного участия в покрытии пиков графика нагрузки, — пиковые
периоды раооты, а режим, в котором она работает в эти периоды, — пиковый
режим. График нагрузки, который ПЭС должна обязательно покрывать при работе в
пиковом режиме,— пиковый график нагрузки ПЭС.
ПЭС представляет собой сложный энергетический объект,
специфический по характеру используемой природной энергии. Для расчета водно-
энергетического режима ПЭС потребовалась разработка методов, учитывающих
особенности , использования энергии приливов.
Первые методы водно-энергетического расчета ПЭС были
предложены относительно давно, когда еще не существовало средств
вычислительной техники или они не получили широкого распространения. Ручные
расчеты позволяли лишь ориентировочно определять возможную отдачу ПЭС и ее
мощность на самых ранних стадиях проектирования, когда в распоряжении
проектировщиков нет достаточной информации для применения более совершенных
методов, например, при кадастровой оценке приливного бассейна.
Практические задачи проектирования ПЭС потребовали
разработать более совершенные методы, позволяющие учесть реальные
характеристики ее оборудования и сооружений.
Появлению этих методов наука об использовании приливной
энергии обязана прежде всего трудам выдающегося французского ученого Жибра,
который начал учитывать в режимных расчетах ПЭС характеристики ее агрегатов и
топографическую характеристику бассейна. Для решения этой задачи Жибра
применил классические методы вариационного исчисления и относительно строго
решил задачу для случая ПЭС одностороннего действия с турбинной и насосной
работой.
Для получения соотношений, определяющих начало и конец
турбинного и насосного режимов (эти соотношения в теории вариационного
исчисления названы условиями трансверсальности), Жибра вынужден был
предположить, что на ПЭС отсутствуют ограничения по максимальному напору в
турбинном режиме, по максимальной высоте подачи насосов, а также по
максимальному и минимальному уровням воды в бассейне.
В вычислительном плане разработанный Жибра метод
представляет собой численное решение системы нелинейных дифференциальных
уравнений, причем одновременное выполнение условий трансверсальности в начале
и конце экстремалей для каждого из режимов ПЭС (турбинного и насосного)
достигается подбором. Таким образом, Жибра получил решение задачи для случая
односторонней работы ПЭС при работе ее в базисном режиме. Это решение
справедливо при условии, что ограничения, которыми он пренебрег, не
достигаются.
Однако для решения задачи оптимизации режима ПЭС
двустороннего действия применение вариационных методов становится
затруднительным. Основная проблема, которая здесь возникает, это получение
условий трансверсальности в конце каждого возможного режима работы ПЭС,
поскольку при их выводе необходимо учитывать ее режим работы за весь
последующий период регулирования.
Для случая ПЭС двустороннего действия с турбинной и
насосной работой Жибра предложил так называемые «циклы использования
приливной энергии»]. В течение одного прилива турбина может совершить два
турбинных и два насосных такта, и число теоретически возможных циклов равно
числу сочетаний из четырех тактов, т. е. 24 = 16; для двух приливов число
циклов возрастает до 162 = = 256. Жибра проанализировал двух- приливные циклы
и дал оценку трех- приливных. Это позволило ему высказать некоторые
рекомендации, облегчающие приобретение интуиции, необходимой для назначения
более или менее разумного режима работы ПЭС. Благодаря анализу этих циклов,
получивших название циклов Жибра, ему удалось продемонстрировать возможность
исключительно гибкой эксплуатации в энергосистеме ПЭС двустороннего действия
с ше- ститактными агрегатами. Вместе с тем построение различных циклов
эксплуатации ПЭС, подчиненных условиям, не вытекающим непосредственно из
принципа наибольшей экономичности, не может быть положено в основу строгого
решения, ибо нет никакой уверенности, что среди рассмотренных циклов окажется
наивыгоднейший или близкий к таковому. Поэтому нужно ставить задачу не о
выборе наивыгоднейшего цикла из числа возможных, а о непосредственном
отыскании наиболее экономичного режима.
Жибра четко показал необходимость использования для
решения задачи расчета оптимальных режимов работы ПЭС строгих математических
методов. Расчеты, выполненные в 40-х годах, а опубликованные в 50-х (в
русском переводе в 1964 г.), основывались на том уровне развития математики и
средств вычислительной техники, который был достигнут к тому времени.
Благодаря появлению ЭВМ и их развитию в последние
десятилетия было разработано большое количество новых методов решения задач
оптимизации, получивших общее название методов математического
программирования. Это сразу же привлекло внимание и специалистов,
занимающихся вопросами оптимизации водно-энергетических режимов ПЭС.
Среди разработанных в настоящее время методов
математического программирования нет такого универсального, который бы во
всех случаях давал наилучшие результаты. Для решения задачи оптимизации
водно- энергетических режимов ПЭС в наибольшей степени подходят различные
модификации метода динамического программирования, разработанного Беллманом.
Этот метод применяется и для назначения оптимальных режимов эксплуатируемых
ПЭС, и в практике проекти- рования мощных ПЭС в СССР , Канаде и
Великобритании
|