Планирование выработки электроэнергии гидроэлектростанций с учетом стокообразующих и атмосферных факторов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.08, кандидат технических наук Лобанов, Николай Юрьевич

• Лобанов, Николай Юрьевич
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Лобанов, Николай Юрьевич

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ ПЛАНИРОВАНИЯ ВЫРАБОТКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ГЭС.

1.1 Общее представление о выработке электрической энергии на гидроэлектростанциях.

1.2 Анализ применяемых методов планирования величины речного стока

1.3 Анализ методов водноэнергетических расчетов.

1.4 Использование математического моделирования, в водноэнергетических расчетах.

Выводы:.

2. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ПЛАНИРОВАНИЯ ВЫРАБОТКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ГЭС НА ОСНОВЕ УЧЕТА СТОКООБРАЗУЮЩИХ ФАКТОРОВ.

2.1 Математические модели методики планирования выработки электрической энергии ГЭС.

2.2 Постановка задачи.

2.3 Исследование влияния стокообразующих факторов на выработку электрической энергии на гидроэлектростанциях.

2.3.1 Постановка задачи.

2.3.2 Состав и источники данных.

2.3.3 Планирование выработки электрической энергии ГЭС на основе данных о величине запаса воды в снеге.

3 РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ПЛАНИРОВАНИЯ ВЫРАБОТКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ГЭС НА ОСНОВЕ УЧЕТА АТМОСФЕРНЫХ И СТОКОБРАЗУЮЩИХ ФАКТОРОВ.

3.1 Постановка задачи.

3.2 Планирование выработки электрической энергии на основе данных об атмосферных факторах.

-33.3 Исследование влияния стокообразующих и атмосферных факторов на выработку электрической энергии ГЭС.

3.4 Проверка адекватности регрессионной модели.

Выводы.

4. АПРОБАЦИЯ МЕТОДИКИ ПЛАНИРОВАНИЯ ВЫРАБОТКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ВО ВТОРОМ КВАРТАЛЕ НА ПРИМЕРЕ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ ВОЛЖСКО-КАМСКОГО КАСКАДА.

4.1 Апробация методики планирования выработки электрической энергии ГЭС на основе данных о стокообразующих факторах.

4.2 Апробация методики планирования выработки электрической энергии ГЭС на основе атмосферных факторов.

4.3 Апробация методики планирования выработки электрической энергии ГЭС на основе стокообразующих и атмосферных факторов.

4.4 Проверка адекватности регрессионной модели.

4.5 Применение регрессионной модели планирования выработки электрической энергии на примере ГЭС Волжско-Камского каскада.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Планирование выработки электроэнергии гидроэлектростанций с учетом стокообразующих и атмосферных факторов»

Гидроэлектростанции (ГЭС) являются одними из основных генерирующих установок, производящих электрическую энергию. Они обладают целым рядом особенностей, которыми объясняется особое внимание, уделяемое им как в мировой, так и в российской энергетике.

К особенностям гидроэлектростанций следует отнести [9]:

- использование возобновляемых источников энергии, что делает эти станции наиболее надежными и экономически эффективными;

- высокую маневренность оборудования и способность практически мгновенно принимать и сбрасывать нагрузку, что позволяет использовать гидроэлектростанции с большей эффективностью при покрытии переменной части графика нагрузки;

- низкую себестоимость электроэнергии, производимой на гидроэнергетических установках, которая объясняется как низкими эксплуатационными издержками, что связано с высоким уровнем автоматизации процесса производства электрической энергии, так и низким расходом электроэнергии на собственные нужды.

Объем выработки электроэнергии, производимой на гидроэлектростанциях, позволяет ежегодно экономить сотни млн. т. условного топлива и атмосферного кислорода, необходимого для сжигания этого топлива на тепловых электростанциях, тем самым предотвращать выбросы сотен млн.т. двуокиси углерода, десятки млн.т золы, серы, токсичных окислов азота, а также многих других вредных веществ [24, 33, 34].

Большинство гидроэлектростанций входят в состав двух систем -энергетической и водохозяйственной, каждая из которых обеспечивает развитие многих отраслей народного хозяйства [9, 29].

Роль гидроэнергетики особенно повысилась в связи с созданием Единой энергетической системы (ЕЭС) России и введением рыночных отношений в процесс производства, передачи и распределения электроэнергии.

Создание Федерального (общероссийского) оптового рынка электрической энергии (мощности) (ОРЭМ) существенным образом изменило место и роль гидроэлектростанций в энергетической системе и позволило наиболее полно реализовать их режимные преимущества [9].

Создание энергетических систем продиктовано технико-экономическими соображениями. Объединение в единую систему потребителей, имеющих различный характер спроса на электрическую энергию (промышленность, быт, транспорт), улучшает использование установленной мощности каждой электростанции. График суммарной нагрузки системы становиться в этом случае менее пиковым, что при снижении суммарного максимума нагрузки системы дает уменьшение капитальных вложений при строительстве новых электростанций и снижает себестоимость электрической энергии существующих электростанций.

Планирование выработки электрической энергии гидроэлектростанций представляет собой определение (предвычисление) с той или иной заблаговременностью объема выработки электроэнергии, основанное на знании закономерностей развития природных процессов, определяющих соответствующие явления в конкретных физико-географических условиях.

Потребность в различного рода гидрологических прогнозах возрастает с каждым годом по мере развития гидроэнергетики, водного хозяйства и транспорта, и в конечном итоге определяется особенностями режима рек, спецификой водохозяйственных систем и их целевым назначением.

Характер гидрологического режима и изменчивость его элементов связаны непосредственно с климатом и изменчивостью погодных условий на территориях речных бассейнов. В силу этого в гидрологии, в отличие от таких наук, как физика и химия, в основе развития которых лежали и лежат лабораторные эксперименты, приходиться использовать данные практических гидрометеорологических наблюдений. Ограниченные возможности постановки таких наблюдений связанны со сложностью, неравномерностью и изменчивостью природных процессов и многообразием физико-географических условий. Они являются главной причиной того, что, имея, в принципе, правильное физическое представление о гидрологических процессах в целом, гидрология пока не может дать достаточно полного математического описания этих процессов и рассчитывать их с высокой степенью точности [68, 69, 89].

Основные метеорологические элементы (осадки, температура воздуха, атмосферное давление) в определенных масштабах времени носят характер стохастических переменных и обуславливают аналогичный характер зависящих от них гидрологических характеристик. Это, бесспорно, отражается на методологии и возможностях гидрологических прогнозов и обуславливает существенную роль в них элементов вероятности.

Все переменные факторы, определяющие речной сток, его распределение во времени и другие элементы водного режима рек и озер с точки зрения возможностей прогноза делятся на две категории [68]: а) Известные (начальные) факторы, которые определяют уже сложившиеся к моменту выпуска прогноза условия в речном бассейне и могут с той или иной степенью точности быть определены или оценены по данным гидрометеорологических наблюдений. б) Неизвестные (будущие) метеорологические факторы, влияние которых сказывается в течение периода заблаговременности прогнозов, и вносят в них большую или меньшую неопределенность.

Отсюда следует, что практические возможности долгосрочных прогнозов стока и других элементов водного режима, а также других, зависящих от данных элементов характеристик, существенно различны в различных климатических условиях и зависят, в конечном счете, от степени влияния на сток метеорологических условий за период заблаговременности прогноза. Чем меньше влияние неизвестных на момент выдачи прогноза факторов, тем меньше обусловленная ими неопределенность и тем больше возможность для гидрологических прогнозов, и наоборот.

Уровень влияния будущих условий погоды является отнюдь не единственным фактором, определяющим практическую возможность долгосрочных прогнозов стока и других, зависящих от стока, элементов [68].

Природа гидрологических процессов такова, что не только оправдывает, но и требует использования методов математической статистики и теории вероятностей при разработке и оценке эффективности практических приемов прогнозов, а также вероятностного выражения этих прогнозов [30, 50, 57,68]. Значение величины погрешностей и распределение их вероятности определяет ту максимальную заблаговременность прогнозов, при которой последние не утрачивают своей практической значимости.

Себестоимость электрической энергии, вырабатываемой ГЭС, значительно ниже, чем на тепловых (ТЭС) и атомных (АЭС) электростанциях. Это объясняется более высокой производительностью труда при эксплуатации, отсутствием затрат на добычу и транспортировку топлива, меньшим потреблением электроэнергии на собственные нужды, низким процентом амортизационных отчислений и меньшими затратами на ремонт электрооборудования. Вместе с тем, себестоимость электрической энергии ГЭС зависит от характера водности года. Чем ниже водность года, тем выше себестоимость вырабатываемой электроэнергии. Кроме того, повышение экономичности работы энергетических систем обусловлено не только низкой себестоимостью вырабатываемой ГЭС электроэнергии, но и снижением удельных расходов топлива на тепловых электростанциях, для которых при наличии ГЭС и ГАЭС обеспечивается более равномерный, а значит, более экономичный режим работы ТЭС.

Актуальность темы диссертации связана с необходимостью заблаговременного определения выработки электрической энергии гидроэлектростанций страны для повышения экономичности работы энергетических систем и снижения удельных расходов топлива на тепловых электростанциях.

Экономически, в условиях рыночных отношений, проблема рационального использования энергоресурсов, за счет более раннего получения прогноза выработки электроэнергии ГЭС приобретает особо важное значение.

Целью исследования является разработка методики долгосрочного планирования выработки электрической энергии гидроэлектростанций на второй квартал.

Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи исследований:

- провести анализ существующих методов планирования выработки электрической энергии ГЭС;

- разработать методику планирования выработки электрической энергии на основе стокообразующих факторов в виде запаса воды в снежном покрове и атмосферных факторах, а именно особенностей атмосферной циркуляции давления (величины геопотенциала) на уровнях Н=100мб и Н=500мб;

- апробировать методику планирования выработки электрической энергии ГЭС, на примере планирования выработки электроэнергии ГЭС Волжско-Камского каскада (ВКК) на второй квартал.

Объектами исследований являются девять наиболее мощных гидроэлектростанций Волжско-Камского каскада (ВКК):

Рыбинская ГЭС, Нижегородская ГЭС, Чебоксарская ГЭС, Жигулевская ГЭС, Саратовская ГЭС, Волгоградская ГЭС, Камская ГЭС, Боткинская ГЭС, Нижнекамская ГЭС.

Для решения поставленных задач исследования проводились в следующих направлениях:

- анализ существующих типов прогнозов и используемых методик планирования выработки электроэнергии ГЭС;

-9- анализ имеющихся данных о стокообразующих факторах и гидрометеорологических условиях, и их связь с выработкой электрической энергии ГЭС;

- разработка методики планирования выработки электрической энергии ГЭС на второй квартал на основе данных о запасе воды в снеге и особенности атмосферной циркуляции давления.

- количественная оценка отклонения планируемой по предлагаемой методике величины выработки электроэнергии ГЭС Волжско-Камского каскада, от ее фактического значения во втором квартале.

Научная новизна. В работе реализован переход от существующих методик планирования выработки электрической энергии ГЭС на основе гидрологических характеристик к планированию выработки электроэнергии ГЭС на основе, определяющих речной сток, данных о запасе воды в снежном покрове и особенности атмосферной циркуляции давления.

Практическое значение работы заключается в обеспечении надежного использования топливо- и энергетических ресурсов и баланса электрической энергии страны за счет планирования выработки электрической энергии ГЭС с максимальной заблаговременностью.

Достоверность полученных результатов работы базируется на большом объеме исходной информации и корректном использовании апробированных методов моделирования, а также методов проведения натурных исследований, и подтверждается согласованностью результатов, полученных с помощью расчетных моделей с материалами независимых фактических наблюдений.

Апробация результатов исследований на разных этапах работы проведена на следующих конференциях и семинарах: на XI Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика", МЭИ, Москва, 2005 г. на XII Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика", МЭИ, Москва, 2006 г. на XIII Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика", МЭИ, Москва, 2007 г.

Диссертационная работа выполнена на кафедре «Нетрадиционных и возобновляемых источников энергии» Московского энергетического института (технического университета) и нашла отражение в опубликованных автором статьях и докладах. По теме диссертации опубликовано 3 печатные работы.