Основы расчетов гидроэнергетических режимов ГЭС в энергосистеме

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ 
__________________________________________________________________________ 
 
 
 
 
 
 
 
 
ОСНОВЫ РАСЧЕТОВ  
ГИДРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ  
РЕЖИМОВ ГЭС  
В ЭНЕРГОСИСТЕМЕ 
 
 
Утверждено Редакционно-издательским советом университета 
в качестве учебного пособия 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
НОВОСИБИРСК 
2020 

УДК 621.311.21(075.8) 
О-753 
Коллектив авторов: 
Ю.А. Секретарев, А.А. Жданович, С.В. Митрофанов, В.Г. Шальнев  
 
Рецензенты: 
д-р техн. наук, профессор В.М. Левин 
д-р техн. наук, профессор А.Г. Русина 
 
О-753  
Основы расчетов гидроэнергетических режимов ГЭС в энергосистеме: учебное пособие / коллектив авторов. – Новосибирск: Изд-во 
НГТУ, 2020. – 228 с.  
ISBN 978-5-7782-4229-6 
Дисциплина «Гидроэнергетика» направлена на формирование профессиональной подготовки студентов, магистров и аспирантов по направлению 
13.04.02 «Электроэнергетика и электротехника» в соответствии с Федеральным государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования. 
Учебное пособие предназначено для изучения методов и принципов водно-энергетических расчетов оптимальных режимов работы гидроэлектростанции в составе электроэнергетической системы. 

УДК 621.311.21(075.8) 
 
Секретарев Юрий Анатольевич 
Жданович Анастасия Александровна 
Митрофанов Сергей Владимирович 
Шальнев Виктор Георгиевич 
 
ОСНОВЫ РАСЧЕТОВ ГИДРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ ГЭС  
В ЭНЕРГОСИСТЕМЕ 
 
Учебное пособие  
 
Редактор И.Л. Кескевич 
Выпускающий редактор И.П. Брованова 
Корректор И.Е. Семенова 
Дизайн обложки А.В. Ладыжская 
Компьютерная верстка С.И. Ткачева 
Налоговая льгота – Общероссийский классификатор продукции 
Издание соответствует коду 95 3000 ОК 005-93 (ОКП) 

Подписано в печать 28.08.2020. Формат 60  84 1/16. Бумага офсетная. Тираж 50 экз.  
Уч.-изд. л. 13,25. Печ. л. 14,25. Изд. № 167/19. Заказ № 757. Цена договорная 

Отпечатано в типографии 
Новосибирского государственного технического университета 
630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20 
 
ISBN 978-5-7782-4229-6 
© Коллектив авторов, 2020 
 
© Новосибирский государственный 
 
технический университет, 2020 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
Введение ..................................................................................................................................................... 5 
1. Оценка потенциальных ресурсов рек ............................................................................................ 7 
1.1. Основные сведения для оценки потенциальных ресурсов рек ................................................. 7 
1.2. Пример определения потенциальных ресурсов реки ............................................................... 10 
2. Кривая обеспеченности стока реки ............................................................................................... 13 
2.1. Основные сведения о гидрологических характеристиках стока реки ................................... 13 
2.2. Пример построения кривой обеспеченности расходов воды по статистическим 
наблюдениям ................................................................................................................................ 17 
3. Роль ГЭС в суточном балансе нагрузки ЭЭС ............................................................................. 19 
3.1. Особенности суточных графиков нагрузки ЭЭС ..................................................................... 19 
3.2. Построение интегральной кривой нагрузки ЭЭС ..................................................................... 21 
3.3. Размещение ГЭС в суточном графике нагрузки ЭЭС .............................................................. 21 
3.4. Пример определения режимов работы ГЭС в суточном балансе энергосистемы ................... 28 
3.5. Пример задачи на определение места ГЭС в суточном графике нагрузки гидротепловой энергосистемы и размещения резервов .................................................................... 33 
4. Определение оптимальной глубины сработки водохранилища и его полезного 
объема .................................................................................................................................................. 35 
4.1. Основные сведения о режимах работы ГЭС годового регулирования водохранилища ............................................................................................................................................... 35 
4.2. Основные положения методики расчета оптимальной глубины сработки  
водохранилища годового регулирования ................................................................................. 37 
4.3. Пример расчета оптимальной глубины сработки водохранилища ........................................ 39 
5. Водно-энергетический расчет ГЭС годового регулирования при заданном  
расходе воды в нижний бьеф .......................................................................................................... 43 
5.1. Основные сведения о водно-энергетических расчетах ............................................................ 43 
5.2. Пример водно-энергетического расчета режима работы ГЭС годового  
регулирования при заданном расходе воды в нижний бьеф .................................................. 46 
6. Водно-энергетический расчет ГЭС годового регулирования при заданной  
энергоотдаче ....................................................................................................................................... 49 
6.1. Особенности водно-энергетического расчета ГЭС при заданных гарантированных 
мощностях ..................................................................................................................................... 49 
6.2. Пример водно-энергетического расчета ГЭС годового регулирования на гарантированную отдачу .......................................................................................................................... 50 
7. Определение рабочей мощности ГЭС суточного регулирования .......................................... 55 
7.1. Особенности ГЭС суточного регулирования стока ................................................................. 55 
7.2. Определение параметров ГЭС с суточным регулированием стока ....................................... 56 
8. Напорные характеристики русловой и деривационной ГЭС ................................................. 61 
8.1. Основные сведения о типах ГЭС и особенностях их напорных характеристик .................. 61 
8.2. Пример построения напорных характеристик ГЭС ................................................................. 69 
9. Энергетические характеристики гидроагрегатов и ГЭС ........................................................ 71 
9.1. Основные сведения о характеристиках гидротурбин .............................................................. 71 
9.2. Пример построения энергетических характеристик гидротурбины и гидростанции .......... 77 

10. Натурные энергетические испытания гидроагрегатов и построение их характеристик ................................................................................................................................................ 79 
10.1. Определение КПД турбины....................................................................................................... 79 
10.2. Измерение расхода ..................................................................................................................... 80 
10.3. Измерение напора ....................................................................................................................... 87 
10.4. Тарировка постоянных расходомеров...................................................................................... 87 
10.5. Пример построения натурных энергетических характеристик с помощью физической модели гидротурбины ...................................................................................................... 89 
11. Гидросиловое оборудование ГЭС ................................................................................................ 94 
11.1. Реактивные турбины .................................................................................................................. 95 
11.2. Активные турбины ..................................................................................................................... 98 
11.3. Явление кавитации и меры борьбы с ней .............................................................................. 102 
11.4. Отсасывающая труба ................................................................................................................ 107 
11.5. Гидрогенераторы ...................................................................................................................... 112 
11.6. Расчет турбины и генератора .................................................................................................. 113 
12. Диспетчерcкое регулирование водохранилища ..................................................................... 122 
12.1. Основные сведения о диспетчерском регулировании водохранилищ ............................... 122 
12.2. Диспетчерский график для периода сработки водохранилища .......................................... 124 
12.3. Диспетчерский график для периода наполнения водохранилища ..................................... 127 
12.4. Использование избыточной приточности при диспетчерском регулировании ................ 129 
12.5. Диспетчерское регулирование при сработке водохранилища в крайне маловодные годы .................................................................................................................................... 135 
12.6. Диспетчерское регулирование при наполнении водохранилища ...................................... 141 
12.7. Полный диспетчерский график ............................................................................................... 144 
12.8. Диспетчерское многолетнее регулирование ......................................................................... 150 
12.9. Пример построения полного диспетчерского графика ГЭС с годовым регулированием водохранилища ........................................................................................................... 154 
Заключение ............................................................................................................................................. 155 
ПРИЛОЖЕНИЯ ..................................................................................................................................... 156 
Приложение 1 ......................................................................................................................................... 156 
Приложение 2 ......................................................................................................................................... 158 
Приложение 3 ......................................................................................................................................... 188 
Приложение 4 ......................................................................................................................................... 196 
Приложение 5 ......................................................................................................................................... 198 
Приложение 6 ......................................................................................................................................... 200 
Приложение 7 ......................................................................................................................................... 203 
Приложение 8 ......................................................................................................................................... 206 
Приложение 9 ......................................................................................................................................... 211 
Приложение 10....................................................................................................................................... 226 
Библиографический список ................................................................................................................. 228 

ВВЕДЕНИЕ 
 
Современную электроэнергетику России трудно представить без 
гидроэлектростанций (ГЭС). В настоящее время на территории России 
насчитывается 102 рабочие ГЭС мощностью более 100 МВт. Установленная мощность всех рабочих ГЭС составляет более 45 млн кВт. При 
этом в год вырабатывается 165 млрд кВт ч.

 С этими показателями 
Россия занимает пятое место в мире. 
Кроме того, бесспорное преимущество гидроресурсов в том, что 
они являются возобновляемым, т. е. неисчерпаемым, источником энергии. Поэтому с уверенностью можно сказать, что развитие и поддержка гидроэнергетических систем – приоритетная задача любого государства. Все это объясняет интерес к вопросам, касающимся современных ГЭС и их элементов. 
Все крупные гидроэлектростанции в России и мире уникальны, поэтому при их проектировании типовой подход невозможен. В первую 
очередь, это связано с тем, что реки, на которых они возводятся, имеют уникальные свойства, уникален также и ландшафт местности. 
Представляемое учебное пособие предназначено для углубленного 
изучения методов и принципов водно-энергетических расчетов (ВЭР) 
оптимальных режимов работы ГЭС в составе электроэнергетической 
системы (ЭЭС) и овладения ими. 
В пособии рассматриваются следующие вопросы гидроэнергетики: 
 теоретические основы и методики определения потенциальных 
ресурсов рек; 
 построение и использование кривых обеспеченности для определения одного из основных показателей ГЭС  вероятности появления 
того или иного значения расхода воды в створе; 
 построение интегральных кривых нагрузки (ИКН) ЭЭС для выбора установленной мощности ГЭС на стадии определения ее проектных параметров; 

 методика построения напорных характеристик плотинных и деривационных станций; 
 проведение водно-энергетических расчетов ГЭС с водохранилищем годового регулирования при различных требованиях ЭЭС к ее 
режимам работы; 
 принципы построения оптимальных энергетических характеристик ГЭС для решения оптимизационных задач; 
 основы и способы водно-энергетических расчетов ГЭС с годовым и суточным регулированием водохранилищ; 
 выбор оптимальной величины полезной емкости водохранилища 
для определения горизонта его мертвого объема; 
 методы и способы диспетчерского регулирования водохранилищ 
ГЭС различной емкости; 
 выбор параметров турбин и их технико-экономическое обоснование. 
Изложение теоретического материала иллюстрируется примерами 
и рисунками. Все разделы учебного пособия сопровождаются примерами решения задач, что дает студентам навыки выполнения практических инженерных расчетов по рассмотренным теоретическим разделам. 
 

1. ОЦЕНКА ПОТЕНЦИАЛЬНЫХ РЕСУРСОВ РЕК 

1.1. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ДЛЯ ОЦЕНКИ  
ПОТЕНЦИАЛЬНЫХ РЕСУРСОВ РЕК 

Место строительства гидроэлектростанции выбирается на основе 
оценки потенциальных ресурсов реки в различных ее участках. 
При оценке гидроэнергетического потенциала рек принято различать: 
 теоретический потенциал (потенциальные энергетические ресурсы реки), т. е. суммарный энергетический потенциал речного стока; 
 технический потенциал – часть теоретического потенциала, которая на современном уровне развития науки и техники может быть 
использована для строительства гидроэлектростанций; 
 экономический потенциал – часть технического потенциала, использование которой экономически целесообразно. 
При выборе места строительства гидроэлектростанции в первую 
очередь производится оценка потенциальных ресурсов реки на различных ее участках. Потенциальные энергетические ресурсы рек – это 
мощность и энергия потока. 
Определению потенциальных энергоресурсов каждой реки предшествует составление ее водного кадастра, включающего общее описание реки, имеющиеся исходные данные по гидрометрии, гидрологии, 
топографии и пр.  
Потенциальные энергетические ресурсы реки могут быть получены 
на основе уравнения Бернулли – одного из основных уравнений в гидравлике. 
Выделим участок реки, заключенный между двумя створами 1 и 2, 
как это показано на рис. 1.1. 
 

Рис. 1.1. Сечение реки 

В соответствии с указанным уравнением потенциальная валовая 
энергия водотока (кВт ч ,)

 теряемая потоком жидкости W 
3
(м )  на 
участке 
1 2,
L 
 равна разности энергий 
1
Э  и 
2
Э :  

 



2
2
1
2
1 1
2 2
1 2
1
2
1
2
Э
Э
Э
,
2
p
p
v
v
gW
z
z
g
g
g





 




 



















 (1.1) 

где   – плотность жидкости 
3
(кг/м ); g  – ускорение свободного паде
ния 
2
(м/с );  z  – удельная энергия положения (м), измеряемая высотой 
расположения центра тяжести сечения водотока над уровнем моря; 

p
g

 – удельная потенциальная энергия давления (м) при избыточном 

давлении (Па); 

2

2
v
g


 – удельная кинетическая энергия жидкости (м) 

при  – коэффициенте Кориолиса. 
 

1

1

P1
pg

P2
pg

2

2

1v1
2g

2

2v2
2g

2

0
0

Qp

Z1

Z2

H 12

Lp

Z1

Z2

Плоскость отсчета

V 1

V 2

Lp

На основе уравнения Бернулли рассчитывают многие энергетические характеристики, например: 
 напор – это удельная потенциальная энергия положения, численно равная падению уровней водотока (м): 

 
1
2.
H
z
z


 
(1.2) 

 мощность – это работа, совершаемая потоком текущей воды в 
течение одной секунды (кВт). 
 расход – величина потока жидкости в створе в течение одной секунды. Этот параметр может быть выражен через объем стока в единицу времени либо на основе скорости потока воды, проходящего через сечение створа: 

 
1
1
,
W
Q
Sv
t


 
(1.3) 

где 
1
Q  – расход воды через створ, 
3
м /с;  S – сечение створа; v – скорость потока воды в створе, м/с. 
Расход в реке на протяжении всего русла увеличивается при приближении к устью в результате бокового притока впадающих в реку 
ручьев и речек, осадков и т. д. Следовательно, для получения его приближенного значения на участке реки используется среднее между 

створами 1 и 2 значение 
3
(м /с):  

 
1
2
1 2
.
2
Q
Q
Q 



 
(1.4) 

После некоторых упрощений уравнение Бернулли может быть преобразовано в уравнение мощности и примет вид 

 
1 2
1 2
Э
,
N
gQH
t

 

 
(1.5) 

Учтем, что при 
3
1000 кг/м ;
 
 
2
9,81 м/с
g 
 формула (1.5) примет 
вид
 
 
1 2
9,81
.
N
QH
 
 
(1.6) 

В выражении (1.6) 
1 2
N   измеряется в киловаттах. 
Поскольку участки могут иметь разную длину, не всегда можно 
определить оптимальный участок, используя полученные значения 
напора, расхода и мощности. В этих случаях для сравнения вариантов 
удобно использовать величину удельной мощности потока на участке 
реки, т. е. мощности, приходящейся на единицу длины реки (кВт/км). 
Удельная мощность вычисляется по формуле 

 
1 2
1 2уд
.
N
N
l



 
(1.7) 

Энергия водотока (кВт
)
ч

 на участке реки за определенный период времени рассчитывается по формуле: 

 
1 2
1 2
Э
,
N
T



 
(1.8) 

где T – соответствующий период времени, ч. 
Полученные параметры на различных участках характеризуют количественную оценку распределения валового потенциала реки и могут быть использованы для выявления наиболее богатых гидроресурсами участков. Такие участки представляют наибольший интерес для 
строительства ГЭС. 
Для того чтобы познакомиться с основными гидрологическими и 
гидрографическими характеристиками рек, а также научиться определять оптимальный для строительства ГЭС створ реки на основе полученных данных, рассмотрим в качестве примера следующую задачу.  

1.2. ПРИМЕР ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОТЕНЦИАЛЬНЫХ  
РЕСУРСОВ РЕКИ 

Первым этапом решения любой задачи является сбор информации 
о гидрологических и гидрографических характеристиках реки, на основе 
которых рассчитывается напор на каждом участке реки с помощью 

формулы (1.2), а также средние значения расхода для каждого участка 
с помощью формулы (1.4). 
Полученные значения могут быть использованы для расчета мощности потока на каждом участке с помощью формулы (1.6) и определения удельной мощности по формуле (1.7). 
Объем энергии потока на каждом участке за годовой интервал времени может быть найден с помощью формулы (1.8). 
Для удобства обработки и анализа полученных результатов все вычисления могут быть сведены в табличную форму. Примером такой 
формы может служить представленная таблица. 

Параметры кадастрового графика 

Параметр 

Номер створа 

1 
2 
3 
4 
5 
6 
7 
8 
9 
10 

,  м
Z
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

3
, м /с
Q
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Номер участка 

Параметр 
1–2 
2–3 
3–4 
4–5 
5–6 
6–7 
7–8 
8–9 
9–10 

, км
L
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

,  м
H
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

3
уч, м /с
Q
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

,  кВт
N
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

уд, кВт/км
N
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Э, МВт ч

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

Рис. 1.2. Кадастровый график потенциальных энергоресурсов реки 

Полученные значения принято изображать в виде кадастрового 
графика, т. е. графического представления гидроэнергетических ресурсов реки: 
(
,)
Z
f L

 
(
,)
Q
f L

 
уд
),
(
N
f L

 Э
( )
f L

 (рис. 1.2).