Riadenie prevádzky Vodnej elektrárne Gabčíkovo

Základným cieľom pri riadení Vodnej elektrárne Gabčíkovo je optimálne využitie hydroenergetického potenciálu rieky Dunaj na pokrytie požiadaviek diagramu hodinového nasadenia výkonov. Súčasne sa musia zabezpečiť všetky ostatné funkcie Vodného diela Gabčíkovo a rešpektované obmedzenia, ktoré vyplývajú z jeho viacúčelovosti a hierarchie dôležitosti plnenia jednotlivých funkcií tak, ako sú stanovené v manipulačnom poriadku. Medzi tieto funkcie patria napríklad bezpečné prepúšťanie veľkých vôd, zaistenie odberov do starého koryta a zabezpečenie medzinárodnej plavby.

Regulačné energetické funkcie Vodnej elektrárne Gabčíkovo (ďalej VEGA), t. j. znižovanie a zvyšovanie výkonu VE na základe požiadaviek energetického systému, možno uplatniť len obmedzene, pretože nie je realizovaná vyrovnávacia nádrž Vodného diela Nagymaros.

VD Nagymaros malo okrem vyrovnania špičkového odtoku z VEGA zabezpečovať vzdutím hladiny Dunaja aj parametre plavebnej dráhy v úseku Dunaja pod Stupňom Gabčíkovo. Dôsledkom nedobudovania Sústavy vodných diel Gabčíkovo – Nagymaros (ďalej SVD G-N) je to, že parametre plavebnej dráhy (najmä hĺbka vody v plavebnej dráhe) sú priamo ovplyvnené manipuláciou s prietokmi na VEGA. Manipulácia s prietokmi na VEGA nesmie spôsobiť zníženie plavebných hĺbok pod limitné hodnoty stanovené predpismi; v čase výskytu nízkych prietokov na Dunaji nesmie VEGA manipuláciou s prietokmi zmenšiť aktuálne hlásené hodnoty plavebných hĺbok.

Z hľadiska nebezpečenstva poklesu hladiny v plavebnej dráhe sú kritické úseky brodov, t. j. úseky, na ktorých sú najmenšie hodnoty plavebnej hĺbky. Z dôvodu bezpečnosti plavebnej prevádzky je preto nevyhnuté poznať vplyv regulačnej prevádzky VEGA na prietokový a hladinový režim na tomto úseku. Na optimalizáciu regulačných funkcií VEGA a vzhľadom na plánované zmeny v dočasnom manipulačnom poriadku Vodného diela Gabčíkovo (ďalej VDGA) sa vyvinul a v roku 2011 na dispečingu Slovenských elektrární, a. s., (závod Vodné elektrárne v Trenčíne) implementoval nový softvérový program – hydromodel na optimálne riadenie prevádzky VEGA (ďalej hydromodel). V porovnaní s doteraz používaným modelom umožňuje tento hydromodel komplexnejšie a efektívnejšie plánovať a využívať regulačné funkcie VEGA, a to aj vďaka optimalizácii prevádzky VEGA s ohľadom na zaistenie dostatočných parametrov plavebnej dráhy medzinárodnej dunajskej vodnej cesty. Cieľom tohto príspevku je opísať funkcie a princípy nového hydromodelu.

Základné funkcie hydromodelu
Z hľadiska spôsobu hospodárenia s vodou je VE Gabčíkovo elektráreň s dennou reguláciou prietokov vykonávanou pomocou objemu zdrže Hrušov. Je riadiacou vodnou elektrárňou systému elektrární, ku ktorému ešte patria VE Čunovo, MVE Mošoň a MVE Gabčíkovo S VII. Ich prevádzku priamo ovplyvňuje prevádzka VE Gabčíkovo (obr. 1). Hydromodel obsahuje tieto hlavné funkcie:

• spracovávanie hydrologických vstupov a modelovanie hydraulických stavov a hy­draulických väzieb na VDGA,
• navrhovanie plánu výkonov na VEGA, VE Čunovo, MVE Mošoň a MVE S VII na prípravu prevádzky so zohľadnením ich regulačnej rezervy, respektíve preverenie reálnosti vopred zadaného nasadenia hodinových výkonov s prípadným určením prebytkov alebo nedostatkov hydroenergetického potenciálu,
• preverenie, či navrhnutá prevádzka VDGA rešpektuje zabezpečenie plavebných podmienok pod Stupňom Gabčíkovo v zmysle dočasného manipulačného poriadku pre SVD G-N, akt. VIII z mája 2010.

Obr. 1 Schéma VD Gabčíkovo

Hlavné vstupy hydromodelu sú:

• hydroprognóza v profile Devín,
• požadované hodnoty ocenenia vyrobenej elektrickej energie v jednotlivých hodinách obchodného diagramu, respektíve hodnoty požadovaných (bázových) výkonov v jednotlivých hodinách,
• požadované hodnoty podporných služieb (ďalej PpS),
• konštrukčné parametre a limity VDGA,
• požadovaná manipulácia na VDGA (odbery, hladiny),
• odstávky a obmedzenia technologického zariadenia jednotlivých VE,
• optimalizačné kritérium – optimálne prerozdelenie výkonov VE Gabčíkovo na základe požadovaného tvaru obchodného diagramu v jednotlivých hodinách pri zabezpečení všetkých okrajových vodohospodárskych a energetických podmienok.

Hlavným výstupom hydromodelu je návrh prietokov pre vodné elektrárne VDGA a následne plán elektrického výkonu na jednotlivých VE so zohľadnením ich regulačnej rezervy v časovom rastri jednej hodiny, navrhnutý na základe zadaného optimalizačného kritéria. Dôležitým výstupom hydromodelu je upozornenie užívateľa v prípade, že navrhnutá prevádzka VDGA môže znížiť plavebné hĺbky v Dunaji pod limitné hodnoty stanovené predpismi.

Návrh prevádzky VDGA
V procese návrhu prevádzky VDGA sa výpočtové parametre hydromodelu získavajú prostredníctvom výpočtov v jednotlivých moduloch. Výsledky výpočtov v rámci modulov sú kombináciou výsledkov dátových modelov získaných z databáz reálnych údajov prevádzky VDGA a výpočtov pomocou matematických vzťahov opisujúcich hydrologické a hydraulické javy na VDGA. Modul prietok poskytuje údaje o riadení prietokov jednotlivými prvkami systému. Jeho úlohou (výstupom) je poskytovať reálne údaje o disponibilných prietokoch vody pri jednotlivých vodných elektrárňach VDGA. Modul spád poskytuje údaje o spádoch v jednotlivých vodných elektrárňach VDGA. Modul výkon vykoná na základe výsledkov predchádzajúcich modulov (modulu prietok a modulu spád) transformáciu prietokov a spádov na elektrický výkon. Úlohou Solvera (riešiteľa) je na základe vypočítaných parametrov navrhnúť plán výkonu na VEGA. Hlavným optimalizačným kritériom pri návrhu výkonu, respektíve výroby je požiadavka čo najviac sa priblížiť požadovanému tvaru obchodného diagramu na základe vopred určeného ocenenia – váhového kritéria. Na ľubovoľnú dĺžku plánovacieho obdobia a pri uvažovaní hodinového časového kroku riešenia možno cieľ optimalizácie opísať účelovou funkciou

    (1)
kde    T    je    počet časových intervalov (plánovacie obdobie),
    i    –    index časového intervalu riešenia (hodina), i = 1, 2,… T,
    c_i    –    váhový faktor (tzv. ocenenie) v i-tej hodine opisujúci požadovaný tvar obchodného diagramu,
    ST_i    –    bivalentná premenná opisujúca prevádzkový stav VEGA v i-tej hodine (1 – VE v prevádzke, 0 – VE mimo prevádzky) (hľadaná premenná),
    P_i    –    nasadený výkon VEGA v i-tej hodine (MW) (závislá premenná),
    Q_i    –    prietok cez VEGA v i-tej hodine (m³/s) (hľadaná premenná),
    H_i    –    priemerný spád na VEGA v i-tej hodine (m); Hk,_i  = f(Q_i, V_in), kde V_in – počiatočný objem vody v zdrži Hrušov (m³),
    η_i    –    účinnosť premeny energie na ­VEGA v i-tej hodine (–); η_i = f(Q_i, H_i)

Hľadané hodnoty prietokov Qi (t. j. plán prevádzky VEGA) sú potom výsledkom maximalizácie cieľovej funkcie (1), ktorú je nevyhnutné pri riešení doplniť o obmedzujúce podmienky vychádzajúce z obmedzení v manipulačnom poriadku VDGA, respektíve z obmedzení daných konštrukčnými a prevádzkovými parametrami VD.

Obr. 2 Výpočtová schéma hydromodelu

Preverenia navrhnutej prevádzky VDGA z hľadiska zabezpečenia plavebných podmienok pod Stupňom Gabčíkovo
Reálnosť navrhnutej prevádzky VDGA sa následne preveruje z pohľadu zabezpečenia plavebných podmienok pod Stupňom Gabčíkovo. Podmienky regulačnej prevádzky VEGA boli v čase písania tohto textu definované v dočasnom manipulačnom poriadku pre SVD G-N, akt. VIII z mája 2010 (ďalej DMP). Aby zmena prietoku cez VEGA (vyvolaná reguláciou výkonu VE) neohrozila bezpečnosť plavby, regulácia sa podľa DMP môže vykonávať len tak, aby úbytok hĺbky vody na limitujúcom brode na úseku, ktorého sa týka regulácia, nespôsobil náraz plavidla na dno (t. j. nespôsobil podkročenie minimálnej plavebnej hĺbky –25 dm). Limitujúcim brodom na úseku VE Gabčíkovo – Komárno je podľa DMP brod v rkm 1 796.

Podmienky regulačnej prevádzky sú definované v DMP formou tabuliek s povolenými časmi trvania zápornej manipulácie pri konkrétnych hodnotách poklesu prietokov na VEGA a prietokov v profile mosta v Medveďove. Podľa [1] sa pri stanovení regulačných podmienok vychádzalo z predpokladu, že pred zápornou manipuláciou prietokov na VEGA je v profile mosta v Medveďove dlhodobo ustálený prietok. Takáto podmienka je však z pohľadu reálnej prevádzky prakticky nedosiahnuteľná. Plánovanie prevádzky VEGA podľa tabuliek uvedených v DMP tak kladie značné nároky na skúsenosti a správny odhad operátora. Neistoty rastú aj s chybami predpovedí prietokov na kľúčových vodočtoch. Častým dôsledkom je prevádzka za podmienok, ktoré nie sú optimálnymi z hľadiska využitia efektov VEGA. V neposlednom rade môže takýto spôsob riadenia ohroziť plavebnú bezpečnosť na úseku Dunaja pod VEGA.

Z uvedeného vyplýva, že v procese plánovania regulačnej prevádzky VEGA treba mať k dispozícii nástroj schopný kontinuálne vyhodnocovať a s dostatočnou presnosťou predpovedať plavebné podmienky v limitujúcom brode (t. j. nástroj na simuláciu transformácie prietoku v úseku VEGA – limitujúci brod). V súvislosti s novými podmienkami regulačnej prevádzky VEGA vyplývajúcimi z aktualizovaného DMP sa preto v roku 2011 do existujúceho hydromodelu (používaného na dispečingu VE v Trenčíne) priamo integroval hydrologický transformačný model prietokov  na úseku pod Stupňom Gabčíkovo. Príklad návrhu pološpičkovej prevádzky VE Gabčíkovo pomocou hydromodelu v prostredí testovacieho používateľského rozhrania je na obr. 3. Z obrázke je zrejmá základná štruktúra vstupných a výstupných parametrov hydromodelu.

Obr. 3 Príklad návrhu pološpičkovej prevádzky VE Gabčíkovo pomocou hydromodelu (testovacie používateľské rozhranie)

Záver
V roku 2007 bol uvedený do prevádzky hydromodel na prípravu prevádzky a operatívneho riadenia VDGA ako súčasť komplexného informačného systému prípravy prevádzky energetických zdrojov ENEL SE, a. s. Jeho hlavnou úlohou bolo na základe požiadaviek energetického systému navrhnúť prevádzku VEGA pri zabezpečení a rešpektovaní všetkých okrajových vodohospodárskych a energetických podmienok.

V súvislosti s novými podmienkami regulačnej prevádzky VEGA vyplývajúcimi z aktualizovaného DMP sa v roku 2011 vytvoril a do prevádzky uviedol nový hydromodel, ktorého súčasťou sa stal model transformácie prietokov na úseku pod Stupňom Gabčíkovo. Výstupom modelu transformácie prietokov je aj upozornenie používateľa v prípade, že navrhnutá prevádzka VDGA môže spôsobiť zníženie plavebných hĺbok pod limitné hodnoty stanovené predpismi.

Podmienky regulačnej prevádzky v novom hydromodeli vyplývajú z DMP, akt. VIII z mája 2010. Stanovili sa na základe simulácie hladinového a prietokového režimu v podmienkach morfológie koryta z roku 2008 a ešte staršieho obdobia (rôzny čas merania úsekov koryta) a konzumčnej krivky v Medveďove z roku 2007. Dunaj pod Sapom podlieha intenzívnym morfologickým zmenám, čo dokumentujú pravidelne vykonávané merania tvaru koryta a prehodnocovanie konzumčných kriviek na vodomernej stanici v Medveďove. Tieto morfologické zmeny ovplyvňujú vzťah prietok – poloha hladiny – plavebné hĺbky a vyvolávajú tieto potreby:

• nakalibrovať a verifikovať simulačný model transformácie prietokov pod Stupňom Gabčíkovo s ohľadom na aktuálne pomery v koryte Dunaja,
• prehodnotiť podmienky regulačnej prevádzky VEGA.

Pri neustálych morfologických zmenách koryta Dunaja už v súčasnosti niektoré podmienky regulačnej prevádzky v DPM platné de iure neplatia de facto. Potrebu zmeniť limity regulačnej prevádzky v dôsledku morfologických zmien v koryte Dunaja na úseku pod Sapom je nevyhnutné vyhodnocovať pravidelne a primerane často. Odporúčame toto vyhodnotenie vykonať raz za rok a okrem toho aj v prípadoch, keď nastanú udalosti ovplyvňujúce tvar koryta (prechod veľkej vody, úpravy koryta správcom toku). Ak sa tak neurobí, hrozí, že regulačná prevádzka podľa de facto neplatných limitov spôsobí plavebné nehody s priamou zodpovednosťou tých, ktorí takúto prevádzku riadia.

Literatúra
1. Možiešik, Ľ. a kol.: Vodohospodársky model prevádzky VD Gabčíkovo. Záverečná správa. Bratislava: SvF STU, 2008.
2.    Šulek, P., Dušička, P.: Popis algoritmov hydromodelovania navrhnutých pre SW model prípravy prevádzky VE. Technická dokumentácia. Bratislava: STU, 2006.
3.    Šulek, P. , Dušička, P.: Výskum možností modifikácie Hydromodelu SVD Gabčíkovo – zmena k DMP pre SVD G-N, akt. VIII. Záverečná správa výskumnej úlohy. Bratislava: SvF STU, 2010.
Tento článok vznikol na základe finančnej podpory projektov grantovej agentúry VEGA 1/0578/11 a Agentúry na podporu výskumu a vývoja na základe zmluvy č. APVV-0680-10.

TEXT: Ing. Peter Šulek, PhD., prof. Ing. Peter Dušička, PhD., doc. Ing. Ľudovít Možiešik, PhD., Ing. Zuzana Šebestová
Schémy: archív autorov
Foto: Vodohospodárska výstavba

Autori pracujú na Katedre hydrotechniky Stavebnej fakulty STU v Bratislave.

Článok bol uverejnený v časopise Inžinierske stavby/Inženýrské stavby.