НЕОБХОДИМОСТЬ РАЗВИТИЯ ГИДРОАККУМУЛИРУЮЩИХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ В РОССИИ

Введение

На сегодняшний день, в мире уже разработано огромнейшее количество электростанций, работающих на различных источниках энергии. Именно благодаря им мы можем вскипятить чай за пару минут или столкнуть две элементарные частицы в адроном коллайдере, разогнанные до скорости света.

Первые электростанции – тепловые, появились еще в конце XIXв.. Стоит отметить, что на сегодняшний день, именно ТЭС являются основным источником электрической энергии (62-67% получаемой электроэнергии в мире).Но, большие объемы вредных выбросов в атмосферу в свою очередь, заставили задуматься человечество об альтернативных источниках энергии, таких как вода, солнце, ветер, атомная энергетика.

Устройство каждой из перечисленных электростанций не сильно отличаются друг от друга конструктивно: водяные пары, выделяющиеся при нагревании воды, раскручивают турбины генератора, который в последствие и генерирует электрический ток (ТЭС ,АЭС). Либо же сами потоки воды, воздуха большой скорости раскручивают эти турбины (в случае ГЭС и ветряных ЭС).  После чего электрическая энергия накапливается в батареях высокой емкости, для формирования тока одного напряжения, потребляемого промышленностью города, а так же его многочисленным населением.

Основная часть.

В человеческом обществе потребление электроэнергии происходит в соответствии с его жизненными ритмами, зависящими от природных и биологических ритмов человека, а так же от его производственной и бытовой деятельности. Данные ритмы имеют суточные, недельные, месячные и сезонные циклы.

На рис. 1 приведен среднестатистический суточный график потребления (нагрузки) в отопительный период в обычный рабочий день. Четко можно выделить периоды минимального потребления в ночное время (период ночного провала: 23:00-6:00), максимального потребления в утренние (период утреннего пика: 8:00-11:00) и вечерние (период вечернего пика: 17:00-20:00) часы, а также периоды среднего потребления (периоды полупика: 6:00-8:00, 11:00-17:00, 20:00-23:00). Период ночного провала, в который мощность нагрузки падает, приходится на время ночного отдыха населения, период утреннего пика— на время максимальной утренней активности промышленности, а период вечернего пика— на время вечерней бытовой активности населения.

Рисунок 1. Суточный график потребления электроэнергии

Размерность мощности не приводится, по тому что главным было увидеть, каким образом в течении дня используется потребляемая мощность, оценить  соотношение ночных минимумов и вечерних максимумов потребления.

Подытожив, можно сказать, что потребление энергии в обществе происходит на протяжении дня неравномерно. А именно: днем это потребление возрастает своих максимумов, а ночью потребление практически отсутствует. Данная проблема существует уже давно, причем еще с самого начала зарождения электростанций. Так, например в СССР, проблему выработки излишков ночной энергии решали путем перераспределения ее на Дальний Восток (республик в близи Японии), так как была организована единая система электроснабжения. Но на данный момент отсутствие аналога данной системы породило новое решение данной проблемы: регулирование выработанной энергии происходит при помощи участия маневренных мощностей.

Важно отметить, что тепловые электростанции, преобладающие на территории России, не могут оперативно изменять мощность, которая требуется для покрытия пиковых нагрузок в определенные часы, именно поэтому при таком энергопотреблении не может быть обеспечено нормальное и качественное электроснабжение. Это приводит к изменению напряжения и частоты в энергосистеме, а при их предельных значениях – к автоматическому частичному отключению потребителей, необходимому для предотвращения распада энергосистемы. Кроме того, отсутствие маневренных резервных мощностей в аварийной ситуации может привести к развитию аварии либо к увеличению времени восстановления нормального режима работы. Стоит добавить, что режим регулирования на тепловых электростанциях приводит к перерасходу топлива, снижению долговечности теплоэнергетического оборудования и увеличению затрат на ремонтное обслуживание, а так же ухудшению экологической обстановки в районах расположения ТЭС.

Таким образом, регулирование мощности тепловыми электростанциями приводит к низкому качеству электроснабжения по частоте и напряжению в нормальном режиме, усугублению ситуации в аварийных режимах и, соответственно, к снижению надежности электроснабжения.

При отсутствии других маневренных мощностей, основным оборудованием конденсационных тепловых электростанций, используемых в регулировании электроснабжения, являются блочные агрегаты со сверхвысокими и закритическими параметрами пара, мощностью 160, 200, 300, 500 и более МВт.

Так, например, блочные агрегаты К-160-100 и К-200-130 в случае невозможности покрытия пиковых мощностей потребления, могут быть остановлены как на выходные дни, так и на время ночного провала нагрузки. Однако следует учитывать реальное время обратного выхода агрегата на полную мощность и пусковые потери топлива.

В табл. 1.1 приведены ориентировочные данные по времени пуска и усредненные пусковые потери топлива.

Таблица 1.1.

Ориентировочные данные по времени пуска и усредненные пусковые потери топлива.

Следовательно, частые остановки турбоагрегатов и котлов, особенно на сверхвысоких и закритических параметрах пара, приводят к ускоренному износу и сокращению срока службы данного оборудования, межремонтного периода, и как следствие, к увеличению аварийного простоя и эксплуатационных затрат.

Проблема: недостаточный удельный вес высокоманевренных электростанций и прежде всего ГЭС и ГАЭС в структуре генерирующих мощностей энергообъединений России в сочетании со значительной неравномерностью суточных графиков электрических нагрузок приводит к тому, что регулирование мощностей вынужденно осуществляется тепловыми электростанциями. При этом коэффициент регулирования, представляющий собой отношение диапазона регулирования соответствующих электростанций к их максимальной нагрузке, достигает предельного значения.

Возможное решение проблемы: ГАЭС имеют одну из самых высоких эксплуатационных маневренностей: время пуска и смены режимов гидроагрегатов ГАЭС составляет лишь 2-3  минуты для выхода на полную мощность, в то время как современные газотурбинные или парогазовые установки требуют 5-10 минут. К тому же ГАЭС могут быть с суточным, недельным и сезонным циклами регулирования. Стоит отметить, что регулировочный диапазон данных электростанций приближен к двукратной величине ее установленной мощности, в виду того, что регулирование диапазона нагрузки энергосистемы осуществляется станцией в двух режимах: насосном (регулирование ночного провала) и генераторном (регулирование пика потребления), в чем и заключается основное назначение и преимущество ГАЭС перед другими электростанциями. Общий КПД ГАЭС в оптимальных условиях работы приближается к 75 %.

Для покрытия пиковых значений энергопотребления ГАЭС производит собственную энергию за счет самонапорного подвода воды по водоводам из верхнего бассейна к соответствующим гидроагрегатам, работающим в данный момент в турбинном режиме. Для насосной же перекачки воды из нижнего бассейна в верхний, ГАЭС потребляет электроэнергию, вырабатываемую недогруженными электростанциями энергосистемы в ночное время или отдельные часы полупика.

Рисунок 2. Принцип работы ГАЭС

Отмечу, что на перекачку воды из питающего бассейна в верхний, электроэнергии затрачивается на порядок больше – почти в полтора раза(обычно в соотношении 10:7, что соответствует КПД гидроаккумулирования 70%), чем затем ее вырабатывается. Но существенно пониженная стоимость «ночной» энергии по сравнению с «пиковой» (иногда в 3-5 раз дешевле) однозначно оправдывает такие потери и повышает экономическую эффективность энергосистемы в целом. Именно поэтому ГАЭС считаются экономически обоснованными проектами во всем мире: любая энергосистема готова отдать за 7 единиц пиковой энергии 10 единиц «бросовой» ночной энергии.

Наиболее оптимальное расположение ГАЭС.

Главной особенностью ГАЭС является каскадное расположение гидроаккумулирующих объектов (бассейнов). Такое расположение бассейнов определяет главную проблему данных электростанций – необходимость затопления больших земельных территорий. Данная проблема является основной причиной отсутствия ГАЭС в России.

Бескрайние территории Российского государства, растянувшиеся от берегов Балтийского моря на западе, до Тихого океана на востоке, отличаются ярким контрастом земельных ландшафтов. От бескрайних равнин до разрушенных веками Уральских гор. Разумно расположить ГАЭС вблизи какого ни будь объекта, требующего больших объемов электроэнергии. Таковыми можно считать крупные города, либо же большие предприятия промышленной индустрии.

 Как правило, территории, расположенные вблизи крупных городов, заняты в сельском хозяйстве, для обеспечения свежими продуктами жителей города. Именно поэтому затапливать плодородные почвы вблизи больших городов будет крайне неразумно. Но ситуация, сложившаяся в Подмосковье говорит об обратном - вот уже на протяжении многих лет геологи столицы озабочены проблемой горения торфяников в Подмосковье. Торфяники остаются незатронутыми сельскохозяйственной или строительной промышленностью. Поэтому затопление торфяных территорий не несет за собой больших финансовых потерь.

 К тому же, для тушения торфяников необходимы большие объемы воды – то есть наличие многочисленных водных объектов, запас которых при необходимости можно будет использовать для предотвращения горения. Таким образом, объясняется выгодное расположение ГАЭС в Подмосковье – затопление торфяников приведет к препятствию их горения, а наличие необходимого запаса воды вблизи пожароопасных зон обеспечит безопасность и своевременную возможность тушения очага возгорания.

Факт остается фактом, но все же предпочтительнее возведение ГАЭС не на равнинных территориях, а на горных. Так как одной из технических характеристик ГАЭС является напор воды, приходящийся на момент вращения турбины генератора, который в свою очередь напрямую зависит от разности высот расположения бассейнов. Рациональное расположение ГАЭС в близи больших производственных баз, концернов, требующих больших энергозатрат, например производство тяжелой техники. Так, в России, еще со времен СССР, организовано и существует по сей день, производство шагающих экскаваторов: свыше 80% используемых в нашей стране шагающих экскаваторов выпущено двумя основными производителями: Новокраматорским машзаводом (НКМЗ) и Уральским машинотракторным заводом (Уралмаш или УЗТМ). Так же производство тяжелой военной и сельскохозяйственной техники организовано в г. Нижний Тагил – Уралвагонзавод.

Территориально местонахождение данных заводов возле горной местности определяется большими затратами на транспортировку материала: добытое сырье невыгодно перевозить на далекие расстояния, именно поэтому разумнее расположить заводы поближе к источникам ископаемых, а так же вдали от спальных районов, во избежание нарушения экологии местности.

Именно два этих фактора – наличие горной местности и высокого энергопотребления определяют обоснованное расположение ГАЭС на протяжении Иркутской области.  

Ярким примером работы ГАЭС может служить Загорская ГАЭС, расположенная на реке Кунье в Сергиево –Посадском районе Московской области. Обоснованное расположение в Подмосковье, в близи крупнейшего потребителя энергии – город Москва, говорит о большом экономическом и энергетическом значении. Так, например, в виду наличия различных проблем в энергосистеме, Загорская ГАЭС используется в качестве оперативного быстровводимого резерва мощности. В связи с этим, число пусков гидроагрегатов станции в сутки может доходить до 30-ти, что гарантирует снижение риска возникновения крупной системной аварии. При этом, в виду преобладания в энергосистеме московского региона большого количества маломаневренных ТЭС и ГРЭС, Загорская ГАЭС непосредственно участвует и в выравнивании энергопотребления в ночные часы. КПД  гидроаккумулирования данной ГАЭС составляет 73% с учетом неизбежных потерь.

Заключение

По статистическим данным, 25% аварийных остановок теплового оборудования электростанций происходит в следствие повреждений, образующихся в период пуска, но последствия температурных перенапряжений из-за неравномерного графика работы агрегатов проявляются и во время стационарных режимов работы. Потребность в оптимизации работы тепловых электростанций, уменьшение широтных межсистемных перетоков мощности обуславливают необходимость увеличения доли высокоманевренных электростанций в России.

Решение данной проблемы может быть найдено за счет возведения ГАЭС, главным достоинством которых является максимальная маневренность. В дополнение к данной особенности можно выделить то, что ГАЭС, в отличие от других маневренных электростанций, могут не только покрывать пиковые нагрузки потребления, но и работать в провале графика нагрузок в насосном режиме, обеспечивая тем самым наиболее благоприятный рабочий режим энергосистемы в целом. Что в большей мере способствует снижению межсистемных перетоков мощности. Приятным дополнением к основным функциям ГАЭС является балансировка мощности: благодаря своим технологическим возможностям электростанция может привлекаться к регулированию важных режимных параметров – частота и напряжение в сети.

Список литературы:

1. Синюгин В.Ю., Магрук В.И, Родионов В.Г. Гидроаккумулирующие станции в современной электроэнергетике. - М.: ЭНАС, 2008, - с. 14-22.
2. [электронный ресурс] – Режим доступа. – URL:  http://www.elektro-journal.ru  (дата обращения 12.05.2017)
3. [электронный ресурс] – Режим доступа. – URL: http://www.invertor.ru/issledovanie.php  (дата обращения 12.05.2017)
4. [электронный ресурс] – Режим доступа. – URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Загорская_ГАЭС  (дата обращения 23.04.2017)