Гидроаккумулирующие электростанции

     Важными элементами энергобезопасности являются валовое производство электроэнергии, соответствующее годовой и сезонной потребности промышленности и населения, обеспечение маневренного ведения  суточных режимов нагрузки энергосистемы, качество поставляемой потребителям электроэнергии и живучесть систем энергетики, то есть свойство противостоять возмущениям, не допуская их каскадного развития с массовым нарушением питания потребителей.

     Значение  этих критериев резко возросло в  последние годы, когда после периода стагнации возрастает спрос на энергоносители, предъявляются повышенные требования в отношении качества и надежности энергоснабжения, а темпы обновления систем энергетики пока не соответствуют темпам роста энергопотребления.

     Как известно, в сложной электроэнергетической системе как в структурно неоднородном техническом объекте объективно существуют так называемые слабые места, то есть элементы, группы элементов или условия, которые с точки зрения реакции на изменение режима, возмущения, управляющие воздействия являются критичными и негативно сказываются на живучести системы.

     Своевременное и квалифицированное определение  слабых мест в электроэнергетической  системе позволяет разработать  и обосновать мероприятия по их усилению путем изменения схемы сети, структуры  генерирующих мощностей и расположения генераторов, установки реакторов и компенсирующих устройств, выбора средств противоаварийной автоматики и т. д.

     Графики потребления электроэнергии (суточные графики нагрузки) современных энергообъединений  отличаются высокой степенью неравномерности, что создает трудности как с покрытием пиков, так и, в большей степени, с прохождением ночных провалов суточных графиков нагрузки. Кроме того, в связи с резким ростом интенсивности подъема нагрузок в часы утренних и вечерних максимумов обостряются проблемы обеспечения качества электроэнергии (поддержание нормированных значений частоты и напряжения).

     В настоящее время практически  все ОЭС испытывают не столько  проблемы с покрытием пиковых  зон графиков нагрузок, сколько с  прохождением ночных провалов.

     Наиболее  эффективным способом увеличения регулировочных возможностей ОЭС является строительство  ГАЭС. Технология работы ГАЭС позволяет  решить две задачи балансирования генерации  и потребления: потреблять избыточную мощность в энергообъединении в часы минимальных нагрузок и выдавать мощность в энергосистему в часы дефицита мощности.

     Недостаточный удельный вес высокоманевренных  электростанций и прежде всего ГЭС  и ГАЭС в структуре генерирующих мощностей энергообъединений 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. При таком положении не может быть обеспечено нормальное и качественное электроснабжение, так как тепловые электростанции не могут оперативно изменять мощность. Это приводит к изменению напряжения и частоты в энергосистеме, а при их предельных значениях -к автоматическому частичному отключению потребителей, необходимому для предотвращения развала энергосистемы. Кроме того, в аварийной ситуации отсутствие маневренных резервных мощностей может привести к развитию аварии либо к увеличению времени восстановления нормального режима работы. Таким образом, регулирование мощности тепловыми электростанциями приводит к низкому качеству электроснабжения по частоте и напряжению в нормальном режиме, усугублению ситуации в аварийных режимах и, как следствие, к снижению надежности электроснабжения. Режим регулирования на тепловых электростанциях приводит к перерасходу топлива, снижению долговечности теплоэнергетического оборудования и увеличению затрат на ремонтное обслуживание, ухудшению экологической обстановки в районах расположения ТЭС. 

      Решение проблемы может быть найдено за счет строительства ГАЭС, обладающих максимальными  маневренными возможностями. Причем в  отличие от других маневренных электростанций, которые могут покрывать только пиковые нагрузки, ГАЭС могут работать в насосном (нагрузочном) режиме в провале графика нагрузок, обеспечивая более благоприятный базисный режим ТЭС и АЭС, а также способствуя снижению межсистемных перетоков мощности. Дополнительно к основным функциям – балансированию мощности – ГАЭС по своим технологическим возможностям может привлекаться к регулированию важнейших режимных параметров – частоты и напряжения.

     Мировой опыт использования ГАЭС в электроэнергетике давно подтвердил их техническую эффективность в обеспечении экономичности энергообъединений и их живучести, в повышении надежности электроснабжения и качества электроэнергии. В настоящее время в мире насчитывается более 460 действующих ГАЭС различной компоновки с широком диапазоном установленной мощности – от нескольких десятков кВт до 3000 МВт (ГАЭС Эдисон в США) – и напорами от нескольких десятков метров до 1700 м (ГАЭС Рейзек в Австрии). В ближайшие годы ожидается значительное увеличение количества строящихся и эксплуатируемых ГАЭС.

       По опыту зарубежных энергосистем, ГАЭС целесообразно размещать либо в центрах энергопотребления в промышленных и урбанизированных районах страны, либо рядом с неманевренным мощным источником электроэнергии. Но этим диапазон возможностей их использования не ограничивается. В зависимости от варианта размещения ГАЭС могут быть реализованы определенные специфические преимущества, особенно в аварийных и послеаварийных ситуациях. 

     2.2 Целесообразное расположение ГАЭС и их использование

     А. Расположение ГАЭС на транзитных общесистемных связях ограничивает возможности ГАЭС рамками стандартных технологических услуг. В этом случае, как правило, ГАЭС участвует в регулировании режимов энергообъединения в целом, обеспечивая требуемые значения частоты и напряжения; при этом она мало влияет на конкретные локальные объекты . 

      Б. Использование ГАЭС, размещаемых вблизи АЭС или крупной ТЭС. Сохраняя стандартные функции, ГАЭС в этом случае получает возможность оказывать более глубокое влияние на оптимизацию режимов работы теплоэнергетического оборудования конкретной тепловой или атомной электростанции.

     Обозначения: АЭС, ТЭЦ, КЭС, и ПТЭС — атомные, теплофикационные, конденсационные и пиковые тепловые электростанции; ГЭС — гидроэлектростанции; ГАЭС — гидроаккумулирующие электростанции, работающие в режимах: НР - насосном, ТР — турбинном, СК и ВР — синхронного компенсатора и во вращающемся резерве активной или реактивной мощности; N— мощность энергосистемы, %

Рисунок 9 - Примерный суточный график нагрузки современной мощной энергосистемы

  В. Использование ГАЭС для повышения надежности электроснабжения мегаполисов.

     Проблема  повышения надежности электроснабжения мегаполиса может быть решена радикально путем размещения нескольких ГАЭС сравнительно небольшой мощности по периметру мегаполисов в непосредственной близости от города (или даже в черте города). Такие ГАЭС должны иметь связи высоковольтными линиями электропередачи с основными узловыми распределительными подстанциями города и распредустройствами крупных ТЭЦ. Более того, эти ГАЭС территориально могут располагаться вблизи от существующих ТЭЦ, дислоцированных вокруг мегаполиса.

     В качестве верхних бассейнов такие  ГАЭС могли бы использовать акваторию  реки, протекающей в черте города или вблизи него, либо другой естественный водоем достаточной емкости; нижние бассейны и машинные залы могут быть подземными. Такая компоновка не повлияет на наземные экосистемы города и не потребует отведения больших площадей.

     Характерным примером такого подхода является строительство двух ГАЭС вблизи Нью-Йорка (США): Бленхейм-Джильбао (1000 МВт, 1973 г.) и Корнуэлл (2000 МВт, 1982 г.), сооруженных после знаменитой аварии 1965 г. в дополнение к введенной в 1961 г. ГЭС—ГАЭС Льюистон-Тусканора мощностью 2200 МВт. Кроме того, в непосредственной близости, в штате  Массачусетс, соответственно, в 1972 и 1974 гг. введены ГАЭС Нордфильд установленной мощностью 1000 МВт и Бер-Свемп мощностью 600 МВт. 

      Г. Использование ГАЭС в едином технологическом комплексе с приливными электростанциями. Приливные электростанции по своему принципу работают циклически в соответствии с цикличностыо приливной волны. Функция сглаживания графика генерации и обеспечение соответствия генерации и потребления могут быть возложены на ГАЭС, построенную и работающую в едином технологическом комплексе с ПЭС.

     До  недавнего времени считалось, что  в условиях современной энергетики, когда в крупных энергосистемах имеются большие возможности  маневрирования генерирующим оборудованием, прерывистый характер выдачи электроэнергии ПЭС не имеет большого значения. Пока речь шла о сравнительно небольших опытных ПЭС, включая и наиболее мощную ПЭС Ранс во Франции, это действительно было так. Однако изменение структуры генерирующих мощностей в последние десятилетия в пользу теплоэнергетических и атомных блоков большой единичной мощности со сниженными возможностями регулирования кардинально изменили ситуацию, тем более что в настоящее время выполняются проектные работы по ПЭС большой (до нескольких миллионов кВт) мощности.

     Технологические сложности использования ПЭС  с точки зрения электрических  режимов заключаются в следующем. С одной стороны, режимы ПЭС в  пределах лунных суток неизменны  и являются как бы базовыми составляющими  графиков генерации. С другой стороны – в суточном разрезе режим генерации ПЭС является прерывистым, что требует наличия со стороны энергообъединения существенных регулирующих возможностей для компенсации прерывистости генерации ПЭС, а также колебаний мощности ПЭС в месячном цикле. Эта задача со стороны энергообъединения вполне успешно решается, если мощность ПЭС несоизмерима с мощностью энергообъединения.

     Качественно иной становится проблема компенсации  дискретности при вводе в эксплуатацию мощных ПЭС. Учитывая возросший во всех без исключения энергообъединениях дефицит маневренных мощностей, необходимых для адаптации суточного графика генерации к графику нагрузок, а также предполагаемую мощность современных ПЭС, можно утверждать, что проблема сглаживания пульсирующего характера генерации ПЭС приобретает особую актуальность, причем в мировом масштабе. И это заставляет пересмотреть сделанные ранее выводы.

     Считается, что прерывистость режима ПЭС  может быть скомпенсирована, если ее мощность составляет не более 25 % от суммарной  мощности энергообъединения.

     Решение о строительстве мощных современных  ПЭС должно учитывать техническую  и экономическую целесообразность формирования энергетического комплекса, ядром которого является собственно ПЭС как основной генерирующий источник.

     Очень вероятно, что одним из наиболее эффективных способов сглаживания прерывистого характера работы ПЭС может быть использование ГАЭС, построенной в непосредственной близости от ПЭС. 

     Д. Участие ГАЭС в сезонном регулировании возможно при использовании излишней электроэнергии ГЭС в весенний период и накоплении паводковых вод в аккумулирующем бассейне достаточно большой емкости. Этот вариант принципиально возможен:

• в бассейне рек южного региона, что помимо накопления потенциальной энергии позволило бы сгладить последствия паводковых процессов и обеспечить запас воды в целях ирригации в засушливый сезон, то есть в период созревания урожая;
• в бассейне сибирских рек, обладающих огромным энергетическим потенциалом, для регулирования суточного графика нагрузки и обеспечения соответствия генерации и потребления, что может быть актуальным при организации поставок электроэнергии за рубеж.

     Строительство ГАЭС в бассейне рек Приморья в  комплексе с дальневосточными ГЭС  также позволило бы использовать избыточную электроэнергию, вырабатываемую в весенний период, для накопления аккумулирующего бассейна достаточно большой емкости с целью последующего сезонного регулирования. Кроме того, наличие такого бассейна позволит сгладить проблему накопления воды для бытовых и хозяйственных нужд, актуальную для городов Приморья. 

      Е. Использование ГАЭС в изолированных энергосистемах, не располагающих гидроресурсами или мобильными мощностями других типов. Характерным примером может служить энергосистема Сахалина –типичное изолированное энергообъединение, лишенное возможности использовать регулирование, связанное с широтными перетоками мощности между часовыми поясами. Поэтому, в связи с полным отсутствием регулировочных возможностей за пределами допустимого регулировочного диапазона турбоагрегатов ГРЭС, в энергосистеме «Сахалинэнерго» вынуждены прибегать к ежесуточной остановке и последующему пуску двух турбоагрегатов ГРЭС.