Баланс мощности энергосистемы

Баланс предусматривает соответствие (равенство) между при­ходной и расходной частью. Баланс мощности строится отдельно для активной и реактивной мощности.

Баланс активной мощности энергообъединения в момент вре­мени t может быть представлен в следующем виде:

где i — порядковый номер электростанции; j — порядковый но­мер энергообъединения, передающего активную мощность в рас­сматриваемое; i — порядковый номер энергообъединения, полу­чающего активную мощность от рассматриваемого.

Приходная часть баланса активной мощности включает в себя суммарную располагаемую активную мощность электростанций

а так-

же величину активной мощности, получаемой от других

энергообъединений

Расходная часть баланса активной мощности складывается из максимальной активной нагрузки данного

энергообъединея Nmax(t), расхода активной мощности на собственные нужды

,величины активной резервной мощности

и активной мощности, отдаваемой в

другие энергообъединения,

Аналогичное выражение может быть записано для баланса реактивной мощности:

3.3.1. Расходная часть баланса

Для составления баланса мощности используют графики элек­трических нагрузок, отображающие изменение потребляемой мощ­ности в течение рассматриваемого периода времени. Графики на­грузки могут выражать режим электропотребления отдельных пред­приятий, подотраслей, районов, районных и объединенных энер­госистем. От режимов потребления электроэнергии зависят режи­мы работы энергетических установок: основного оборудования электростанций, линий электропередачи и трансформаторных под­станций. Режимы электропотребления могут быть представлены в форме таблиц или в виде графиков. Графики электрической на­грузки рассматриваются как для активной нагрузки, так и для реактивной. Несовпадение конфигураций этих графиков опреде­ляется различиями в режимах потребления активной и реактив­ной мощности отдельными видами потребителей.

В зависимости от длительности рассматриваемого периода раз­личают:

суточные, недельные, месячные и годовые графики нагрузок;

зимние, весенние, летние и осенние.

При планировании нагрузок пользуются типовыми (усреднен­ными) графиками. Их составляют для разных групп потребителей (промышленных, сельскохозяйственных, коммунально-бытовых) и заданных периодов времени. В типовом графике каждая ордина­та нагрузки является среднеарифметической величиной для рас­сматриваемого периода.

Конфигурация графиков нагру­зок энергосистемы определяется структурой потребителей электро­энергии и их режимами работы.

Графики нагрузки характеризу­ются: конфигурацией; максималь­ной, средней и минимальной на­грузками; соотношениями этих на­грузок.

Характерные графики нагрузок энергосистемы для суток, недели, месяца, года приведены на рис. 3.1.

Показатели суточного графика нагрузки энергосистемы.Для анали­за участия генерирующих мощностей в покрытии суточного гра­фика нагрузки энергосистемы в нем различают три части: пико­вую, полупиковую и базисную.

Часть суточного графика нагруз­ки, находящаяся между макси­мальной и средней нагрузкой, относится к пиковой; полупи­ковая — между средней и мини­мальной нагрузкой; базисная — ниже минимальной нагрузки су­точного графика (рис. 3.2).

Суточный график электри­ческой нагрузки энергосистемы характеризуется минимальной Ртт, средней Р_ср, максимальной Р_тах нагрузками и их соотноше­ниями.

Рассматриваются следующие соотношения: коэффициент заполнения суточного графика

где Э_сут — суточное потребление энергии, млн кВт • ч/сут; Э_п — потенциальное потребление энергии; средняя нагрузка

P_ср=Э_сут/24

коэффициент минимальной нагрузки

α_min =Рmin/Рmax.

Показатели (β_сут и α_min отражают режим электропотребления и дают возможность сопоставлять и анализировать графики разных масштабов.

Повышение удельного веса жилищно-коммунальной и сель­скохозяйственной нагрузок, сокращение ночных смен приводят к разуплотнению графиков. Повышение удельного веса непрерыв­ных производств, улучшение загрузки оборудования — к уплот­нению графиков. Значения показателей графика зависят от струк­туры промышленности, климата и других факторов. Так, по раз­ным объединениям α_min и β_сут (за декабрь 1991 г.) имели значе­ния, представленные в табл. 3.1.

Создание объединенных энергосистем, использование двухста-вочных тарифов за потребление электроэнергии, ввод в действие потребителей-регуляторов (например, работа гидроаккумулиру-ющей электрической станции в насосном режиме), увеличение коэффициента сменности предприятий, искусственное смещение

начала суток — все это мероп­риятия, позволяющие снизить неравномерность суточных гра­фиков нагрузки.

Недельный график электри­ческих нагрузок отображает ко­лебание нагрузки по дням неде­ли, главным образом за счет вы­ходных и праздничных дней. Помимо колебаний нагрузки внутри отдельных недель суще-

ствуют колебания между неделями, вызываемые изменениями продолжительности светлых часов суток, приростом нагрузки. Внутри каждого месяца еженедельное электропотребление не­одинаково:

Рис. 3.5. Годовые графики нагрузки

Рис. 3.6. Изменение значений коэффициента заполнения суточ­ного графика

где Э_нед1i; Э_нед2i, и т.д. — количество электроэнергии, потребляе­мой в первую и вторую недели рассматриваемого i-го месяца.

График недельного электропотребления представлен на рис. 3.3. Месячные графики электрической нагрузки энергосистемы (рис. 3.4) отображают колебание средненедельной нагрузки по неделям меся­ца. Годовые графики электрической нагрузки показывают колеба­ние среднемесячных Р_срмес или среднемесячных регулярных макси­мумов –Рсрмес, регулярных наибольших месячных максимумов P_maxi, абсолютных месячных максимумов Р'_тах по месяцам года (рис. 3.5).

Основными показателями годового графика являются:

коэффициент заполнения годового графика

где Р_{max месi} — максимальная нагрузка энергосистемы за каждый месяц; Р_{max годi} — годовой максимум нагрузки энергосистемы; Р_{max ср.год} — среднегодовая максимальная нагрузка;

коэффициент роста, характеризующий увеличение максималь­ной нагрузки рассматриваемого года по сравнению с предшеству­ющим,

где Р_тях1i, Р_тахi2 — максимальные месячные нагрузки в январе и декабре рассматриваемого года.

Если Кр = 1, то годовой график нагрузки энергосистемы назы­вается статическим, если Кр >1 — динамическим, отражающим внутригодовой рост нагрузки;

годовое число часов использования максимума нагрузки энерге­тической системы

где Э_годс — количество энергии, потребляемое энергетической системой за год; P_{max c} — максимальная нагрузка системы.

Показатель А_с характеризует расчетное число часов, при кото­ром годовая потребность в электроэнергии покрывается при по­стоянной нагрузке. Он может быть определен как произведение числа часов в году и коэффициентов заполнения суточного, не­дельного, месячного и годового графиков нагрузки (рис. 3.6), ч:

где β_нед и β _мес — коэффициенты заполнения недельного и месяч­ного графиков нагрузки соответственно.

Если известно значение h_c, найденное при использовании ко­эффициентов неравномерности графиков нагрузки, то годовой максимум электрической нагрузки энергосистемы может быть определен в следующем виде:

Расчет и построение совмещенных графиков электрической на­грузки энергосистемы.Существует несколько методов построения суточных графиков нагрузки энергосистемы. Для графиков на ближайший период при незначительном изменении структуры потребления электроэнергии применяют метод аналогий, в кото­ром за основу принимается отчетный график с необходимыми уточнениями. Для построения графиков более далекой перспекти­вы, а также для новых быстро развивающихся энергосистем ис­пользуются: интегральный, синтезированный методы и метод обобщенных характеристик, который получил наибольшее рас­пространение.

Метод обобщенных характеристик, разработанный в институтах «Энергосетьпроект» и ЭНИН им. Г.М.Кржижановского, исполь­зует характеристики для определения числа часов использования максимальной нагрузки энергосистемы в зависимости от района расположения, удельного веса коммунально-бытового электропот­ребления и числа часов использования максимальной промышленно-транспортной нагрузки энергообеспечения. Это позволяет определить величину максимальной нагрузки энергосистемы для зимнего и летнего характерного дня. По типовым графикам нагруз­ки энергообъединения и показателям суточной нагрузки рассчиты­вается график нагрузки энергосистемы для зимних и летних суток.

Годовой график месячных максимумов нагрузок может быть выражен уравнением следующего вида, МВт:

где а_л — соотношение между летним и зимним максимумами элек­трической нагрузки; / — порядковый номер месяца; P'_max12 —суточный максимум нагрузки декабря года, предшествующего рас­сматриваемому.

Кроме этого графика для баланса энергии и топлива системы строится годовой график среднемесячных нагрузок. Для его по­строения используют годовые графики максимальных месячных нагрузок и коэффициенты суточной и месячной неравномерности:

1см. рис. 3.6), применяя (β_сут.л, β_сут.₃ для определенного числа часов использования максимума системы, расположенной в определен­ном географическом районе. Провал годового графика максималь­ных месячных нагрузок (в основном весенне-летнем периоде) ис­пользуется для проведения капитальных видов ремонта оборудо­вания.

Совпадение во времени производства и потребления электро­энергии, а следовательно, невозможность «работы на склад» определяют необходимость создания резервов мощности в энер­гетических системах, находящихся в эксплуатации. Основной за­дачей резервирования в энергетике является обеспечение макси­мальной надежности и бесперебойности энергоснабжения, а также стабильности качественных параметров энергии как при аварий­ном выходе из строя агрегатов, так и при проведении плановых капитальных и текущих видов ремонта оборудования. Нарушение хтектроснабжения приводит к экономическому ущербу и потре­бителей, и самой энергосистемы. Наличие общесистемного резер­ва мощности, которым маневрирует диспетчерская служба энер­госистемы, и создание крупных энергообъединений значительно повышает надежность электроснабжения потребителей.

Необходимый резерв мощности энергосистемы N_p складывает­ся из следующих видов резервов: нагрузочного N_р.нагр, аварийного - N_рав > ремонтного N_ррем, народнохозяйственного N_р.нх, т.е.

Нагрузочный резерв необходим для поддержания в системе за­данного уровня частоты при нерегулярных отклонениях (колеба­ниях) нагрузки. Величина резерва зависит от масштаба и характе­ристик потребителей и колеблется в следующих пределах: 4...5 % для энергосистем с максимальной нагрузкой 3...5 млн кВт; 1... 1,5 % длясистем с нагрузкой, превышающей 25...30 млн кВт. Нагру­зочный резерв должен быть постоянно готов к использованию и размещается на агрегатах, работающих с некоторой недогрузкой ото крупные электростанции с высокоманевренным оборудова­нием, в первую очередь — гидроэлектростанции).

Ориентировочно величина нагрузочного резерва подсчитывается по следующей формуле:

где P_max p — регулярный (расчетный) максимум нагрузки (матема­тическое ожидание средневзвешенной максимальной нагрузки энергосистемы в нормальные рабочие дни, какими считаются втор-кик, среда, четверг и пятница), МВт.

Аварийный резерв компенсирует снижение мощности, вызван­ное аварийным простоем оборудования из-за его повреждения и предназначен для быстрого ввода генерирующих мощностей вза-

мен выбывшей из строя в результате аварий на станции и в лини­ях электропередачи. Величина аварийного резерва должна прини­маться исходя из общей мощности всей энергосистемы, числа установленных на электростанциях агрегатов и быть не меньше мощности самого крупного агрегата в системе.

Ремонтный резерв необходим в энергосистеме для проведения планово-предупредительного ремонта (капитального и текущего) основного оборудования электрических станций без отключения потребителей и снижения надежности энергоснабжения.

Народнохозяйственный резерв предполагает обеспечение энер­гией досрочно вводимых новых объектов или сверхплановой по­требности в энергии действующих предприятий. Величину этой резервной мощности принимают равной 1...2% от ожидаемого максимума нагрузки энергообъединения.

3.3.2. Приходная часть баланса

Приходная часть баланса включает в себя располагаемую мощ­ность собственных электростанций энергосистемы и мощность, получаемую от других энергосистем. Как правило, располагаемые мощности электростанций существенно отличаются от их уста­новленных мощностей.

Под установленной мощностью электростанций N_ycr понимает­ся сумма номинальных (заводских или перемаркированных) мощ­ностей всех установленных и находящихся в эксплуатации гене­раторов (агрегатов).

Располагаемая мощность электростанций N_расп — это установ­ленная мощность за вычетом разрывов и ограничений электри­ческой мощности.

Снижение мощности из-за несоответствия между отдельными элементами электростанции называется разрывами мощности. При­чинами этих несоответствий могут быть:

конструктивные и технологические недостатки оборудования;

недостаточная производительность механизмов собственных нужд, топливоподачи, котельной установки и др.;

несоответствие используемого топлива топочным устройствам и т.д.

Существуют временные режимные технологические ограниче­ния мощности, вызываемые отклонением фактических условий эксплуатации электростанций от проектных. Эти ограничения об­разуют так называемую связанную мощность N_CB. Тогда

тростанции, т. е. дополнительная мощность, используемая для за­мены части мощности энергосистемы, которая по каким-либо причинам не имеет нагрузки и, следовательно, не работает.

Дублирующую мощность устанавливают на ГЭС с низким уров­нем зарегулированное™ стока. Она позволяет получить дополни­тельную сезонную выработку электроэнергии в период паводка и, следовательно, уменьшить выработку энергии тепловыми элек­тростанциями, т.е. получить экономию топлива.

Баланс по мощности энергосистемы может быть записан в сле­дующем виде:

где N_расп.с, N_раб.с и N_р.с — располагаемая, рабочая и резервная мощности энергосистемы соответственно.

3.4. Баланс тепла

Баланс тепла представляет собой взаимное соотношение по­требности в тепле и его производстве. Потребность в тепле скла­дывается из технологического теплопотребления, а также расхо­дов тепла на отопление, вентиляцию, кондиционирование возду­ха и горячее водоснабжение. К наиболее теплоемким относятся химическая, нефтеперерабатывающая, целлюлозно-бумажная и пищевая отрасли промышленности, а также черная металлургия.

Тепло, расходуемое на отопление, вентиляцию и горячее во­доснабжение в общем расходе тепла по отдельным отраслям про­мышленности составляет: в машиностроении — от 30 до 90 %; металлургии — от 40 до 50%; химической и нефтехимической отраслях — 20 %; пищевой промышленности от 10 до 30%; цел­люлозно-бумажной — 10 %. При относительно малой теплоемко­сти продукции машиностроение в целом по объему теплопотреб­ления занимает одно из первых мест среди других отраслей про­мышленности.

Примерная структура расходной части баланса тепла включает в себя следующие отрасли народного хозяйства, %:

Промышленность............................................................. 51,2

Строительство.................................................................. 2,6

Транспорт........................................................................ 1,6

Сельское хозяйство (производственные нужды)......... 5,1

Жилищно-коммунальное хозяйство.................................... 38,0

Потери............................................................................. 1,5

Итого............................................................................... 100,0

Ведущее место в покрытии потребности страны в тепле зани­мает централизованное теплоснабжение, которое осуществляется от районных и промышленных теплоэлектроцентралей, котель­ных, а также от крупных отопительных котельных производитель­ностью от 83,7 ГДж в сутки и более.

Ориентировочная структура приходной части баланса тепла включает в себя, %:

Источники централизованного теплоснабжения:

ТЭЦ............................................................................ 37,3

котельные...................................................................... 30,9

утилизационные установки............................................ 4,0

электрокотлы............................................................... 1,7

Источники децентрализованного теплоснабжения................ 26,1

Итого............................................................................... 100,0

Структура приходной части баланса тепла указывает на повы­шение удельного веса источников централизованного теплоснаб­жения, среди которых основную роль играют теплоэлектроцен­трали.

Сельское хозяйство..................................................................................... 5 4

Коммунальное хозяйство (централизованные поставки).......... 9,5

Сырьевые нужды....................................................... 8.8

Итого……………………………………………………………….100.0

Контрольные вопросы

1. Дайте общую характеристику энергетического баланса.

2. Каким образом рассчитывают расходную часть энергетического ба-
.инса?

3. Что отражает приходная часть баланса электроэнергии?

4. Что такое баланс активной и реактивной мощности энергообъеди­
нения?

5. Расскажите о видах графиков электрической нагрузки и их показа­
телях.

6. Каковы методы расчета совмещенных графиков нагрузки энергоси­
стемы?

7. Какие виды резервов в энергосистеме вы знаете? Объясните их на­
значение.

3.5. Баланс топлива

Баланс топлива представляет собой соотношение потребления топлива с его добычей, переработкой и транспортировкой. Рас­ходная часть баланса топлива представляет собой сводную харак­теристику потребности в топливе, непосредственно используе­мом в установках, группировку потребителей по их требованиям, предъявляемым к качеству топлива. Поскольку некоторые энерге­тические и технологические установки могут использовать только определенные виды топлива, то, кроме сводных топливных ба­лансов, составляются также балансы по отдельным видам топлива.

Примерная структура потребления топлива в нашей стране включает в себя следующих потребителей, %.

Электростанции:

на производство электроэнергии................................................ 19,0

производство тепла.............................................................................. 11,0

Промышленные отопительные котельные..................................... 9,2

Промышленность (без электростанций и промышленных

котельных)............................................................................................... 27,8

Транспорт (без расхода на производство электроэнергии) ... 9,3