АККУМУЛИРУЮЩИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СТАНЦИИ

Производство электроэнергии на электрических стан­циях и ее потребление различными приемниками пред­ставляют собой процессы, взаимосвязанные таким обра­зом, что в силу физических закономерностей мощность потребления электроэнергии в какой-либо момент време­ни должна быть равна генерируемой мощности.

При идеальном равномерном потреблении электро­энергии должна происходить равномерная работа опре­деленного числа электростанций. В действительности работа большинства отдельных электроприемников не­равномерна и суммарное потребление электроэнергии также неравномерно. Можно привести множество при­меров неравномерности работы установок и приборов, потребляющих электроэнергию. Завод, работающий в од­ну или две смены, неравномерно потребляет электриче­скую энергию в течение суток. В ночное время потребля­емая им мощность близка к нулю. Улицы и квартиры ос­вещают только в определенные часы суток. Работа элек­тробытовых приборов, вентиляторов, пылесосов, электри­ческих печей, нагревательных приборов, телевизоров, радиоприемников, электробритв также неравномерна. В утренние и вечерние часы коммунальная нагрузка наи­большая.

График нагрузки некоторого района или города, пред­ставляющий собой изменение во времени суммарной мощ­ности всех потребителей, имеет провалы и максимумы. Это означает, что в одни часы суток требуется большая суммарная мощность генераторов, а в другие часы часть _ генераторов или электростанций должна быть отключе­на или должна работать с уменьшенной нагрузкой. Число электростанций и их мощность определяются относитель­но непродолжительным максимумом нагрузки потребите­лей. Это приводит к недоиспользованию оборудования и удорожанию энергосистем. Так, снижение числа часов использования установленной мощности крупных ТЭС с 6000 до 4000 ч в год приводит к возрастанию себестои­мости вырабатываемой электроэнергии на 30—35%.

Анализ тенденций в потреблении электрической энер­гии показывает, что в дальнейшем неравномерность по­требления будет увеличиваться по мере роста благосо­стояния населения и связанного с ним увеличения ком­мунально-бытовой нагрузки, по мере повышения электро­вооруженности труда. Сокращение числа рабочих дней в неделе также способствует повышению неравномерно­сти потребления электроэнергии. Такое положение ха­рактерно не только для нашей страны. В большинстве стран Западной Европы неравномерность в потреблении электроэнергии такова, что в течение часа изменение на­грузки достигает 30% от максимальной мощности и в перспективе также ожидается увеличение неравномер­ности. Кардинально изменить характер потребления элек­троэнергии очень трудно, так как он зависит от устано­вившегося ритма жизни людей и ряда не зависящих от „ людей объективных обстоятельств. Например, нельзя изменить того факта,- что электрическое освещение нуж­но в вечерние часы с наступлением темноты.

Энергетики по возможности принимают меры по вы­равниванию графика суммарной нагрузки потребителей. Так, вводится дифференцированная стоимость электро­энергии в зависимости от того, в какой период времени она потребляется. Если электроэнергия потребляется в моменты максимумов нагрузки, то и стоимость ее уста­навливается выше. Это повышает заинтересованность по­требителей в таких перестройках работы, которые бы спо­собствовали уменьшению электрической нагрузки в моменты максимумов потребления в энергосистеме. В целом возможности выравнивания потребления элек­троэнергии невелики. Следовательно, электроэнергетические системы должны быть достаточно маневренными, способными быстро изменять мощность электростанций. В промышленно развитых странах большая часть электроэнергии (80%) вырабатывается на ТЭС, для ко­торых наиболее желателен равномерный график нагруз­ки. На агрегатах этих станций невыгодно проводить ре­гулирование мощности. Обычные паровые котлы и тур­бины на этих станциях допускают изменение нагрузки всего на 10—15% .

Периодические включения и отключения ТЭС не по­зволяют решить задачу регулирования мощности из-за большой продолжительности этих процессов. На запуск тепловой станции в лучшем случае требуются часы. Кро­ме того, работа крупных ТЭС в резко переменном режиме нежелательна, так как приводит к повышенному расходу топлива, повышенному износу теплосилового оборудова­ния и, следовательно, снижению его надежности. Следует учесть также, что ТЭС с высокими параметрами пара имеют некоторые минимальные технически возможные рабочие мощности, составляющие 50—70% от, номиналь­ной мощности оборудования. Все это относится не только к ТЭС, но и к АЭС. Поэтому в настоящее время и в бли­жайшем будущем дефицит в маневренных мощностях («пик» нагрузки) покрывается ГЭС, у которых набор полной мощности с нуля можно произвести за 1—2 мин. Однако в европейской части СССР степень использова­ния экономически эффективных гидроэнергоресурсов уже превысила 40%. Оставшаяся неиспользованной часть ресурсов относится к периферийным районам и неболь­шим водотокам.

Регулирование мощности ГЭС производится следу­ющим образом. В периоды времени, когда в системе име­ются провалы нагрузки, ГЭС работают с незначительной мощностью и вода заполняет водохранилище. При этом запасается энергия. С наступлением пиков включаются агрегаты станции и вырабатывается энергия.

Накопление энергии в водохранилищах на равнинных реках приводит к затоплению обширных территорий, что во многих случаях крайне нежелательно. Небольшие ре­ки малопригодны для регулирования мощности в систе­ме, так как они не успевают заполнить водой водохрани­лище.

Задачу снятия пиков решают гидроаккумулирующие станции (ГАЭС), работающие следующим образом (рис. 2.23). В интервалы времени, когда электрическая нагрузка в объединенных системах минимальна, ГАЭС перекачивает воду из нижнего водохранилища в верхнее и потребляет при этом электроэнергию из системы (рис. 2.23, о). В режиме непродолжительных «пиков» — максимальных значений на­грузки— ГАЭС работает в генераторном режиме и расходует запасенную в верхнем водохранилище воду.

В европейской части СССР возможно соору­жение до 200 ГАЭС. В энергосистемах, распо­ложенных в центральной, Северо-западной и южной Частях, где имеется наи­больший дефицит манев­ренной мощности, естест­венные перепады рельефа позволяют сооружать станции с небольшим на­пором (80—110 м).

На первых ГАЭС для выработки электроэнер­гии использовали турби­ны Г и генераторы Г, а для перекачки воды в верхний бассейн — элек­трические двигатели Д и насосы Я (рис. 2.23,6). Такие станции называли четырехмашинными — по числу уста­навливаемых машин. В силу независимости работы гене­ратора и насоса иногда четырехмашинная схема оказы­вается экономически наиболее выгодной. Совмещение функций генератора и двигателя привело к трехмашинной компоновке ГАЭС (рис. 2.23, 0).

ГАЭС стали особенно эффективными после появления обратимых гидротурбин, выполняющих функции и тур­бин, и насосов (рис. 2.23, г). Число машин при этом све­дено к двум. Однако станции с двухмашинной компонов­кой имеют более низкое значение КПД из-за необходи­мости создавать в насосном режиме примерно в 1,3—1,4 раза больший напор на преодоление трения в водоводах. В генераторном режиме напор из-за трения в водоводах меньше. Для того чтобы агрегат одинаково эффективно работал как в генераторном, так и в насос­ном режимах, можно в насосном режиме увеличить его частоту вращения.

Применение разных частот вращения в обратимых ге­нераторах привело к усложнению и удорожанию их кон­струкции.

КПД агрегата можно повысить также, устанавливая в насосном режиме более крутой угол наклона лопастей турбины.

При реверсивной работе агрегатов возникает ряд тех­нических и эксплуатационных трудностей, например, свя­занных с охлаждением. Предназначенные для охлажде­ния вентиляторы успешно работают только в одном на­правлении вращения.

Перспективы применения ГАЭС во многом зависят от КПД, под которым применительно к этим станциям понимается отношение энергии, выработанной станцией в генераторном режиме, к энергии, израсходованной в насосном режиме.

Первые ГАЭС в начале XX в имели КПД не выше 40%, у современных ГАЭС КПД составляет 70—75%. К преимуществам ГАЭС кроме относительно высокого значения КПД относится также и низкая стоимость строительных работ. В отличие от обычных ГЭС здесь нет необходимости перекрывать реки, возводить высокие плотины с длинными туннелями и т. п. Ориентировочно на 1 кВт установленной мощности на крупных речных ГЭС требуется 10 м³ бетона, а на круп­ных ГАЭС - всего лишь несколько десятых кубометров бетона.

ГАЭС и ветровые электростанции, отличающиеся не­постоянством вырабатываемой мощности, удачно соче­таются между собой При этом трудно рассчитывать на мощность ветровых станций в часы «пик» в энергосисте­ме. Если же вырабатываемую на этих станциях электро­энергию запасать на ГАЭС в виде воды, перекачиваемой в верхний бассейн, то выработанная на ветровых "электро­станциях за какой-либо промежуток времени энергия мо­жет быть использована в соответствии с потребностями системы

Преимущества ГАЭС позволяют широко применять их для аккумулирования энергии.

Механические установки, аккумулирующие энергию. В пиковые часы потребления электроэнергии наряду с ГАЭС можно использо­вать супермаховики.

Супермаховик — это маховик, который можно разгонять до огромной скорости, не боясь его разрыва. Он состоит из концентри­ческих колец, навитых из кварцевого волокна и насаженных друг на друга с небольшими зазорами, заполненными эластичным веще­ством типа резины для предохранения обода от расслоения. Супер­маховик соединен с валом генератора и помещен в герметичный корпус, в котором поддерживается вакуум. Устройство работает как генератор, когда возрастает потребление энергии в системе, и как электродвигатель, когда энергию целесообразно аккумулировать. По некоторым расчетам, затраты на 1 кВт установленной мощности супермаховика меньше, чем при гидроаккумулировании. Разработан проект супермаховика массой 1,96 МН и диаметром 5 м, в котором предусматривается накопление энергии до 20 МВт-ч. Рабочая частота вращения супермаховика - 3500 мин^-1.

На рис. 2.24 показан проект установки с аккумулирующим энергию супермаховиком.

Возможны аккумулирующие установки, создающие запас сжатого воздуха. Энергию этого воздуха Э» можно использовать для приведения в действие турбин, вра­щающих генераторы, которые в пик нагрузки будут отдавать энергию Э_в в сеть.

Электрические установки, аккумулирующие электро-энергию. Такие установки в виде индуктивных или емко­стных накопителей могут подключаться через выпря­митель к сети переменного тока. Индуктивные — получа­ют заряд Э_L=LI²/2, где I — выпрямленный ток; L —ин­дуктивность. Емкостной — заряжается до величины Э_C=CU²/2, где U — выпрямленное напряжение; С — емкость конденсаторов.

Для уменьшения потерь и длительного сохранения накопленной энергии применяются специальные меро­приятия (охлаждение, уменьшение активного сопротив­ления, увеличение L и С и т. д.). Накопленная энергия Э_L или Э_с отдается в сеть через преобразователь в виде энергии переменного тока.