Гидроаккумулирующие электрические станции

Размещено на http://www.allbest.ru/

Гидроаккумулирующие электрические станции

Гидравлическое аккумулирование электрической энергии осуществляется гидроаккумулирующими электростанциями (ГАЭС), сооружение которых способствует комплексному решению ряда энергетических, топливно-энергетических и водохозяйственных проблем.

Планомерно увеличивающиеся масштабы промышленного и сельскохозяйственного производства обуславливают значительные приросты электропотребления. Удовлетворения этого прироста электропотребления энергетическими мощностями невозможно без концентрации мощностей на электростанциях и отдельных агрегатах.

Концентрация мощностей агрегатов и электростанций обеспечивает более быстрый ввод мощностей в энергосистемах, повышение экономичности электростанций, уменьшение потребности в трудовых ресурсах при строительстве и эксплуатации, снижение металлоемкости.

Наряду с положительными сторонами насыщение энергетических систем тепловыми и атомными электростанциями огромной мощности усугубляет трудности с покрытием минимальных нагрузок. Ограниченный диапазон регулирования мощности крупноблочных агрегатов и невозможность частых пусков и остановок без резкого снижения надежности и экономичности работы энергосилового оборудования, тепловых и атомных электростанций затрудняет покрытие неравномерной части графиков электрической нагрузки. Неравномерность режима электропотребления наблюдается не только в течение суток (внутри суточная неравномерность), но и по дням недели (внутри недельная неравномерность), и сезонам года (внутригодовая неравномерность).

В этих условиях неразрывность процесса производства и потребления электроэнергии требует от энергосистем значительного маневрирования мощностями электростанций и агрегатов. Однако современное оборудование ТЭС и АЭС не приспособлено к резко переменному режиму работы. Тратиться огромные средства на различного рода усовершенствования, реконструкцию отдельных узлов агрегатов и на устранения неполадок. При решении указанной проблемы гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС) занимают особое место, так как они одновременно являются высокоманевренным источником пиковой мощности и потребителем регулятором. В отличии от гидроэлектростанций обычного типа пиковая энергоподача ГАЭС не зависит от водности года.

Основным назначением гидроаккумулирования является повышение надежности, маневренности и экономичности работы энергосистем, что достигается совместным решением задач по прохождению ночного провала суточных графиков нагрузки, покрытию их пиковой части, улучшению режима теплового оборудования ТЭС и созданию условий для увеличения мощности базовых электростанций.

Принцип работы

Практически во всем мире в современных энергообъединениях почти исключительное распространение получило гидроаккумулирование - благодаря соизмеримости мощности и количества перераспределяемой энергии ГАЭС с потребностями энергосистем.

Проблема покрытия пиковых нагрузок и прохождения периодов сниженного электропотребления в последние десятилетия во всем мире становится все более актуальной в связи с разуплотнением графиков нагрузок современных энергосистем, увеличением количества маломаневренных турбоагрегатов повышенной мощности ТЭС и АЭС, а также значительной степенью освоения экономически выгодных для использования гидроресурсов.

Одним из возможных и наиболее эффективных способов решения этой проблемы является строительство и использование мощных ГАЭС, которые характеризуются уникальным сочетанием функций пиковой станции и потребителя-регулятора, способного в период ночного провала суточного графика нагрузок обеспечить потребление избыточной электрической мощности теплофикационного оборудования ТЭС и АЭС. Кроме того, на эти станции часто возлагают функции регулирования частоты и напряжения в энергообъединении.

Работа ГАЭС, как и других аккумуляторов энергии, заключается в смене двух режимов: накопления энергии (заряда) и ее выдачи потребителям (разряда).

Заряд ГАЭС осуществляется путем подъема воды гидромашинами с электрическим приводом из нижнего водохранилища в верхнее (верхний аккумулирующий бассейн). Заряд производится, как правило, во время ночных провалов электропотребления, когда в энергосистеме в связи с проблемами регулирования или необходимостью выполнения теплового графика нагрузки образуется излишняя генерирующая мощность. При разряде, осуществляемом в часы максимума нагрузки или в аварийной ситуации в энергосистеме, потенциальная энергия поднятой воды преобразуется в электрическую. При этом вода, срабатываемая из верхнего бассейна в нижний, пропускается через турбины или обратимые гидромашины в турбинном режиме, работающие совместно с реверсивными электромашинами, которые генерируют электрический ток, как и на обычных ГЭС. Таким образом, ГАЭС при заряде работают как насосные станции, а при разряде - как гидроэлектростанции.

Основными предпосылками применения гидроаккумулирования энергии и развития этого вида гидроэнергетики являются:

потребность в маневренной мощности для покрытия пиков нагрузки и компенсации ее кратковременных изменений;

уплотнение суточного графика нагрузки с использованием дешевой ночной электроэнергии;

увеличение мощности и оптимизация работы базовых электростанций;

экономия топлива в энергосистеме в сравнении с другими вариантами пиковой мощности;

обеспечение быстрого оперативного и аварийного резерва;

участие в регулировании режимных параметров с целью обеспечения нормативного качества электроэнергии.

Функциональные возможности ГАЭС могут быть разделены на две группы:

стандартный набор системных услуг - независимо от места расположения;

специфические услуги, зависящие от конкретного расположения ГАЭС.

Стандартные функциональные возможности ГАЭС в различных режимах представлены ниже.

Нормальный режим:

регулирование баланса мощности (нагрузки и генерации);

регулирование напряжения в активных режимах (генераторном и насосном);

компенсация реактивной мощности (режим СК);

регулирование частоты;

оперативное резервирование мощности (нагрузки и генерации).

Аварийный режим:

аварийное (быстрое) резервирование мощности (нагрузки и генерации);

форсировка реактивной мощности (для повышения предела устойчивости).

Послеаварийный режим:

оперативное резервирование мощности (нагрузки и генерации);

обеспечение разворота ТЭС при их полном погашении и отсутствии других источников генерации.

Классификация гидроаккумулирующих электростанций

гидроаккумулирующий электростанция энергия электрический

Гидроаккумулирующие электростанции в отличие от обычных ГЭС представляют собой комплекс сооружений и оборудования, предназначенный не только для генерирования электроэнергии, но и для ее аккумулирования. Поэтому, во многом сохраняя конструктивное и компоновочное сходство с обычными ГЭС, ГАЭС имеют и свои особенности. Независимо от индивидуальных особенностей каждой ГАЭС, все они имеют в том или ином конструктивном виде основной набор компоновочных элементов: верхний аккумулирующий и нижний бассейны, здание ГАЭС, водоприемник (один или два), напорные водоводы.

Широкий диапазон напоров и разнообразие применяемых схем ГАЭС обусловливают большое количество возможных компоновочных решений, которые в первую очередь зависят от рельефа местности и геологических условий.

Классификация ГАЭС может быть выполнена по ряду признаков:

по совмещению ГАЭС с обычными ГЭС - совмещенные и несовмещенные;

по схеме концентрации напора - приплотинные и деривационные;

по величине действующего напора - низконапорные (40-60 м), средненапорные (120-150 м) и высоконапорные (свыше 200 м);

по компоновке элементов гидроузла - с наземными, подземными или полуподземными машинными зданиями;

по конструкции напорных водоводов - с открытым или подземным расположением;

по конструкции верхнего и нижнего бассейнов - с искусственно сооружаемыми или естественными бассейнами (в том числе могут быть использованы бассейны ГЭС, ТЭС или АЭС);

по наличию естественной приточности - с приточностью в верхний бассейн, с приточностью в нижний бассейн;

по типу (компоновке) основного гидроэнергетического оборудования - с двухмашинными, трехмашинными или четырехмашинными гидроагрегатами;

по длительности цикла насосного аккумулирования - с суточным, недельным и сезонным (годичным) циклом работы.

По первому признаку ГАЭС различаются в зависимости от их совмещения с обычными ГЭС. Если источником электроэнергии, вырабатываемой ГАЭС при разряде, является только аккумулированная электроэнергия, получаемая ими от энергосистемы во время заряда, то такие станции являются несовмещенными с ГЭС. Естественная приточность воды в верхний аккумулирующий бассейн таких станций практически отсутствует, а полезные (оборотные) объемы верхнего и нижнего бассейнов одинаковы.

Несовмещенные гидроаккумулирующие электростанции называются ГАЭС «чистого», а иногда «полного» аккумулирования. К несовмещенному типу относится Загорская ГАЭС.

Совмещенное гидроаккумулирование по напору осуществляется в схемах с переработкой стока, когда высота насосного подъема воды на водораздел меньше напора, подводимого к гидротурбинам. При этом насосное и турбинное оборудование расположено в разных местах и на разных станциях: насосной и гидроэлектрической.

Совмещенное гидроаккумулирование по расходу применяется на станциях, использующих естественный сток рек и озер, который служит для дополнительной выработки электроэнергии наряду с выработкой при разряде ГАЭС. Аккумулирующей емкостью верхнего бьефа является водохранилище, которое также регулирует сток, а емкость нижнего бьефа-резервуара создается подпором нижележащей ступени ГЭС или специально созданной низконапорной плотины. Такие станции называются сокращенно ГЭС-ГАЭС. По такой схеме создается Зеленчукская ГЭС-ГАЭС, имеющая два обратимых гидроагрегата ГАЭС и два обычных гидроагрегата ГЭС по 70 МВт каждый. Верхнее водохранилище Зеленчукской ГЭС-ГАЭС искусственное с приточностью за счет отбора части стока рек Большой Зеленчук и Малый Зеленчук. Перебрасываемый в р. Кубань сток будет использоваться на нижележащих Кубанских ГЭС, расположенных на Большом Ставропольском канале, и на проектируемых Красногорских ГЭС на р. Кубань. Предполагалось, что Верхне-Красногор-ская ГЭС в своем верхнем бьефе создаст подпор для нижнего бьефа Зеленчукской ГЭС-ГАЭС и таким образом образует нижнее водохранилище ГАЭС. Однако при рабочем проектировании по техническим и организационным соображениям было принято решение о создании самостоятельного нижнего бассейна этой станции.

В районах, бедных гидроресурсами, получили преимущественное распространение ГАЭС несовмещенного гидроаккумулирования. Такие станции строятся при наличии соответствующих естественных условий: возможности концентрации наибольшего напора с расположением верхнего и нижнего бассейнов на наименьшем расстоянии один от другого. Для верхних бассейнов могут использоваться как существующие водоемы - озера и водохранилища, так и специально создаваемые искусственные бассейны. В качестве нижних, помимо рек и озер, может использоваться акватория морских заливов.

Наибольшее распространение в практике зарубежного строительства ГАЭС получили высоконапорные деривационные схемы с подземными компоновками основных элементов гидроузлов. Для равнинных ГАЭС России, Прибалтики и Украины с напором около 100 м более характерны деривационные схемы с открытым расположением напорных трубопроводов. Во всех деривационных схемах ГАЭС применяется напорная деривация. В соответствии с этой схемой созданы Загорская ГАЭС в России, Круонисская в Литве, Ташлыкская на Украине и др.

Величина напора на проектируемых ГАЭС, особенно ГАЭС наземного и полуподземного типа, зависит от топографических условий в районе площадки, выбранной для строительства. При выборе площадок при равенстве вариантов по прочим условиям выбирают вариант с большим напором.

Теоретическая мощность водотока (без учета потерь стока и водной энергии при ее преобразовании в электрическую в турбинном режиме) определяется следующим образом:

= 9,81QH, где N - мощность водотока, кВт;- расход воды, м3/с;- напор, м.

Силой, осуществляющей работу водяного потока, является вес воды. Работа потока определяется напором (Н) водотока, т.е. разностью уровней воды в начале и конце рассматриваемого участка, и величиной расхода (Q) протекающей воды.

Из приведенной формулы видно, что при увеличении напора при неизменной мощности пропорционально уменьшается необходимый расход воды. Это означает, что чем больше напор, тем меньше расход воды, меньше диаметр напорных трубопроводов, меньше габариты рабочего колеса насосотурбины и, следовательно, меньше габариты машинного здания и стоимость всего сооружения.

Стремление к увеличению напора ГАЭС не совмещённого гидроаккумулирования и минимизации воздействия на природную среду привело к разработке схем шахтного типа с подземным расположением не только машинного зала, но и нижнего бассейна, создаваемого в скальных породах на глубине 500 и более метров. При этом в качестве нижнего бассейна могут использоваться отработанные рудничные выработки, карстовые полости или специально сооружаемые системы галерей. В качестве верхнего резервуара может использоваться существующий водоем, который является одновременно прудом-охладителем ТЭС или АЭС, а также естественный водоем в виде речной акватории или морского залива.

Использование компоновки гидроузла ГАЭС с подземным нижним водохранилищем отличается высокой экономичностью и возможностью применения во многих равнинных регионах, не имеющих естественных перепадов высот. Предварительные проектные проработки показывают, что применением подземных компоновок с высоким напором можно добиться уменьшения удельной стоимости ГАЭС на 25-30 % по сравнению с наземными или полуподземными компоновками.

Машинные здания полуподземного (заглубленного) типа применяются в случае заглубления напорных трубопроводов относительно земной поверхности и при необходимости обеспечения превышения уровня воды в нижнем бьефе над рабочим колесом насосотурбины для ослабления кавитационных процессов.

Размещено на Allbest.ru