Учебное пособие-2022. Учебное пособие Саяногорск сфу 2007
 Скачать 2.5 Mb.
|
|
1.5. Единая энергетическая система Выдвинутый в плане ГОЭЛРО принцип концентрации производ- ства электроэнергии на мощных государственных районных тепловых элек- тростанциях (ГРЭС), а также районных ГЭС, и централизация электроснаб- жения от общей электрической сети – стали основными направлениями раз- вития электроэнергетики в стране. На начальном этапе создавались районные энергосистемы, а затем они стали соединяться мощными линиями электропе- редачи в крупные энергетические объединения (ОЭС) (рис. 1.1). Термин энергетическая система обозначает систему, обеспечивающую потребителя и электрической и тепловой энергией. Напомним, что электроэнергетика как отрасль промышленности, имеет следующие основные существенные отличия от всех других отраслей: – непрерывность процессов производства, распределения передачи и потребления электроэнергии и обусловленное этим строгое соответствие генерации и потребления в каждый момент времени; – жёсткое взаимодействие в едином производственном процессе большого количества энергетических объектов, размещенных на обширной территории. 18 Рис.1.1. Карта-схема основных электрических сетей объединенной энергосистемы Сибири Эти особенности, а также сверхвысокие скорости протекания неста- ционарных и аварийных процессов в энергосистемах потребовали высокого уровня автоматизации и весьма ответственной роли оперативно- диспетчер- ского управления в энергосистемах. Роль единого оперативного управления очень сильно возросла по мере соединения энергосистем и объединений в Единую энергетическую систему России (ЕЭС России). Она является выс- шей формой организации энергетического хозяйства страны. Благодаря созданию ЕЭС России в результате использования разновре- менности наступления максимальных нагрузок в разных энергосистемах и взаимопомощи энергосистем при авариях, в периоды проведения ремонтов, освоения нового оборудования и т.д. обеспечено снижение суммарной мощ- ности электростанций. Была обеспечена возможность работы ЕЭС России с меньшим резервом мощности по сравнению с изолированной работой, вхо- дящих в неё энергосистем. В ЕЭС России наиболее рационально используются все топливно- энергетические ресурсы страны и обеспечивается оперативное маневрирова- ние ими с оптимальным перераспределением выработки электроэнергии ме- жду различными электростанциями. 19 Для своевременного перераспределения транспортных потоков топлива ЕЭС России оперативно взаимодействует с системой газоснабжения, желез- нодорожным транспортом по перевозке топлива, системой нефтепроводов и нефтеперерабатывающих заводов. В ЕЭС России полностью используются гидроресурсы в период много- водья (за редким исключением), компенсируется недовыработка ГЭС в мало- водные годы. За счёт оптимальной загрузки параллельно работающих электростанций различных типов и увеличения выработки электроэнергии на наиболее со- вершенном оборудовании повышается экономичность работы ЕЭС в целом. В ЕЭС России к 2001 году входят 7 ОЭС: Востока, Сибири, Урала, Вол- ги, Юга, Центра, Северо-запада. В эти ОЭС входят 74 энергосистемы. Режим электропотребления характеризуется суточными, недельными и годовыми графиками нагрузки. Все эти графики для большинства современ- ных энергосистем отличаются значительной неравномерностью. Характер- ным для графика нагрузки является спад кривой потребления в ночные (пер- вые) часы суток, резкое возрастание в утренние часы, в основном за счет включения промышленной нагрузки, и максимум в вечерние часы, когда суммируются промышленная и возросшая бытовая нагрузка. На суточных графиках нагрузки ОЭС Сибири и ЕЕЭС, приведенных на рис. 1.2, видны утренний и вечерний пики нагрузки и представлена ведущая роль ГЭС и ГАЭС в покрытии пиков графика нагрузки. Ведущая роль ГЭС в покрытии пиков графиков нагрузки подтверждена всем имеющимся опытом эксплуатации ЕЭС. Благодаря этой роли повыша- ется экономичность энергосистем не только из-за низкой себестоимости электроэнергии ГЭС (она в несколько раз ниже, чем на ТЭС), но и за счёт снижения удельного расхода топлива на ТЭС. Иначе обстоит дело в энергосистемах, где запасы гидроресурсов уже исчерпаны, а наращивание мощности необходимо. В этом случае ничего не остается, как использовать тепловые электростанции в пиковом режиме ра- боты. Тепловые пиковые электростанции в той или иной мере маневренно- стью обладают, хотя некоторые из них (например, газотурбинные) требуют использования дорогого и дефицитного топлива. Трудность прохождения ночного провала нагрузки в таких энергосистемах заключается в том, что в ночное время в интервале, обычно не превышающем 6 часов, суммарная ве- личина технического минимума тепловых блочных агрегатов по тепловому режиму нередко превосходит величину ночной нагрузки энергосистем, а полный останов на это время блоков нецелесообразен. 20 Рис.1.2. Использование сибирских ГЭС в ЕЭС на уровне 1990 г. а) график нагрузки европейской зоны ЕЭС; б) график перетока электроэнергии Сибирь-Урал; в) график нагрузки ОЭС Сибири В настоящее время признано, что наиболее эффективным способом выравнивания графика нагрузки является аккумулирование энергии в перио- ды минимума нагрузки и отдача накопленной энергии в периоды повышен- ного спроса на неё. Наиболее перспективным для энергосистем с ограничен- ными запасами водотоков является способ гидроаккумулирования, т.е. реше- нием проблемы может быть строительство гидроаккумулирующих электро- станций (ГАЭС). ГАЭС – это электростанция, которая может быть построена вблизи лю- бого водотока, где есть возможность расположить на местности два водоёма на разной высоте (верхний и нижний). Между этими водоёмами (водохрани- лищами) и встраивается электростанция, обладающая гидротурбинами – на- сосами, так называемыми, обратимыми гидротурбинами. Работая в провал нагрузки в насосном режиме, потребляя электроэнергию ночью по низкой цене, ГАЭС перекачивает воду из нижнего водохранилища в верхний резер- вуар. В утренний и вечерний максимумы ГАЭС работает в турбинном режи- ме: сбрасывает воду из верхнего резервуара в нижний и снимает пик нагрузки. ГЭС и ГАЭС обеспечивают автоматическое регулирование частоты то- ка и напряжения в опорных точках ЕЭС. На ГЭС и ГАЭС имеются останов- ленные резервные агрегаты, которые при снижении частоты тока ниже опре- делённого предела, задаваемого диспетчером ОДУ (объединенного диспет- 21 черского управления ОЭС) или диспетчером ЦДУ (центрального диспет- черского управления ЕЭС), автоматически включаются в работу и набира- ют нагрузку в течение 1,5-2 минут от состояния покоя. На растопку котла турбоагрегата необходимо не менее 6 ч. Благодаря описанным выше свойствам ГЭС и ГАЭС, а также разрабо- танным мероприятиям, обеспечивается устойчивость и живучесть ЕЭС, что является основой надёжности её работы. Устойчивость энергосистемы – это способность сохранить параллель- ную (синхронную) работу электростанций при внезапных увеличениях или снижениях нагрузки. Живучесть – это способность не допускать при повреждениях в сис- теме электроснабжения лавинного развития аварий с распространением от- ключений на значительные территории с массовым нарушением питания по- требителей. Маневренные мощности ГЭС и ГАЭС позволили выстроить систему ввода автоматических противоаварийных устройств, автоматически контро- лирующих синхронную работу, величину перетоков электроэнергии, час- тоту тока, напряжение во всех узлах ЕЭС, определяющих её устойчивость и живучесть. Высокие скорости протекания нестационарных процессов в ЕЭС предопределили появление автоматизированной системы диспетчерского управления (АСДУ) и соответствующих иерархическому принципу по- строения противоаварийной автоматики и автоматизированных систем на ГЭС и ГАЭС (АСУ ТП). Таким образом, ГЭС и ГАЭС является основным маневренным элементом ЕЭС и пока единственным оперативным резервом центрального диспетчерского управления ЦДУ и играют очень важную роль в управлении режимом ЕЭС. 22 2. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ И ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ. ИХ ОСВОЕНИЕ 2.1. Мировые энергетические ресурсы Человек свои потребности в пище, одежде, жилье, в комфортных услу- гах может удовлетворить, лишь потребляя значительное количество энергии. Нет энергии – нет современной цивилизации. Чтобы получить энергию, не- обходимо затратить определенное количество природных ресурсов. Энерге- тическими ресурсами считают все природные источники энергии, которые можно превращать в используемые в настоящее время человечеством те или иные виды энергии. Состав энергетических ресурсов и их объём разнообразны; они по мере развития науки и техники постоянно пополняются и изменяются. В нижесле- дующей таблице приводятся ориентировочные данные о составе и количест- ве энергетических ресурсов на Земле: Невозобновляемые ресурсы: кВт∙час∙10 12 – термоядерная энергия 100 000 000 – ядерная энергия деления 547 000 – химическая энергия ископаемых горючих веществ (топливные ресурсы) 55 000 – геотермальная энергия (теплота недр Земли) 134 Ежегодно возобновляемые ресурсы: – энергия солнечных лучей 580 000 – энергия морских приливов 70 000 – энергия ветра 1 700 – энергия рек 33 Органическое топливо: уголь, нефть, газ, начиная с ХIХ века, были и остаются основными источниками потребляемой энергии, и их потребление ежегодно растёт. По данным МИРЭК (Мировой Энергетической Конферен- ции) потребление первичных энергетических ресурсов за ХХ век выросло более чем в 10 раз и превысило 10 млрд. тонн условного топлива (понятие, применяемое для сопоставления различных видов органического топлива и его суммарного учета). В качестве единицы условного топлива (у.т.) прини- мают 1 кг топлива с теплотой сгорания 7000 ккал. Соотношение между ус- ловным топливом Ву и натуральным Вн выражается зависимостью Ву = Э ∙ Вн, где Э – коэффициент, который принимают: для нефти равным 1,4; для кокса – 0,33; для торфа – 0,4; для природного газа – 1,2). Суммарный расход 23 условного топлива человечеством оценивается приблизительно в 300 млрд. тонн. Мировые ресурсы органического топлива ограничены. Они практиче- ски не возобновляются. При нынешних объёмах потребления энергоресурсов и темпах его рос- та (например, с 1950 г. по 1970 г. рост потребления энергоресурсов составлял 4,5% в год) разведанные основные запасы способны обеспечить необходи- мый уровень добычи: – угля – на 240 лет; – природного газа – на 50 лет; – нефти – на 30 лет. Энергоресурсы в мире распределены неравномерно. Так, две трети ми- ровых запасов угля приходится на три страны – Россию, США и Китай. Структура потребления органического топлива со временем меняется. Так, в первой половине ХХ века основным топливом был уголь, во второй половине ХХ века стала расти доля углеводородного топлива – нефти и газа (в настоящее время до 65% в общемировом энергетическом балансе). Угроза истощения мировых запасов органического топлива заставляет принимать меры по сокращению их потребления. Основных путей три: а) более широкое использование возобновляемых источников энер- гии (энергии рек, ветра, геотермальной, солнечной энергии); б) открытие новых источников энергии – однако, к примеру, ещё не- давно большие надежды связывались с использованием термоядерной энер- гии, однако в ближайшие годы вряд ли приходится рассчитывать на про- мышленное использование термоядерной энергии; в) энергосбережение; переход на энергосберегающие технологии – длительный и дорогостоящий процесс, он требует коренной переделки мно- гих промышленных технологий, кроме того, возможности энергосбережения не безграничны; переход на энергосберегающие технологии позволяет уменьшить потребление энергии примерно на треть. Основную часть электрической энергии в мире в целом дают тепловые электростанции. В топках тепловых электростанций сжигается более 20% всего добываемого органического топлива. То есть 20% всего органического топлива поступает потребителю в виде электрической и тепловой энергии. ГЭС и АЭС дают примерно треть электроэнергии. Вклад новых возобновляемых источников энергии (геотермальные, солнечные, ветряные, приливные электростанции) в мировой энергетический баланс пока ещё пренебрежимо мал. Из традиционных источников электри- ческой энергии (тепловой, атомной и гидравлической) возобновляемой явля- ется только гидроэнергия. Однако энергетические возможности гидроэнер- гии также ограничены и определяются энергетическим потенциалом рек. 24 2.2. Водные ресурсы и их использование 2.2.1. Водные ресурсы Водные ресурсы Земли (гидросферу) составляют океаны, моря, ледни- ки, озёра, реки, пары воды в атмосфере. Общий объём водных ресурсов око- ло 1,5 млрд. км3, из них более 90% – воды морей и океанов. Объём воды, приходящийся на сушу, составляет 90 млн. км3, главные составляющие этого объёма – подземные воды (60 млн. км3) и вода ледников (29 млн. км3). В этом балансе на озёра падает 750 тыс. км3. На реки приходится незначительная часть гидросферы Земли. В каж- дый момент времени в реках течёт в среднем всего 1200 км3 воды, а средне- годовой сток рек земного шара составляет 38 тыс. км3, в том числе на Европу приходится около 3 тыс. км3, на Азию – около 13 тыс. км3. Годовой речной сток России составляет 4,17 тыс. км3, то есть 11% общемирового. При оценке энергетического потенциала рек следует различать: – валовой (теоретический) потенциал – суммарный энергетиче- ский потенциал речного стока по отношению к уровню морей; – технический потенциал – составляет на сегодня 0,64 от валово- го (при современном уровне техники 0,36 от валового потенциала теряется при его освоении); – экономический потенциал – часть технического потенциала, которую экономически выгодно использовать (при сравнении с другими ви- дами электростанций). Распределение ресурсов речного стока по территории России неравно- мерно и неблагоприятно в отношении размещения центров электропотребле- ния. Большая часть речного стока (около 85%) формируется в северных и се- веро-восточных районах страны, наименее нуждающихся в водных ресурсах. На долю территорий, где сосредоточено около 80% населения, приходится лишь 15% речного стока. Согласно учёту гидроэнергоресурсов, проведённому более 30 лет на- зад, экономический потенциал водных ресурсов России оценен в 852 млрд. кВт∙ч. На начало 2000 года этот потенциал использован на 19%, в том числе в Европейской части на 46,4%, в Сибири на 19,7%, на Дальнем Востоке всего лишь на 3,3%. По степени освоения экономически эффективных гидроэнергетических ресурсов Россия значительно уступает таким экономически развитым стра- нам, как США и Канада, где степень их освоения составляет 50-55%; в евро- пейских странах и в Японии – 60-80%. 25 Таблица 2.1 В России наибольший экономический потенциал сосредоточен в Вос- точносибирском экономическом районе – 345 млрд. кВт∙ч., Дальневосточном – 299 млрд. кВт∙ч и Западносибирском – 77 млрд. кВт∙ч . 2.2.2. Водные объекты и протекающие в них процессы Изучением природных вод и процессов, в них протекающих занимается гидрология. По виду изучаемых объектов гидрология подразделяется на гид- рологию суши (или просто гидрологию) и на гидрологию морей и океанов, называемую океанологией. Разделы гидрологии суши, которые связаны не- посредственно с решением практических инженерных задач, называют ин- женерной гидрологией. В инженерной гидрологии особо важными для практики являются гид- рологические расчеты, позволяющие после ряда лет измерений уровней и расходов реки в различных условиях: – предсказывать (прогнозировать) поведение реки в естественных условиях в будущем; – трансформировать (перераспределять) сток реки, перекрытой плотиной, с целью наиболее рационального использования воды для нужд энергетики, водоснабжения, ирригации, судоходства и т.п. Введем некоторые термины, характеризующие реку. Створ – поперечное сечение реки. Сток (W) - объем воды, протекаю- щей через створ (сечение) реки за определенное время, например, за год. Сток реки переменчив и зависит от многих факторов (климата, количества осадков в году, наличия растительности по берегам и т.д.). Расход (Q) – это объём воды, протекающий в единицу времени через живое сечение реки (из- меряется в м3/с). Под живым сечением реки понимается площадь попереч- ного сечения реки (ω). Основная характеристика стока реки в данном створе (поперечном се- чении) – это гидрограф – график изменения расходов воды во времени. Река Экономический потенциал, млрд. кВт.ч Использованный потенциал, млрд. кВт.ч Река Экономический потенциал, млрд. кВт.ч Использованный потенциал, млрд. кВт.ч Енисей 125,0 51,6 Обь 94,0 2,3 Лена 227,8 0,2 Колыма 27,0 2,4 Ангара 163,0 53,0 Вилюй 7,2 2,6 Амур 43,0 0,0 Зея 15,0 5,0 Волга 46,3 32,5 Кама 9,7 7,2 26 В разное время года на расходы и уровни воды в реке оказывает влия- ние много факторов. С наступлением устойчивого периода минусовой тем- пературы на реке образуется ледостав. Ледоставу предшествует образование шуги – шугоход (плывущие сгустки льда на поверхности и внутри потока). Шуга может забивать живое сечение русла, в результате чего образуется за- жор. С наступлением теплого времени года за счёт снеготаяния расход в реке увеличивается и происходит взламывание льда и его движение – ледоход. В суженных или разветвленных участках русла и на крутых поворотах массы льда в период ледохода нагромождаются, подныривают под ледяной покров, в результате образуется затор. В гидрологии при изучении водного режима рек различают несколько характерных фаз, соответствующих зонам максимумов и минимумов на гид- рографе. Было уже отмечено, что для условий России ежегодно повторяю- щаяся в один и тот же сезон фаза водного режима, характеризующаяся наи- большей водностью в году от снеготаяния и таяния ледников, называется по- ловодьем, а также наименьшая летом и зимой – меженью. Кратковременное в сравнении с половодьем повышение стока, не приуроченное явно к опреде- ленному периоду года и повторяющееся в течение года по несколько раз, на- пример от дождей, называется паводком. Указанные явления (половодья, паводки, заторы, зажоры) приводят к резкому изменению уровня воды, они сложны для прогнозирования. Изуче- ние и учёт их (гидрологические расчёты) при водохозяйственном использо- вании водотока с целью оптимального удовлетворения потребностей водо- пользователей является одной из важных составляющих частей |