Аккумулирующие электрические станции

   МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ 

   УО  «БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭКОНОМИЧЕСКИЙ  УНИВЕРСИТЕТ» 
 
 
 

   Кафедра технологии важнейших отраслей промышленности 
 
 
 
 
 

   РЕФЕРАТ 

   На  тему:

   АККУМУЛИРУЮЩИЕ  ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СТАНЦИИ 
 
 
 
 
 
 
 

   ВЫПОЛНИЛ:

   Студент ФФБД,                       (подпись, дата)                     А.И. Аксенова

   1 курс, ДФМ-1 
 
 
 

   Проверила,                                                                            С.В. Некраха

   Старший преподаватель          (подпись, дата)                       
 
 
 
 
 

Минск 2011

   Содержание 

    Введение 

       Рождение  энергетики произошло несколько  миллионов лет тому назад, когда  люди научились использовать огонь.  Огонь давал им тепло  и свет, был источником вдохновения и оптимизма, оружием против врагов и диких зверей, лечебным средством, помощником в земледелии, консервантом продуктов, технологическим средством и т.д.

       На  протяжении многих лет огонь поддерживался  путем сжигания растительных энергоносителей (древесины, кустарников, камыша, травы, сухих водорослей и т.п.), а затем  была обнаружена возможность использовать для поддержания огня ископаемые вещества: каменный уголь, нефть, сланцы, торф.

       С развитием возможностей и техники  стали появляться электростанции. Электрическая станция - это совокупность установок, оборудования и аппаратуры, используемых непосредственно для производства электрической энергии, а также необходимые для этого сооружения и здания, расположенные на определённой территории.                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                 

       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 также неравномерна. В утренние и вечерние часы коммунальная нагрузка наибольшая.

       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.

       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. 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. 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. Именно они максимально аккумулируют электроэнергию.

1 Гидроаккумулирующие  электрические станции и принципы  работы 

       Из-за постоянных изменений мощностей  нагрузки электроэнергетические системы должны быть достаточно маневренными, способными быстро изменять мощность электростанций. А это достигается в ГЭС. 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:

       Гидроаккумулирующая электростанция (схема): а — вертикальный разрез; б — план: 1 — верхний аккумулирующий бассейн; 2 — водоприёмник; 3 — напорный водовод; 4 — здание электростанции; 5 — нижнее питающее водохранилище; 6 — плотина с водосбросом; 7 — нормальный подпорный уровень воды; 8 — уровень сработки. 

       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. В режиме непродолжительных «пиков» - максимальных значений нагрузки -  ГАЭС работает в генераторном режиме и расходует запасенную в верхнем водохранилище воду.

       На  первых ГАЭС   для выработки электроэнергии использовали турбины Т и генераторы Г, а для перекачки воды в верхний бассейн — электрические двигатели Д к насосы Н. 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.

       ГАЭС  стали особенно эффективными после  появления обратимых гидротурбин, выполняющих функции и турбин, и насосов. 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 в1,3—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.  
 
 
 

       2 Установки, аккумулирующие энергию 

       Существуют  два вида установок, аккумулирующих энергию:

• Механические;
• Электрические.

       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 МВтч. Рабочая частота вращения супермаховика—3500 мин .

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

       Электрические установки, аккумулирующие энергию:

       Такие установки в виде индуктивных  или емкостных накопителей могут подключаться через выпрямитель к сети переменного тока. Индуктивные — получают заряд:

ЭL=LI²/2,

       где I— выпрямленный ток; L — индуктивность.

Емкостной — заряжается до величины:

Э_с = СU²/2,

       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. 

   3 Потенциал  аккумулирующих станций в Республики Беларусь 

       Гидроэнергетические ресурсы Республики Беларусь и экологически приемлемые, экономически оправданные возможности их использования обусловлены расположением в середине ее равнинной территории водораздела между бассейнами Балтийского и Черного морей, который делит страну на две почти равные части, вследствие чего вытекающие отсюда реки не могут достигнуть значительной мощности прежде, чем оставляют ее границы. Это предопределяет строительство в республике главным образом малых гидроэлектростанций.

       В настоящее время нет общепринятого  для всех стран понятия малой  гидроэлектростанции (МГЭС). Нижним пределом мощности МГЭС принято считать 0,1 МВт: гидроэнергетические установки с меньшей мощностью относятся к категории микроГЭС.

       Состояние гидроэнергетики страны характеризуется  соотнесением запасов ее гидроэнергетических  ресурсов (гидроэнергопотенциала ее рек) и масштаба их освоения. Запасы гидроэнергоресурсов Республики Беларусь составляет теоретический потенциал ее рек - около 7,5 млрд. кВт. часов в средний по водности год, а его часть, которая путем выработки электроэнергии на ГЭС или иными техническими средствами может быть использована (технический потенциал), - 2,5 - 3,0 млрд. кВтч/год.

       Для выявления реальных возможностей освоения запасов гидроэнергоресурсов важна  оценка экономического гидроэнергопотенциала, т. е. той части технического, которая  может быть реализована как экономически эффективное мероприятие, но которая  изменяется во времени в зависимости  от энергетических и экономических (общественных) условий страны. Так, с повышением цен на топливо отмечается тенденция приближения экономического потенциала к техническому.

       В настоящее время экономический  гидроэнергопотенциал в Республике Беларусь составляет 1,3 млрд. кВт-ч/год, или 325 МВт общей установленной мощности возможных ГЭС в условиях Беларуси.

       Энерго-экономическая и общественная эффективность освоения в условиях Беларуси располагаемых гидроэнергетических ресурсов предопределяется следующими преимуществами ГЭС по сравнению с альтернативными им тепловыми электростанциями:

• отсутствием выбросов вредных веществ в атмосферу при функционировании ГЭС;
• относительно низкой себестоимостью вырабатываемой на ГЭС электроэнергии;
• высокой     маневренностью     ГЭС     в     процессе     обеспечения     потребителей электроэнергией,     что     позволяет     вырабатывать     более     пиковую электроэнергию, тарифы на которую в несколько раз превышают тарифы на базовую электроэнергию ;
• возобновляемостью   (неистощимостью)   энергоресурсов   рек   и   их   повсеместной распространенностью;
• возможностью     улучшения     многоцелевого     (комплексного)     водопользования вследствие создания водохранилищ ГЭС.

       Возможно  также негативное влияние водохранилищных  ГЭС на окружающую природную среду  и условия проживания людей в  зонах влияния. Это проявляется, прежде всего, в затоплении и последствиях подтопления земель. Однако, для  уменьшения (предупреждения) этого, основным положением рационального использования  гидроэнергоресурсов в природных  условиях Беларуси, с характерным  для нее равнинным рельефом территории, является проведение технической политики в гидроэнергостроительстве. Она направленна на уменьшение площадей затопления и подтопления путем соответствующего выбора створов и водоподпорных отметок гидроузлов, а также на ограничение площади образующихся мелководий и степени регулирования речного стока, чем достигается уменьшение периода водообмена и тем самым улучшение качества воды в водохранилище.

       В настоящее время в Республике Беларусь действует два десятка  малых ГЭС, большая часть из которых  восстановлена, начиная с 1992 года, из числа ранее заброшенных. Их показатели приведены в таблице 1.

                                               Таблица 1 Действующие гидроэлектростанции

       Неразрывность процесса выработки и потребления  электроэнергии требует от энергосистем оперативного маневрирования мощностями, что достигается вводом в эксплуатацию ГЭС, гидроаккумулирующих электростанций (ГАЭС), газотурбинных и специальных  пиковых паратурбинных электростанций.

       Оптимальным путем развития электроэнергетических  систем считается создание необходимых  маневренных мощностей на ГЭС  или ГАЭС. При этом ГАЭС занимают особое место, поскольку являются как  высокоманевренным источником пиковой  мощности, так и потребителем-регулятором  для заполнения ночного провала  графика электрической нагрузки. В отличие от обычных ГЭС пиковая энергоотдача ГАЭС не зависит от водности года. Строительство ГАЭС требует значительно меньших размеров отчуждения земель, чем для речных ГЭС.

       Следует отметить, что наиболее маневренные  среди тепловых электростанций газотурбинные  установки требуют на пуск агрегата из холодного состояния 15-20 минут, тогда  как время пуска гидроагрегата  ГЭС или ГАЭС только 2 минуты.

       Создание  необходимых мощностей на обычных  ГЭС часто не покрывает потребности  энергосистемы в маневренной  мощности (до 20% от введенной мощности электростанций всех типов). Во многих странах наиболее экономически эффективные гидроэнергоресурсы либо уже использованы, либо ограничены как в природных условиях Беларуси. В такой ситуации наиболее приемлемый путь решения проблемы - создание ГАЭС.

       Следует также отметить, что в современных  условиях, а в перспективе в  особенности, участие ГЭС и ГАЭС в покрытии пиковой части суточного  графика нагрузок и заполнения его  провалов уже не является более основным их назначением. Они должны поддерживать постоянными уровни напряжения и частоты в электроэнергетической системе, выполнять функции резерва быстрого ввода. Это обусловлено особенностями современных промышленных технологий, требующих высокой степени надежности электроснабжения и высокого качества электроэнергии.

       В таблице 6 приведены данные Мирового атласа гидроэнергетики за 2003 г. об участии ГЭС и ГАЭС в установленной  мощности Белорусской энергосистемы  и электроэнергетике сопредельных стран.

   Таблица 6

Показатели  участия ГЭС и ГАЭС в электроэнергетике  Беларуси и

сопредельных  стран 

Прогноз развития гидроэнергетики  в Беларуси до 2020 г.:

1 - прогноз; 2 - изменение общей мощности ГЭС; 3 - то же - ГЭС и ГАЭС. 

       Возможности использования гидроаккумулирования в электроэнергетике не ограничиваются традиционным путем создания ГАЭС для регулирования режима работы энергосистем. В комплексе с ГАЭС возможно более эффективное использование ветроэнергетических установок, что обусловливается нерегулярным характером источника ветровой энергии. Так, в Нидерландах разработан проект энергокомплекса, включающего ветровую электростанцию мощностью 3000 МВт и ГАЭС мощностью 2400 МВт с обратимыми гидроагрегатами напором 23 м, причем бассейны ГАЭС размещены в заливе, отгороженном от моря дамбами.

       В условиях Беларуси имеются пригодные  площадки для размещения ветро-гидроэнергетических комплексов с использованием водоподъемных устройств. Такие комплексы могут функционировать как для гидроаккумулирования энергии ветра, так и для расширения освоения низконапорного потенциала рек. Это достигается путем водоподъема части речного стока на возвышающиеся над руслами рек участки прилегающих земель с последующей обработкой накопленных объемов воды при производстве пиковой электроэнергии, например для локального электроснабжения.