Поиск по сайту
Начало >> Книги >> Архивы >> Накопители энергии в электрических системах

Гидроаккумулирующие электростанции - Накопители энергии в электрических системах

Оглавление
Накопители энергии в электрических системах
Введение
Тенденции развития потребителей энергии
Основные направления развития генерирующих мощностей
Накопители энергии - новая структурная единица
Параметры сопоставления накопителей энергии
Гидроаккумулирующие электростанции
Магнитогидродинамические электростанции
Тепловые накопители энергии
Накопители электрической энергии
Топливные элементы
Емкостные накопители энергии
Сверхпроводниковые индуктивные накопители энергии
Линейные накопители электрической энергии
Сравнение типов накопителей энергии
Режимные параметры накопителей энергии
Режимы потребления электроэнергии
Экономико-математическая модель электроэнергетической системы
Улучшение режима и повышение его надежности
Задача оптимизации режимов работы накопителя энергии
Методы решения задач оптимизации
Технико-экономические показатели функционирования
Заключение

Гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС) — старейший тип энергетических установок, предназначенных для работы в переменной части графика нагрузки. Они эксплуатируются с конца XIX в. Суммарная установленная мощность ГАЭС в мире равна 44-103 МВт. Несколько ГАЭС суммарной мощностью 11 000 МВт находятся в стадии строительства.
Принцип работы ГАЭС прост: имеются два резервуара с водой (верхний и нижний бьеф), расположенные друг от друга по высоте на несколько десятков метров. В период прохождения провала нагрузки насосная установка ГАЭС перекачивает воду из нижнего бьефа в верхний и происходит ее заряд. Во время прохождения максимума нагрузки ГАЭС работает как обычная гидростанция.

За последние 10—15 лет ГАЭС, используемые для покрытия пиковой части графиков нагрузки, получили широкое распространение во многих странах. Мощность отдельных ГАЭС достигает 1 ГВт, строятся и проектируются ГАЭС мощностью до 1,2—3,0 ГВт. Например, в Великобритании действует ГАЭС Festiniog, вводится в строй ГАЭС Dinorvic. В системе Центрального энергопроизводства (CEGB) Великобритании с помощью ГАЭС частично решается проблема замены вращающегося резерва. В Японии действуют пять ГАЭС энергоемкостью от 1000 до 8000 МВт-ч; запланировано сооружение еще девяти таких станций. Крупнейшей в мире является Лудингтонская ГАЭС (США) на берегу озера Мичиган, способная запасать до 15 000 МВт-ч (6-1013Дж) энергии.
В качестве верхнего резервуара ГАЭС, по возможности, используется какое-нибудь ущелье в горах или долина, которые перегораживаются плотиной. Нижним резервуаром может быть озеро (как в Динорвике) или река (например, р. Теннесси в горах Рэкун Маунтин, США).
При постройке ГАЭС используют горные районы, которые обычно значительно удалены от центров нагрузки, что приводит к большим затратам на ввод новых ЛЭП. Для расширения возможности выбора площадок для строительства ГАЭС используют схемы, где нижним резервуаром является море. Однако в этом случае необходимы специальные меры по защите оборудования от коррозии.
В ряде стран уделяется внимание следующему способу строительства ГАЭС: верхний резервуар находится на поверхности земли, а в качестве нижнего используются глубоко расположенные подземные полости. Сама станция помещается вблизи нижнего резервуара и связана с верхним при помощи вертикальных водоводов, а с поверхностью земли — специальными шахтными стволами. Исследование таких станций производится в США, Канаде, СССР, Великобритании.
В СССР только в последнее время начало уделяться достаточно серьезное внимание вопросам гидроаккумулирования. Первой ГАЭС, сооруженной в нашей стране, является Киевская ГАЭС на Днепре, водозаборные сооружения которой расположены в нижнем бьефе Киевской ГЭС. ГАЭС имеет невысокий напор (66 м) и установленную мощность 225 МВт при довольно высоких капиталовложениях (269 руб/кВт). В режиме разряда она работает около 3 ч, в режиме заряда — около 7 ч.
Загорская ГАЭС мощностью 1200 МВт при расчетном напоре 100 м строится на р. Кунье, левом притоке р. Дубны (рис. 2.1). В состав сооружений ГАЭС входят верхний 1 и нижний 5 аккумулирующие бассейны и станционный узел. Верхний аккумулирующий бассейн (его полный объем 29,7 млн. м3, площадь зеркала 260 га) образован из земляных дамб высотой от 8 до 35 м и примыкает к водоприемнику 2, предназначенному служить водозабором при работе ГАЭС в турбинном режиме и водовыпуском в насосном режиме. Дамбы длиной по гребню 8800 м трассированы в плане по наиболее высоким участкам местности. Нижний аккумулирующий бассейн расположен на р. Кунья, его полный обьем,см — 33,2 млн. м3, полезный — 22,0 млн. м3. В состав сооружений бассейна входят низовая плотина 6 с донным водоспуском для сброса части стока реки (в строительный и эксплуатационный периоды) и верховая плотина 7 с поверхностным водосливом для поддержания постоянного горизонта в черте города. Каждые сутки при работе ГАЭС колебание горизонтов воды в бассейнах составляет () м. В состав станционного узла, расположенного на левобережном склоне долины реки, входят водоприемник 2, сталежелезобетонные напорные трубопроводы 3, здание ГАЭС 4 с шестью обратимыми гидроагрегатами мощностью по 200 МВт, сопрягающие подпорные стенки, открытое электрическое распределительное устройство, рассчитанное на напряжение 500 кВ.

Рис. 2.1. Схема Загорской ГАЭС
В табл. 2.1 приведены основные технико-экономические показатели строящихся и проектируемых в СССР ГАЭС.
Для ГАЭС характерно, что с увеличением напора снижаются удельные капиталовложения. Исследования показывают, что оптимальная эффективность ГАЭС может быть обеспечена при напорах не менее 100 м. Специалисты считают, что оптимальная мощность ГАЭС должна составлять 10—15% от суммы установленных мощностей ээс.
За 90 лет с начала применения ГАЭС показатели их работы улучшились: мощность одной турбины с нескольких десятков киловатт увеличилась до 400 МВт и более; рабочий перепад высот увеличился с 50 до 1400 м и более; общий КПД возрос примерно с 10 до 77%.

ГАЭС

Напор, м

Мощность
ГАЭС,
МВт

Мощность
обратимой
гидрома
шины,
МВт

Удельные
капитало
вложения,
руб/кВт

Киевская

66

225

100

269

Загорская

109

1200

200

170

Кайшядорская

110

1600

200

165,5

Днестровская

149

2160

128,5

157

Пана-Ярвинская

5000

130

Средне-Волжская

2000

265

Краснодарский ирригационный комплекс

2100

212

До 1920 г. большинство ГАЭС имели конструкцию, состоявшую из четырех основных узлов: турбины, генератора, двигателя и насоса. Турбина с генератором имела один общий вал, а двигатель и насос — другой. Достоинства данной конструкции: простота, доступность, возможность быстрого реагирования на изменения нагрузки в системе. Однако постройка такой станции требует больших капиталовложений, что сводит к нулю все преимущества конструкции. Поэтому в течение многих лет предпочтение отдавалось конструкции из трех узлов: турбины, насоса и генератора-двигателя, расположенных последовательно на одном общем горизонтальном или вертикальном валу. Такие ГАЭС широко распространены в Европе. На самых современных станциях используются установки, состоящие из двух узлов, один из которых представляет собой реверсивную турбину-насос. Благодаря этому достигается сокращение капиталовложений, но несколько снижается КПД и увеличивается время реверса мощности. Самая мощная ГАЭС, постройка которой уже осуществляется, будет иметь проектную мощность свыше 2800 МВт, что сравнимо с мощностью крупнейших ТЭС. Вращающиеся агрегаты ГАЭС принимают нагрузку в течение нескольких секунд из недогруженного состояния и 1,5—2 мин — из нерабочего состояния.
Это позволяет ГАЭС выполнять функции частотного и аварийного резерва помимо покрытия кратковременных пиков нагрузки в ЭЭС. Кроме того, ГАЭС могут выполнять роль генераторов реактивной мощности при работе в режиме синхронного компенсатора как на холостом ходу, так и в процессе заряда и разряда.

Время реверса мощности может быть уменьшено с помощью гидроаккумулирующей установки, которая не предъявляет специальных требований к месту сооружения. Принцип работы такой установки аналогичен работе ГАЭС. При прохождении минимума нагрузки гидроаккумулирующая установка переводится в режим накопления энергии. Ее обратимый генератор работает в режиме двигателя, нагрузкой которому служит погруженная в водоем полая емкость; чем глубже она опущена под воду, тем больше энергии накоплено. 

В Советском Союзе разработан технический проект аварийно-пиковой ГТЭС мощностью 140 МВт с использованием авиадвигателей РД-3М-300, рассчитанной на работу в течение 1000 ч/год.
Одним из важнейших требований к ГТУ является увеличение их единичной мощности. В СССР с 1970 г. на Красноярской ТЭЦ работает ГТУ мощностью 100 МВт. В США проектируется объединение блочных ГТУ в группы мощностью до 80 МВт и более. Мощность таких ГТЭС достаточна для резервирования практически любого узла нагрузки. Удельная стоимость установленной мощности ГТЭС на 30—40% меньше, чем на современной паротурбинной станции. Специальных требований к установке ГТЭС не предъявляется, поэтому их можно располагать близко к узлам нагрузки, что значительно повышает экономичность таких станций*.

* Это возможно только при наличии глушителей, поскольку ГТУ создают весьма высокий уровень шума.

При проектировании и эксплуатации ГТЭС как пиково-резервных можно получить дополнительные преимущества:
сокращение капиталовложений на ЛЭП от базовых ЭС;
уменьшение потерь электроэнергии в ЛЭП, что особенно важно в часы пик.
Недостатками ГТУ являются: невысокий КПД установок; использование дорогого дефицитного жидкого или газового топлива, что в условиях резкого повышения цен на него недопустимо; необходимость в звукоизоляции и принятии защитных мер от загрязнения воздуха отработанными газами; невозможность участвовать в заполнении провалов графика нагрузки.

Существенное уменьшение расхода топлива и повышение отдаваемой в ЭЭС мощности может быть достигнуто сочетанием ГТУ с пневматическими аккумуляторами, так как они высвобождают мощность, потребляемую компрессором во время работы газовой турбины. Аккумулирование воздуха в специальном резервуаре с помощью компрессора превращает ГТУ из чисто пиковой установки в НЭ. Мощность компрессора составляет 66% от мощности обычной ГТУ.
Воздушно-компрессионный способ аккумулирования энергии был впервые запатентован в 1949 г., однако первая в мире установка, работающая по этому принципу, была построена лишь в 1978 г. фирмой «Браун Бовери» в г. Гунторф (ФРГ). Пневматический накопитель сооружен на базе двух подземных хранилищ сжатого воздуха емкостью 300 тыс. м3, которые расположены на глубине 650—800 м в соляных куполах и работают практически без утечки. Время заряда накопителя 8 ч, разряда — 2 ч; потребляемая мощность — 60 МВт.
В Швеции, Финляндии, Дании, Югославии, Франции и США проявляется значительный интерес к проблеме промышленного применения принципа аккумулирования сжатого воздуха.
Принцип действия ВАГТЭС заключается в следующем: в часы прохождения минимума нагрузки она работает в режиме накопления энергии — воздух с помощью компрессора закачивается в специальное хранилище (естественные каверны, выработанные газо- и нефтяные месторождения, искусственные объемы). В период прохождения пика нагрузки сжатый воздух (при выключенном компрессоре) подается из хранилища в камеру сгорания ГТУ. Вся мощность газовой турбины используется для выработки электроэнергии, возрастающей на ВАГТЭС по сравнению с собственно ГТУ в 3 раза.

Рис. 2.2. Схема работы простейшей ГТУ:
1 — газовый генератор; 2 — выхлопная труба; 3 — электрогенератор; 4 — турбина
Рассмотрим энергетический баланс ГТУ, изображенной на рис. 2.2. Для производства одной единицы электрической энергии необходимо затратить четыре единицы топлива. Из этого же количества топлива турбина вырабатывает три единицы механической энергии; две из них нужно затратить на приведение в действие компрессора.

Рассмотрим работу ВАГТЭС, изображенной на рис. 2.3. Если она работает в аккумулирующем режиме, то из системы необходимо взять две единицы электрической энергии для приведения в действие компрессора. В случае работы установки в режиме производства электрической энергии расходуется шесть единиц топлива, а вырабатываются три единицы электроэнергии.. Из трех единиц тепловой энергии, уходящих с выхлопными, газами, две можно использовать для предварительного нагрева воздуха, что повысит КПД установки (на рис. 2.3 это не показано). Таким образом, чтобы выработать три единицы электроэнергии, необходимо предварительно взять две единицы из системы и затратить шесть единиц топлива.

Рис. 2.3. Схема работы ВАГТЭС:

  1. — работа в режиме накопления;
  2. — работа в режиме выдачи; 1 — резервуар со сжатым воздухом; 2 — электродвигатель; 3 — выхлопная труба; 4 — электрогенератор

Для хранения сжатого воздуха перед подачей его в камеру сгорания необходим соответствующий сосуд высокого давления. Для работы станции даже средних размеров приходится запасать очень много воздуха, поэтому использование обычных стальных или бетонных сосудов высокого давления, применяемых на АЭС, по экономическим причинам нецелесообразно. Предлагалось использовать для накапливания и хранения сжатого воздуха подземные выработки, в которых горные породы образуют хранилища высокого давления. На станции Гунторф (ФРГ) для этой цели использована выработка в соляном пласте.
В некоторых проектах предполагается давление газа в полости под землей поддерживать постоянным с помощью расположенного на земле резервуара с водой. Заполняя газовую полость при выходе воздуха на рабочую турбину, вода автоматически поддерживает давление, определяемое высотой ее столба. Таким образом, мощность, отдаваемая накопителем, не уменьшается. Недостаток пневматических накопителей — нагревание воздуха при сжатии (даже если этот процесс протекает идеально).

Необходимость охлаждения воздуха, помещаемого в подземное хранилище для сохранения его механической прочности в течение длительного времени, требует строительства охладителем башенного типа. 



 
« Мощные трансформаторы   Наладка оборудования электрических подстанций »
Карта сайта + все метки | Контакты
© Электроэнергетика При перепечатке и цитировании активная гиперссылка на сайт обязательна.