ГЛАВА 1
СИСТЕМНЫЕ ПРЕДПОСЫЛКИ АККУМУЛИРОВАНИЯ ЭНЕРГИИ
ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ ЭНЕРГИИ
Режимы электропотребления ЭЭС в течение суток меняются в широких пределах. Они формируются под влиянием структуры электропотребления по основным отраслям народного хозяйства, соотношения между промышленной и коммунально-бытовой нагрузкой, организации смен и уровня их загрузки и т. д.
Создание объединенных энергосистем (ОЭС) обеспечивает ряд технико-экономических преимуществ. Так, объединение различных потребителей, нагрузка которых в общем случае имеет вероятностный характер, должно привести к уплотнению графика нагрузки. Объединение тепловых и гидравлических станций позволит выровнять график загрузки паротурбинных энергоблоков. Укрупнение ЭЭС способствует повышению надежности энергоснабжения, снижению затрат на резервирование и увеличению единичных мощностей энергоблоков. Эти же задачи решаются с помощью сверхдальних ЛЭП, проходящих через несколько часовых поясов. Включение подобных линий в состав системы приводит к сглаживанию графиков нагрузки объединенной системы. Однако статистический анализ показывает, что, несмотря на объединение потребителей, уплотнения суточных графиков нагрузки не происходит. Более того, максимумы нагрузки систематически растут, а относительные минимумы падают. Объясняется это в основном ростом потребления электроэнергии в быту и уменьшением числа предприятий, работающих в ночное время*. Это связано с ростом благосостояния и улучшением уровня жизни трудящихся.
* Переход на двухсменную работу предприятий в еще большей степени ускоряет разуплотнение. Наметившаяся тенденция к резкому увеличению загрузки станков с ЧПУ и другого оборудования, способного работать ночью в автоматическом режиме, может лишь сгладить процесс, что не изменит тенденцию. Отдельного рассмотрения требует переход части предприятий на трехсменную работу.
Поэтому можно считать разуплотнение графиков нагрузки потребителей социально обусловленным.
Как известно, во время провала нагрузки потребляемая мощность падает в отдельные дни до 65% от максимума. В выходные дни график существенно изменяется — уменьшаются максимум и минимум, но время прохождения их остается прежним.
Суточный график нагрузки разбивают на четыре зоны, различающиеся плотностью: базисную — ниже ночного минимума нагрузки; полубазисную и полупиковую — между дневным и ночным минимумом, и пиковую— выше дневного минимума.
Мероприятия по выравниванию графиков электропотребления должны сочетаться с возможностями развития таких потребителей, которые смогут обеспечить выравнивание графиков нагрузки не противореча социальным и топливно-энергетическим проблемам, а также проблеме охраны окружающей среды. К числу данных мероприятий относится использование электроотопления, электромобилей, промышленных роботов и др.
Развитие подобного рода потребителей, возможность работы которых в любое время суток неограничена, гарантирует потребление электроэнергии в ночные часы без привлечения дополнительной рабочей силы.
С точки зрения топливного баланса целесообразность развития потребителей, выравнивающих график, вызывается необходимостью экономии дефицитного жидкого топлива, вместо которого можно использовать ночную выработку тепловых и атомных электростанций. Очевидна и экологическая эффективность указанных потребителей. Наряду с этим выравнивание графиков нагрузки может осуществляться и обычными потребителями при условии введения дифференцированных по времени тарифов.
Масштабы развития, а также режимные и экономические характеристики указанных потребителей оказывают различное влияние на изменение графиков электропотребления и, следовательно, на структуру генерирующих мощностей энергосистем.
Регулирование режимов электропотребления промышленных предприятий, упорядочение графиков работы отдельных агрегатов, варьирование времени ремонтов различных установок, создание запасов сырья и полуфабрикатов с целью изменения времени выполнения некоторых промежуточных операций технологических процессов и т. п. могут способствовать выравниванию графиков нагрузки ЭЭС.
Использование промышленных предприятий в качестве потребителей-регуляторов может быть эффективным преимущественно на электроемких производствах (алюминиевых заводах, предприятиях по производству желтого фосфора, карбида кальция и т. п.), а также на других предприятиях за счет упорядочения режима использования электроемких установок (электропечей, насосных и холодильных установок и т. п.). Для сохранения выработки эти предприятия должны быть приспособлены к работе в режиме потребителей-регуляторов, что потребует ввода дополнительных производственных мощностей для компенсации недовыпуска продукции в дневные часы.
По сравнению с традиционными использование электроемких производств в качестве потребителей-регуляторов обеспечивает наибольший регулирующий эффект при наименьших затратах и наименьшей численности обслуживающего персонала, который потребуется перевести па работу в неблагоприятное ночное время. Вопрос приспособления режима потребителей электроэнергии к оптимальным для ЭЭС условиям был поставлен еще в 1932 г. С. В. Кукель-Краевским. Он же ввел понятие о потребителях-регуляторах, специально проектирующихся для работы в режиме, согласованном с графиком нагрузки ЭЭС. Отдельные предприятия с электроемкими технологическими процессами некоторое время работали в подобном режиме. В дальнейшем они были переведены в режим постоянной нагрузки в связи с большой потребностью народного хозяйства в выпускаемой ими продукции и возможностью регулирования графика ЭЭС за счет гидростанций.
Требования к условиям использования потребителей- регуляторов осложняются тем, что суточные графики электропотребления основных энергосистем ЕЭС СССР стали характеризоваться наличием двух практически одинаковых максимумов (утреннего и вечернего) со сравнительно небольшим дневным снижением нагрузки. В связи с этим реальный эффект сокращения потребности в мощности возможен только при сбалансированном снижении как утреннего, так и вечернего максимумов. Уменьшение максимальной нагрузки только промышленных потребителей (имеющих утренний максимум) при существующих графиках может не дать реального эффекта по экономии мощности (так как сохранится вечерний максимум). Главной задачей выравнивания графика нагрузки в этих условиях является повышение ночного спроса на электроэнергию для обеспечения нормальной загрузки электростанций (не ниже технического минимума) в ночные часы. В настоящее время возможности обычных потребителей используются для выравнивания графиков нагрузки и учитываются при планировании.
Для этого разрабатываются мероприятия по смещению времени работы цехов и агрегатов, направленные на снижение совмещенного максимума нагрузки ЕЭС СССР. Основными из них являются: отключение в часы пика нагрузок части электродвигателей градирен, насосов оборотного водоснабжения, водоотливных установок на рудных предприятиях, скважин, работающих периодически; уменьшение закачки воды в пласт; сдвиг времени ведения режимов плавки печей; перенос сроков откачки нефти в емкости и др.
Более эффективное использование потребителей для выравнивания графиков нагрузки можно осуществить в случае использования многоставочных тарифов на электроэнергию, успешно применяемых за рубежом. Причем ночной тариф должен быть ниже дневного.
Анализ показывает, что использование обычных потребителей в качестве потребителей-регуляторов не может обеспечить существенного эффекта. Это объясняется тем, что в районах с наиболее, неравномерным режимом работы энергосистем удельный вес электроемких производств, являющихся потребителями-регуляторами, невелик.
Аккумулирование тепловой энергии в аккумуляционных системах электротеплоснабжения (АСЭТС) широко применяется во многих странах мира. В климатических условиях Северо-Запада, Севера и Центра страны использование АСЭТС эффективно для энергоснабжения населенных пунктов с индивидуальными источниками теплоты. Внедрение АСЭТС может заполнить ночной провал зимнего суточного графика нагрузок более чем на 30%.
Отметим, что применение АСЭТС позволяет не только выравнивать график нагрузки, но и обеспечивать социальный, экономический и экологический эффекты. Считается, что внедрение АСЭТС может повысить уровень комфортности жилого фонда более чем для 10 млн. человек, сэкономить 250—350 млн. руб/год приведенных затрат (по сравнению с развитием традиционных схем теплоснабжения); вытеснить из бытового сектора дефицитное качественное топливо — до 10 млн. т и улучшить экологическую обстановку в жилых районах. Предварительные результаты исследований и первый опыт экспериментального использования свидетельствуют о больших возможностях применения АСЭТС в качестве потребителей-регуляторов.
Недостатком АСЭТС с позиций выравнивания графиков нагрузки является сезонность электроотопления и существенная его зависимость от меняющихся погодных условий. В связи с этим нагрузка аккумуляционных систем электроотопления как выравнивающий фактор нуждается в тщательном изучении.
В будущем серьезное развитие может получить такой потребитель-регулятор, как электромобильный транспорт с зарядкой аккумуляторов в ночные часы, перспективность развития которого возрастает в связи с удорожанием и дефицитом жидкого топлива и повышением требований по охране окружающей среды.
При использовании аккумуляторов для внутригородских перевозок расход электроэнергии на заряд по основным ОЭС СССР может составить около 100 млрд. кВт-ч (в том числе 60—70 млрд. кВт-ч в европейской части страны), что обеспечило бы дополнительную ночную нагрузку в европейских ЭЭС СССР, равную 25— 30 млн. кВт, и облегчило решение проблемы прохождения ночного провала нагрузки.
Новое направление в решении проблемы выравнивания графиков нагрузки связано с развитием робототехники и автоматизации производства, которое позволит создавать заводы-автоматы с «безлюдной» технологией, что существенно скажется на режимах электропотребления. Для таких заводов может оказаться возможным режим с максимальной загрузкой в ночные часы, улучшающей условия прохождения ночного провала нагрузки. Однако все указанные возможности не решают полностью задачу покрытия пиков и заполнения провалов графика нагрузки.
