Графики электрических нагрузок.
В суточном графике электрических нагрузок в энергосистеме (рис. 1-3) можно выделить базовую, полупиковую и пиковую области. В пределах базовой области, ограниченной сверху ординатой, соответствующей минимальной суточной (ночной) нагрузке, потребляемая мощность не меняется в течение суток. Пиковые области, соответствующие утреннему и вечернему пикам нагрузки общей длительностью до 3—4 ч, ограничены снизу ординатой, соответствующей минимальной дневной нагрузке. Между ними располагается полупиковая область, протяженностью 16—18 ч. Основными показателями, характеризующими графики электрических нагрузок [15], являются коэффициент неравномерности
(М)
представляющий собой отношение минимальной суточной нагрузки Nmin к максимальной Nmax, и коэффициент заполнения
(1-2)
где N — текущая нагрузка, соответствующая произвольному моменту времени t; τ — продолжительность суток, ч.
Рис. 1-3. График нагрузки энергосистемы повышенной неравномерности
Коэффициент заполнения представляет собой отношение площади под кривой графика нагрузок к площади под ординатой, соответствующей максимальной суточной нагрузке. Последняя из этих площадей характеризует электроэнергию, которая была бы выработана при максимальной загрузке оборудования в течение суток. Площадь под кривой фактического графика нагрузок характеризует действительно выработанное количество электроэнергии.
Четвертый этап энергетики в нашей стране и практически во всех развитых промышленных странах характеризовался значительным повышением неравномерности суточного и недельного потребления электроэнергии. В нашей стране причины этого заключаются, во-первых, в изменении структуры энергопотребления, в которой неуклонно сокращалась доля промышленного потребления (хотя она и оставалась самой значительной) и росла доля коммунально-бытового, транспортного и сельскохозяйственного потребления, отличающихся большей неравномерностью, а во-вторых, в изменении условий работы промышленности (два нерабочих дня в неделю, сокращение сменности во многих отраслях и др.).
Коэффициент неравномерности суточного графика в среднем по Европейской части СССР снизился за период с 1956 по 1970 г. с 80 % до значения, меньшего 70 % [78]. Еще меньше коэффициенты неравномерности, характерные для развитых капиталистических стран, где они достигают 50 % и даже меньших значений. При среднем значении по Единой энергетической системе СССР около 70 % коэффициенты неравномерности по отдельным энергосистемам существенно различались. Для энергосистем Сибири и Урала с большой долей промышленности непрерывного производства (металлургическая и др.) характерны весьма плотные графики нагрузок со значениями αсут, приближающимися к 80%. Наиболее неравномерными являются графики нагрузок Центра, Юга и особенно Северо- Запада, где значения αсут приближались к 60%, а в отдельных случаях были еще меньше [78]. Доля остропиковой нагрузки составляет 7—10 % максимальной мощности, продолжительность ее 2—3 ч в сутки (500—800 ч в год). В выходные дни остропиковая нагрузка значительно меньше, чем в рабочие. Основная часть переменной области графиков — полупиковая нагрузка, достигающая 30—40 % максимальной при продолжительности 16—17 ч в сутки.
За последние годы специально принятыми мерами по ограничению энергопотребления в энергосистемах с повышенной неравномерностью удалось приостановить рост неравномерности и даже в некоторой мере снизить ее [78]. Однако и после этого неравномерность нагрузок остается весьма высокой и по-прежнему самой сложной проблемой остается проблема покрытия полупиковых нагрузок.
Характеристики энергосистем.
Межсистемные связи соединяют между собой отдельные районные энергосистемы, среди которых можно выделить передающие, приемные и транзитные. Выработка электроэнергии в передающей энергосистеме превышает местное потребление. Избыточная энергия таких систем по межсистемным связям передается другим энергосистемам. В приемной энергосистеме местная выработка электроэнергии меньше ее потребления. Недостающее количество электроэнергии поступает из других систем. Наиболее распространенная группа энергосистем — транзитные энергосистемы, которые одновременно получают электроэнергию от одних систем и передают ее другим. По отношению к энергосистемам, из которых транзитная система получает электроэнергию, она является приемной, а по отношению к системам, которым она отдает энергию, — передающей. Из числа энергосистем с повышенной неравномерностью графиков нагрузки в Европейской части СССР к передающим относится, в частности, энергосистема Северо-Запада, а к приемным — энергосистемы Центра и Юга. Большинство энергосистем восточных районов относится к передающим. При этом для некоторых из них (например, энергосистема Северного Казахстана) проходящие через них или параллельно им транзитные потоки энергии соизмеримы с большой местной выработкой электроэнергии.
В прошлом главную роль в покрытии переменной части графиков нагрузки играли гидроэлектростанции, и только в периоды паводков задача решалась в основном сравнительно старыми паротурбинными агрегатами малой и средней мощности, обладающими пониженной экономичностью. Четвертый этап энергетики, в течение которого энергетические мощности вводились в основном за счет крупных энергоблоков 160— 300 МВт, а в последние годы 500 и 800 МВт, существенно изменил структуру установленного в энергосистемах оборудования, особенно в Европейской части СССР. Здесь существенно сократилась доля ГЭС, и в настоящее время общая установленная мощность ГЭС в Европейской части СССР недостаточна для покрытия резко возросшей переменной части графиков нагрузки. Сократилась также доля конденсационных ТЭС неблочного типа. В настоящее время более половины общей установленной мощности в Европейской части СССР приходится на крупные энергоблоки.
В районах крупных промышленных центров, обычно обладающих повышенной неравномерностью энергопотребления, положение осложняется тем, что значительная часть общей мощности энергетических агрегатов установлена на ТЭЦ. В некоторых районных энергосистемах доля ТЭЦ в общей установленной мощности приближается к 70 % и даже превосходит это значение. Поскольку агрегаты ТЭЦ в отопительный период даже в часы минимумов электрической нагрузки должны обеспечивать тепловое потребление, их маневренные возможности ограничены. В таких условиях основная тяжесть проблемы покрытия переменной части графиков электрических нагрузок на четвертом этапе энергетики легла на крупные энергоблоки мощностью 160—300 МВт.
Говоря об особенностях покрытия переменных нагрузок в приемных и передающих энергосистемах, следует иметь в виду, что приведенная выше классификация энергосистем не является абсолютной.
Рис. 1-4. Изменение по годам средних за неотопительный сезон характеристик энергопотребления и выработки электроэнергии в энергосистеме:
1 — минимальное суточное потребление электроэнергии; 2 — минимальная выработка электроэнергии агрегатами энергосистемы; 3 — максимальная выработка электроэнергии агрегатами энергосистемы; 4 — максимальное суточное потребление электроэнергии; А — область дефицита электроэнергии; В — область избыточного производства электроэнергии
Неблагоприятное изменение структуры мощностей, установленных в приемной энергосистеме, обладающей большой неравномерностью графиков электрических нагрузок, может привести к тому, что эта система останется приемной в часы максимумов нагрузки, но окажется вынужденно передающей в период минимальных нагрузок из-за того, что агрегаты, установленные в ней, невозможно разгрузить до мощности, определяемой энергопотреблением в этот период. Это иллюстрирует график на рис. 1-4, построенный по данным работы [7] применительно к одной из приемных энергосистем с высокой неравномерностью энергопотребления и большой долей блочных ТЭЦ сверхкритического давления, имеющих ограниченные возможности разгрузки как в отопительный, так и в неотопительный период. В первой половине рассматриваемого отрезка времени местное производство электроэнергии в энергосистеме было меньше ее потребления как в часы максимальных нагрузок, так и в часы ночного провала, и система круглосуточно оставалась дефицитной. За рассматриваемый отрезок времени в энергосистеме возрастали преимущественно полупиковые нагрузки. С течением времени существенно возросли максимальные суточные нагрузки, минимальные же, хотя и несколько увеличились, но в значительно меньшей мере. Ввод мощностей в энергосистему за этот период производился в основном теплофикационными блоками. Вследствие имеющихся у них ограничений минимальная мощность, до которой можно разгрузить агрегаты энергосистемы, превысила минимальное суточное потребление. В результате этого энергосистема во второй половине рассматриваемого периода остается дефицитной в период максимальных нагрузок, в часы же минимумов суточных нагрузок она имеет избыток генерируемой мощности, который необходимо передавать в другие энергосистемы. Это приводит к необходимости ежесуточного изменения направления перетоков мощности по межсистемным связям и неблагоприятного изменения режимов работы соседних энергосистем, также обладающих большой неравномерностью энергопотребления. Отмеченные явления в большей или меньшей мере оказывают влияние на режимы работы всех типов электростанций.
Распределение нагрузки между агрегатами.
Как правило, в энергосистемах находится в эксплуатации большое число неоднотипных агрегатов с различными энергетическими характеристиками. Для каждого значения суммарной мощности, потребляемой в энергосистеме, существует единственное распределение нагрузок, обеспечивающее наивысшую экономичность выработки электроэнергии. Отступления от этого оптимального распределения нагрузок могут привести к значительному снижению экономичности. Поэтому в конечном счете задача регулирования энергосистем сводится к оптимальному распределению суммарной мощности между электростанциями и отдельными агрегатами. Эта задача в принципе не может быть решена регуляторами скорости энергетических агрегатов и регуляторами частоты энергосистем. Заданная мощность для каждой электростанции устанавливается службой оперативного диспетчерского управления энергосистемы или управляющей вычислительной машиной автоматизированной системы диспетчерского управления. Общестанционная мощность распределяется между отдельными агрегатами эксплуатационным персоналом или системой группового регулирования активной мощности.
Задача управления режимом энергетического агрегата сводится к приведению в каждый момент времени фактической его мощности в соответствие с заданной. Для решения этой задачи системы регулирования энергоблоков снабжают регуляторами мощности, сравнивающими ее заданное и фактическое значения. Регуляторы мощности, выполняемые обычно медленнодействующими, воздействуют либо на механизм управления турбиной, либо на задатчик мощности котла (для энергоблоков ТЭС) или задатчик нейтронной мощности реактора (для энергоблоков АЭС). Чтобы сохранить участие блоков, оснащенных регуляторами мощности, в регулировании частоты в энергосистеме, применяют регуляторы мощности с коррекцией по частоте. В их цепь задания вводят сигнал, пропорциональный отклонению частоты от заданного значения. Для базовых энергоблоков в характеристику частотного корректора нередко вводят зону нечувствительности. При этом блок не реагирует на отклонения частоты, не превышающие этой зоны, но изменяет свою мощность при больших отклонениях частоты.
