Глава первая
ВЫРАБОТКА, РАСПРЕДЕЛЕНИЕ И ПОТРЕБЛЕНИЕ
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ И ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ
Типы электростанций
В настоящее время работают различные типы электростанций, различающиеся по типу использования первичных источников энергии. Основным видом являются тепловые электрические станции (ТЭС), использующие в качестве источника энергии органическое топливо — уголь, нефть, газ, торф, дрова. Если ТЭС обслуживает большой промышленный район, то она называется Государственной районной электростанцией (ГРЭС). Наряду с выработкой электроэнергии ТЭС могут отпускать и теплоту для промышленных целей и для коммунально-бытовых нужд.
Тепловые электростанции, работающие на принципе комбинированной выработки электроэнергии и теплоты, называются теплоэлектроцентралями (ТЭЦ).
Атомные электростанции (АЭС) в качестве источника энергии используют энергию расщепленного ядра.
Если атомная электростанция отпускает наряду с электроэнергией еще и теплоту, то она называется атомной теплоэлектроцентралью (АТЭЦ).
Если тепловая станция отпускает только теплоту, то она называется котельной. Атомная станция, вырабатывающая только теплоту, называется атомной станцией теплоснабжения (АСТ).
Электростанция, использующая в качестве источника энергию рек, называется гидравлической электростанцией (ГЭС).
Существуют также электростанции, использующие в качестве источника энергию ветра.
В последнее время все большее распространение получают станции, использующие энергию солнца, горячих подземных вод (геотермальные), энергию морских приливов и отливов.
Как перспективные источники энергии следует рассматривать МГД-генераторы и термоядерные электростанции.
В СССР около 80 % всей вырабатываемой электроэнергии производится на тепловых электростанциях, из них 60 % — по комбинированному способу (ТЭЦ).
Комбинированная выработка электроэнергии и теплоты позволяет существенно экономить топливно-энергетические ресурсы.
Энергетические системы
Особенностью работы любой электрической станции, как промышленного предприятия, является практическое совпадение количества производимой и отпускаемой электроэнергии, так как существующие в настоящее время типы аккумуляторов электроэнергии малы по мощности, дороги и малоэффективны. Они используются в основном для специальных целей по обеспечению электроэнергией ответственных потребителей при аварийных ситуациях. Не разработано также надежных методов аккумулирования тепловой энергии. Учитывая вышеизложенное, электрические станции должны иметь высокую надежность работы. Перерыв в энергоснабжении промышленных предприятий, сельскохозяйственного производства, электрифицированного транспорта приводит к снижению технико-экономических показателей как самих электростанций, так и предприятий — потребителей электроэнергии. Для более надежного снабжения потребителей электроэнергией электростанции объединяются в энергосистемы.
Это позволяет также уменьшать резерв электроэнергетических мощностей и наиболее рационально использовать специфические особенности различных типов электростанций.
Так, более полно следует загружать электростанции, работающие на дешевом топливе, а также станции с дорогостоящим оборудованием, но с малой топливной составляющей. К таким электростанциям относятся АЭС.
Все электростанции СССР объединены в более чем 100 малых энергетических систем, которые, в свою очередь, образуют 11 крупных энергетических систем. 9 из них с помощью межсистемных связей объединены в единую энергетическую систему СССР (ЕЭС СССР). ЕЭС СССР соединена с энергосистемами стран — членов СЭВ, с энергосистемой Финляндии. Протяженность ЕЭС СССР с Запада на Восток 7 тыс. км, с Севера на Юг около 4 тыс. км. Она является самой мощной в мире. Ее установленная мощность совместно со странами СЭВ составляет 350 млн. кВт.
ЕЭС СССР позволяет более рационально использовать колоссальные энергетические ресурсы Сибири и Средней Азии и передавать в европейскую часть СССР значительные количества электроэнергии. Учитывая поясность СССР, она позволяет также более рационально загружать энергетические мощности.
Графики электрических нагрузок
Потребление электроэнергии в течение суток неравномерно, особенно это относится к коммунально-бытовой нагрузке.
Зависимость электропотребления (нагрузки) от времени суток называется суточным графиком электрических нагрузок.
Суточный график промышленной электрической нагрузки при двухсменной работе предприятий для зимнего и летнего времени представлен на рис. 1.1, а, коммунально-бытовой — на рис. 1.1,6 для европейской части СССР.
Рис. 1.1. Суточный график электрической нагрузки:
а — промышленной; б — осветительно-бытовой; в — суммарной
Высокая плотность населения в этой части страны приводит к существенной доле коммунально-бытовой нагрузки, большая неравномерность графика которой приводит к существенно неравномерному суммарному графику электрической нагрузки (рис. 1.1, в).
Для построения суточного графика полной электрической нагрузки необходимо учесть потребление электроэнергии электрическим транспортом, а также затраты на собственные нужды и потери в электросетях. Потребление электроэнергии на собственные нужды составляет около 7 % в целом по ЕЭС СССР, а потери в электрических сетях — около 10 %.
На рис. 1.2 представлен полный суточный график электрической нагрузки с учетом одно-, двух- и трехсменной работы промышленных предприятий. Для характеристики плотности графика используют коэффициенты а — отношение минимальной нагрузки к максимальной, и b — отношение средней нагрузки к максимальной. Чем выше эти коэффициенты, тем более равномерный график электрических нагрузок.
По суточным графикам электрических нагрузок для отдельных районов строят годовые графики электрических нагрузок по продолжительности (рис. 1.3). Для построения годового графика ломаные линии суточных графиков заменяют на ступенчатые и в соответствии с количеством зимних и летних дней в году для данного района определяют число часов в году, в течение которых нагрузка равна определенному значению.
В году тгод=8760 ч, площадь под кривой Wэ=/(т) определяет годовую выработку электроэнергии Эт0д, кВт-ч, в энергосистеме для данного района.
Из рис. 1.3 видно, что можно выделить три области, где нагрузка в течение определенного времени меняется по-разному. Постоянная нагрузка для наибольшего числа часов работы называется базовой; нагрузка, резко изменяющаяся при небольшом времени работы, называется пиковой, средняя область промежуточной нагрузки имеет относительно плавное изменение нагрузки.
Рис. 1.2. Полный суточный график электрической нагрузки:
I, II, III — одно-, двух- и трехсменные промышленные предприятия; IV — электрифицированный транспорт; V — осветительно-бытовая; VI — потеря энергии и собственные нужды
Электрические станции, покрывающие базовую нагрузку, называют базовыми. В базовом режиме, т. е. большее число часов в году, должны работать станции с меньшими затратами на топливо. В базовом режиме должны работать и АЭС, так как топливная составляющая из них незначительна. Кроме того, чем больше число часов в году работает АЭС, тем больше выгорание топлива и больше коэффициент воспроизводства ядерного горючего.
Электростанции, покрывающие пиковую нагрузку, называются пиковыми. В СССР значительную часть пиковой нагрузки покрывают гидроэлектростанции. За рубежом для этих целей широко используются газотурбинные энергетические установки.
Перспективным является применение для этих целей гидроаккумулирующих электростанций (ГАЭС). В период минимальных электрических нагрузок ГАЭС работает в насосном режиме, перекачивая воду из нижнего водохранилища в верхнее, используя электроэнергию, вырабатываемую другими электростанциями.
В период увеличения нагрузки ГАЭС работает в режиме обычной ГЭС, срабатывает уровень из верхнего водохранилища. ГАЭС наряду с переходом на трехсменную работу промышленных предприятий позволяет выравнивать суточный график электрических нагрузок, повышая тем самым экономичность энергосистемы.
Электростанции, покрывающие промежуточную нагрузку, работают в переменном режиме. В настоящее время создаются энергетические блоки (ТЭС), которые будут работать в регулируемом режиме для покрытия промежуточной нагрузки. Графики нагрузок, представленные на рис. 1.1 и 1.2, соответствуют рабочим дням недели. В праздничные, субботние и воскресные дни нагрузка резко снижается (почти в 2 раза). В это время можно производить профилактический осмотр и ремонт оборудования и таким образом повышать надежность его работы.
Одной из важных характеристик энергетического блока является его номинальная мощность — это электрическая мощность, при которой блок может работать длительное время в соответствии с техническими условиями на его поставку.
Кратковременно электрогенераторы могут быть перегружены до уровня максимальной мощности, оговоренной техническими условиями.
Сумма всех номинальных мощностей электрогенераторов определяет установленную мощность электростанции Wуст, кВт.
Таким образом, количество электроэнергии, вырабатываемой за год при работе на номинальной мощности, составит Wуст x тгод, кВт-ч.
Рис. 1.3. Построение графика годовой продолжительности нагрузки
Для оценки интенсивности работы электростанции в энергосистеме и полноты использования основного оборудования электростанции пользуются коэффициентом использования установленной мощности р, который определяется как отношение практически выработанной за год электроэнергии к той мощности, которую станция выработала бы, если бы она весь год работала с номинальной мощностью:
(1.1)
Другим показателем работы станции является число часов использования установленной мощности туСт, ч, которое определяется как
(1.2)
Оба эти показателя связаны соотношением
(1-3)
Для отечественных АЭС и ТЭС, работающих в базовом режиме, РУст = 0,75—0,90, а туст = 6000-7000 ч. Для пиковых станций туст может быть 2000 ч и менее.
