ТЭС и АЭС_1 / Лекция 8

Лекция 8

Графики электрических нагрузок

Основное назначение электрических станций - снабжение электро­энергией промышленных предприятий, сельскохозяйственного /производ­ства, электрифицированного транспорта и населения. Тепловые электро­станции наряду с этим в ряде случаев обеспечивают паром и горячей водой предприятия и жилые здания.

Особенностью работы электрических станций является практическое совпадение количества отпускаемой и производимой электроэнергии, так как существующие в настоящее время типы аккумуляторов весьма дороги и малоэффективны. Они используются для специальных целей (в основном для обеспечения мероприятий по безопасности персонала и сохранности оборудования) при перерывах в электроснабжении. Аккумулирование теп­ла для технологических потребностей также практически не осуществля­ется.

Неразрывность производства и потребления энергии предъявляет весьма высокие требования к надежности работы электрических станций, так как перебои в снабжении электроэнергией и теплом отражаются не только на экономических показателях самой станции, но и на показателях обслужи­ваемых ею промышленных предприятий и транспорта. Для обеспечения бес­перебойности электроснабжения и уменьшения резерва электрогенерирующих мощностей отдельные электрические станции объединяются в энерге­тические системы. Такое объединение позволяет наиболее рационально использовать специфические особенности различных типов электростан­ций. Например, в паводковый период необходимо максимально загружать гидроэлектростанции. Станции с высоким к. п. д., так же как и работающие на дешевом топливе, целесообразно использовать более полно. И наоборот, электростанции с большими затратами на топливо лучше использовать ме­нее продолжительное время. Атомные электростанции относятся к числу станций с большими капиталовложениями и относительно малой величиной топливной составляющей в общей стоимости электроэнергии, поэтому их предпочтительнее загружать возможно полнее.

Еще более высокая ступень научно-технического развития энергетики - объединение отдельных энергетических систем. Одна из крупнейших в мире Объединенная Энергетическая система центра СССР охватывает территорию от Волги до западных границ страны и соединена с энергетическими сис­темами социалистических стран Европы. Объединены также энергосистемы Северо-Запада европейской части СССР, Юга европейской части, Средней Волги, Урала, Северного Кавказа, Закавказья, Центра Сибири, России, Северного Казахстана, Забайкалья. В настоящее время на основе Объединенной энергосистемы Центра России и присоединения к ней указан­ных отдельных объединенных систем идет формирование единой энергети­ческой системы .

Существующие межсистемные связи позволяют, учитывая географичес­кие координаты, передавать в европейскую часть страны электрическую энер­гию из восточных районов страны и тем самым более полно использовать колоссальные энергетические ресурсы Сибири. Однако да­вая значительные преимущества, такие объединения вместе с тем предъяв­ляют и более высокие требования к надежности эксплуатации оборудования, работающего в общем кольце.

В отдельных случаях электрическая станция может работать не в коль­це, а самостоятельно. Эти станции обычно используются для энергоснаб­жения небольшой группы предприятий и населенных пунктов, располо­женных в удаленных малонаселенных районах со слаборазвитой промыш­ленностью. Поскольку в таких районах обычно недостаточно развиты тран­спортные сети, то здесь весьма целесообразно сооружение атомных электро­станций, не требующих круглогодичной доставки большого количества топлива.

Таким образом, основная задача любой электрической станции - обес­печивать электрическую нагрузку района или участвовать в покрытии этой нагрузки совместно с другими станциями, объединенными с ней в единую энергетическую систему.

ГРАФИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ НАГРУЗОК

Условия работы энергетической системы и входящих в ее состав электро­станций определяются режимом электро- и теплопотребления обслуживае­мого ими района. Они характеризуются соответствующими графиками на­грузок - суточными, недельными, годовыми. Основной график нагрузки - суточный. Электропотребление в течение суток резко меняется в относи­тельно короткие промежутки времени, измеряемые часами и даже мину­тами. Поэтому покрытие этого графика - наиболее сложная задача. Не­сколько проще покрытие недельной неравномерности, где основная труд­ность связана с неизбежным массовым остановом агрегатов в субботние и воскресные дни. Наименее сложна задача покрытия годовой неравномер­ности электро- и теплопотребления.

Суточный график отчетливо подразделяется на постоянную и перемен­ную части. Первая - отвечает минимальной нагрузке; вторая - предста­вляет собой всю площадь графика, расположенную выше минимальной на­грузки. Чем меньше переменная часть графика, тем больше плотность р графика. Это понятие, иногда заменяемое термином «коэффициент заполне­ния графика», характеризует отношение средней планиметрической на­грузки к максимальному ее значению для данного графика. Различают су­точную плотность р_сут графика и недельную плотность.

Плотности суточных графиков электропотребления зависят от ряда обстоятельств и различны для разных районов страны. Наибольшая нерав­номерность электрических нагрузок характерна для европейской части России, так как в силу недостатка энергетических ресурсов в этом районе располагают неэнергоемкие предприятия, но наряду с этим высокая плот­ность населения приводит к большой доле коммунально-бытовой нагрузки, для которой характерна наибольшая неравномерность в течение суток. Это отчетливо видно из рис. 1, на котором для Центра европейской части России приведены нагрузки в процентах от максимальной зимней. Наимень­шие величины коммунально-бытовой нагрузки характерны для периода от 23 до 4 ч (около 30% от максимума). В пределах суток кроме вечернего максимума (в 18 ч) имеется еще один - утренний (в 8 ч), однако сущест­венно меньший.

Коммунально-бытовая нагрузка зависит и от времени года (см. рис. 1). Летом отличие утреннего пика нагрузки от вечернего меньше, чем зимой, а время, характерное для вечернего максимума, смещается на более позднее.

Суточный график промышленной нагрузки строится отдельно. В отли­чие от коммунально-бытовой он мало различается по временам года - летом наблюдается лишь небольшое снижение нагрузки, связанное с ремонтом оборудования. В течение суток изменение промышленной нагрузки тоже ме­нее значительно, чем коммунально-бытовой (рис. 2). График построен для 41-часовой рабочей недели в условиях восьмичасового рабочего и двух вы­ходных дней. При этом характерно резкое изменение нагрузки в субботние (до 40%) и особенно в воскресные дни (до 20%). Характерно также некото­рое снижение промышленной нагрузки, в 12 и в 16 ч, связанное с обеден­ными перерывами для первой и второй смен работы.

Рис. 1. Суточный график коммунально-бытовой нагрузки для условий Центра европейской час­ти России: 1- зима (XII); 2 - лето (VII)

Рис. 2. Суточный график про­мышленной нагрузки для усло­вий Центра европейской части России: 1- рабочий день; 2 - суббота; 3 - воскресенье

На основе, графиков коммунально-бытовой и промышленной нагрузок строятся совмещенные графики по месяцам года. Совместное рассмотрение графиков рис. 1 и 2 показывает, что наибольшая нагрузка отвечает 18 ч вечера и по величине определяется зимними условиями.

Для построения суточного графика электрической станции или электри­ческой системы района необходимо также учесть потребление энергии элек­трифицированным транспортом, потери электроэнергии в системе и расход на собственные нужды, что не меняет характера зависимости и лишь уве­личивает величину максимума. Наиболее полный суммарный суточный гра­фик электрической нагрузки представлен на рис. 3. Кроме всех видов потребления электроэнергии на этом графике нанесены также предвари­тельно оцененные в зависимости от общей необходимой мощности потери электроэнергии, связанные с передачей ее от электростанции до потреби­телей, а также расходы электроэнергии на собственные нужды. Такой гра­фик, составленный для зимнего времени, определяет необходимую мощность станции для обеспечения всех потребителей электроэнергии, если станция работает изолированно. Если же электростанции работают в сис­теме, то суточный график электрической нагрузки должен строиться для всего района, обслуживаемого этой системой, а нагрузка каждой отдельной станции зависит от распределения необходимой мощности между станциями, входящими в систему.

Переменность электрической нагрузки во времени заставляет выбирать мощность станции (или системы) по максимуму нагрузки в зимнее время. Это означает, что остальное время оборудование используется не полностью. Наиболее благоприятным был бы график электрической нагрузки, мало изменяющийся в течение суток. Из рис. З видно, что это относится к пред­приятиям, работающим в три смены. Предприятия, работающие в две смены и в еще большей мере односменные, вносят значительные изменения в ве­личину нагрузки в течение суток. Неравномерность электрической нагрузки усугубляется характеристикой коммунально-бытового потребления элек­троэнергии. Поэтому плотность графи­к, как для единичной станции, так и для системы тем больше, чем боль­ше доля промышленной нагрузки.

Переход предприятий на пятиднев­ную рабочую неделю привел к большему уплотнению графиков электрической нагрузки в рабочие дни (увели­чение продолжительности рабочего времени) с резким снижением электри­ческой нагрузки в субботу, воскресенье и праздничные дни, что может по­требовать останова ряда даже крупных энергетических агрегатов. С другой стороны, это позволяет энергетическим системам проводить в эти два дня профилактические ремонты оборудования и тем самым повышать надежность его работы.

Рис. 3. Полный суточный сум­марный график электрической нагрузки: I - потери и собственный расход стан­ции; II - коммунально-бытовая на­грузка; III - односменные промышлен­ные предприятия; IV - электрифици­рованный транспорт; V - двухсменные промышленные предприятия; 1/7 - трех­сменные промышленные предприятия

Рис. 4. Годовой график элект­рических нагрузок по продолжи­тельности: I - базовая нагрузка; II - промежу­точная нагрузка; III - пиковая на­грузка

Объединение электростанций в систему позволяет увеличивать плот­ность графика для отдельных станций. Для правильного распределения на­грузки между отдельными станциями, входящими в энергетическую сис­тему, для соответствующего района строятся суточные графики электричес­кой нагрузки для всех времен года. На основании этих данных создаются графики суточных максимальных нагрузок, а также годовой график продолжительности электрических нагрузок (рис. 4). Этот график характе­ризует число часов в году, в течение которых нагрузка энергосистемы равна некоторой величине.

Для построения графиков электрической нагрузки по продолжительнос­ти ломаная линия суточного изменения нагрузок заменяется ступенчатой. Площадь, очерчиваемая кривой , соответствует годовому потреб­лению электроэнергии в системе . Отношение называется числом часов использования максимума электрической нагрузки в энергосистеме или районе.

УЧАСТИЕ АЭС В ПОКРЫТИИ ГРАФИКОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ НАГРУЗОК

Нагрузка, характерная для наибольшего числа часов работы, называет­ся базовой, для наименьшего - пиковой. Обычно в покрытии годового гра­фика нагрузки системы участвуют агрегаты и станции разной экономичнос­ти. Распределение суммарной нагрузки по отдельным станциям (агрега­там) в соответствии с общим графиком должно вестись так, чтобы обеспе­чить наиболее экономичную работу системы в целом. Этого можно достичь, если станции, имеющие меньшие издержки на топливо и эксплуатационные расходы, будут загружаться большее число часов в году, а станции с боль­шими издержками на топливо и эксплуатационными расходами - мень­шее. Станции, работающие с наибольшей возможной нагрузкой значитель­ную часть года и тем самым участвующие в покрытии нижней части графи­ка продолжительности нагрузки, называются базовыми, используемые только в течение части года для покрытия пиковой нагрузки - пиковыми. Кроме того, в системе имеется ряд электростанций, несущих промежуточную нагрузку между базовой и пиковой.

В настоящее время атомные электрические станции строятся в основном в районах дорогого органического топлива. Стоимость ядерного горючего, рассчитанная на 1 кВт∙ч вырабатываемой элект­роэнергии, меньше, чем любого органического топ­лива. Поэтому атомные электростанции, работаю­щие в системе, целесообразно рассматривать в ос­новном как базовые. Однако в часы значительного уменьшения электропотребления, особенно если продолжительность такого режима невелика (ноч­ной «провал» нагрузки) и полная остановка части оборудования нецелесообразна, АЭС должны до­пускать частичную разгрузку для улучшения режимов работы других электростанций. Послед­нее необходимо, например, для мощных блоков, работающих на органическом топливе, поскольку снижение их нагрузки менее 60-70% связано с техническими трудностями.

Рис. 5 - Относительная нагрузка электропотребления в ОЭС Средней Волги, ОЭС Центра, ОЭС Северо-запада и ОЭС Юга в зимний рабочий день 18.12.2008г.

Рис. 6 - Относительная нагрузка электропотребления в ОЭС Средней Волги, ОЭС Центра, ОЭС Северо-запада и ОЭС Юга в зимний выходной день 21.12.2008г.

Рис.7- Относительная нагрузка электропотребления в ОЭС Средней Волги, ОЭС Центра, ОЭС Северо-запада и ОЭС Юга в летний рабочий день 19.06.2008г.

Рис. 8 - Относительная нагрузка электропотребления в ОЭС Средней Волги, ОЭС Центра, ОЭС Северо-запада и ОЭС Юга в летний выходной день 22.06.2008г.

1-2008г. 2-2010г 3-2015г 4-2020г

Рис. 9 Перспективные зимние суточные графики электрической нагрузки ОЭС Северо-запада, ОЭС Центра, ОЭС Средней Волги и ОЭС Юга на 2008-2010, 2015, 2020 гг.

Графики электропотребления для объединённых энергосистем Средней Волги, Центра, Северо-запада и юга России для рабочих и выходных зимних дней приведены на рисунках 5 и 6, а для летних рабочих и выходных дней на рисунках 7 и 8. Перспективные графики нагрузок для этих регионов приведены на рисунке 9

Значительный ноч­ной провал нагрузки, отчетливо видный на рисун­ке, не может быть пройден только за счет КЭС и ТЭЦ. Существенное увеличение мощностей АЭС в ближайшей перспективе потребует их участия в регулировании нагрузки. Безусловно, должна быть обеспечена работа в базисном режиме для АЭС с реакторами на быстрых нейтронах. Это объясняется тем, что такие реакторы являются наработчиками плутония, а также наибольшей стоимостью их оборудова­ния. Что же касается АЭС на тепловых нейтронах, то именно на них должно быть возложено участие в регулировании нагрузки и в тем большей степени, чем большей будет доля АЭС на быстрых нейтронах. Так как в отдаленной перспективе соотношение АЭС на тепловых и на быстрых нейтронах постепенно будет изменяться в пользу последних, то уже в на­стоящее время к оборудованию АЭС на тепловых нейтронах должны предъяв­ляться требования возможности снижения нагрузки на 20-30% и даже не­продолжительного останова со значительной скоростью набора нагрузки.

В качестве пиковых могут сооружаться электростанции, специально предназначенные для этой цели. Они должны располагаться вблизи потре­бителей и быть приспособлены для частого пуска и останова. Тепловая эко­номичность пиковых электростанций обычно ниже, чем у базовых, что не столь существенно из-за сравнительно небольшой выработки ими электро­энергии, но это позволяет снизить стоимость их строительства.

Для покрытия пиковых нагрузок могут использоваться газотурбинные установки, регулирующие гидроэлектростанции, и особенно гидроаккумулирующие станции, которые не только покрывают пики нагрузки, но и позволяют выравнивать электрическую нагрузку за счет работы в насосном режиме в период провала нагрузки. Для покрытия пиковых нагрузок могут использоваться также электростанции на дорогом органическом топливе или с устаревшим оборудованием.

Одной из основных характеристик электростанции является ее устано­вленная мощность, определяемая как сумма номинальных мощностей электрогенераторов. Номинальная мощность генератора - это наибольшая мощность, при которой он может работать длительное время в режимах, оговоренных техническими условиями.

Для оценки напряженности работы электростанции и использования ее основного оборудования пользуются коэффициентом КИУМ использования установленной мощности станции. Этот коэффициент представляет собой отношение количества выработанной электроэнергии в течение года к тому количеству, которое могло быть выработано за тот же период при работе станции с установленной мощностью:

где = 8760 - число часов в году.

Работа станции может также характеризоваться годовым числом часов использования установленной мощности:

Из сопоставления выражений следует, что коэффициент использования установленной мощности и число часов использования уста­новленной мощности связаны между собой соотношением

Число часов использования установленной мощности зависит от того, в каком режиме работает станция, т. е. является ли она базовой, пиковой или несет промежуточную нагрузку. Для станций, работающих с базовой нагрузкой, число часов использования установленной мощности составляет обычно 6000-7000, в то время как в среднем оно около 5500 ч/год, а для специальных пиковых агрегатов может быть 2000 ч/год и менее.