12.4. Преимущества соединения сетей

Лучшее использование и уменьшение резерва генераторных установок. Первые опыты объединения электрических станций различного типа в единую систему с помощью сверхмощной электрической сети позволило координировать характеристики работы электрических станций и центров потребления. Выгоды, получаемые от объединения, были различны в зависимости от того, какие станции преобладают в данной области, – тепловые или гидравлические. Для гидравлических электростанций выгоды от объединения электрических сетей заключаются в возможности непосредственного согласования суммарных графиков потребления и производства электрической энергии. Особенно существенными эти выгоды становятся тогда, когда объединяются сети с совершенно разными, дополняющими друг друга характерными свойствами генераторных установок или нагрузок. По тем же соображениям соединение двух систем, питаемых гидроэнергетическими установками, оказывается особенно полезным при наличии существенного отличия в их гидравлических характеристиках. Например, выгодно сочетание установок без регулирования с установками, располагающими значительными бассейнами для регулирования, либо комбинирование установок с различным характером регулирования (суточным, недельным или годовым), либо, наконец, сочетание установок, отличающихся друг от друга по характеру изменения расходов воды в течение суток или по временам года. Весьма важны и различия географического положения. Например, в более низко расположенных местностях таяние снегов дает весеннее половодье на целый месяц раньше, чем в более высоко расположенных местностях.

Выгоды от параллельной работы двух гидроэнергетических установок, имеющих различные дополняющие друг друга режимы, поясняет пример, заимствованный из итальянской практики соединения сетей начала ХХ века и приведенный на рис. 12.1.

Рис. 12.1. Изменение мощности двух гидроэнергетических установок, получаемой от использования водяных потоков, зависящих соответственно от дождей, таяния снега и льда, а также суммарной энергии ГЭС в течение года (в относительных единицах)

Берущие свое начало в Апеннинах водные потоки, режим которых зависит только от источников и дождей, дают значения ряда 1. Ряд 2 изображает годичную ломаную прямую мощности (в относительных единицах), получаемой от использования альпийских водных потоков, имеющих режим, определяемый главным образом их ледниковым происхождением и лишь в слабой степени зависящий от дождей. Суммируя ординаты обеих рядов, получим результирующий ряд 3, значительно более плавный и благоприятный для электрического использования, чем обе слагаемые рядов 1 и 2.

Для тепловых станций объединение сетей позволяет уменьшить суммарный резерв установленной мощности агрегатов, создает лучшие возможности для покрытия местных перегрузок. При этом появляется возможность сосредоточить производство электрической энергии на тепловых станциях большой мощности, расположенных вблизи источников органического топлива и имеющих значительно более экономичное оборудование в сравнении с мелкими тепловыми станциями.

Особенно существенными эти выгоды становятся при соединении электрическими сетями нескольких отдельных энергосистем, в которых имеются как тепловые, так и гидроэлектростанции с совершенно разными характеристиками, либо когда потребители в этих энергосистемах резко отличаются по характеру нагрузки или когда одна из объединяемых энергосистем не располагает достаточным резервом установленной мощности.

То же самое касается и характеристик графика потребления. Количество энергии, потребляемой присоединенными к сети приемниками, подвержено значительным колебаниям (суточным и сезонным). Характер этих колебаний зависит от состава потребителей. Особенно сильно потребление изменяется в сетях с преобладанием осветительной нагрузки, что заставляет строить центральные станции значительно более мощными, а, следовательно, и более дорогими, чем это было бы необходимо для производства средней годовой мощности, расходуемой в сети. В гидроэнергетических установках это заставляет строить бассейны для регулирования, позволяющие запасти количество воды, необходимое для выработки мощности, расходуемой во время максимумов. Соединение сетей в этом случае, увеличивая питаемую площадь, позволяет добиться лучшего значения коэффициента совпадения, благоприятно действующего в смысле понижения максимума. Еще более благоприятные результаты соединение сетей дает при различном составе потребителей соединяемых систем. Так, в одной сети может преобладать осветительная, в другой – двигательная нагрузка. С другой стороны, различные отрасли промышленности, питаемые двумя сетями, обычно имеют неодинаковые периоды максимального и минимального потребления, зависящие от сезона или экономической конъюнктуры момента, оживления или застоя в производстве и сбыте.

Расширение района распределения энергии приводит к улучшению коэффициента использования энергетических установок и к большему постоянству нагрузки станций не только благодаря увеличению коэффициента совпадения, но и в силу простого действия закона больших чисел, или теоремы Бернулли, которая для рассматриваемого случая может быть сформулирована следующим образом: при увеличении нагрузки вN(например в 25) раз средние или вероятные колебания нагрузки для определенного промежутка времени будут только вN1/2(то есть в нашем примере в 5) раз больше, а относительные колебания, таким образом, будут вN/N1/2=N1/2(т. е. в 5) раз меньше.

Весьма существенным преимуществом соединения сетей является возможность уменьшения резерва установленной мощности. При этом резерв используется сообща всеми соединенными системами, что позволяет значительно уменьшить (а иногда и приблизить к нулю) число резервных энергетических установок. В гидроэнергетических установках соединение дает возможность уменьшить размеры бассейнов для регулирования.

Повышение надежности работы. Одним из благотворных результатов первых опытов соединения сетей является большая надежность работы в смысле непрерывности энергоснабжения потребителей. Несмотря на указанное возможное уменьшение общего резерва, соединение сетей сообщает объединенным установкам значительную гибкость, позволяющую не прерывать энергоснабжения потребителей (не отключать часть из них) при случайном или периодическом (в определенное время года) недостатке энергии в одном из центров производства, а питать потребителей данного района энергией, вырабатываемой в других центрах производства.

Упрощение и рациональное развитие генераторных установок. Содействуя постепенной замене мелких установок более экономичными крупными, соединение сетей способствовало значительному упрощению и рациональному развитию станционного оборудования благодаря уменьшению числа агрегатов, увеличению их мощности и, наконец, благодаря возможности понижения требований, предъявляемых к регулировке частоты и напряжения вследствие уменьшения относительных колебаний суммарной нагрузки. В частности, для больших теплоэнергетических установок соединение сетей обеспечивало на все время их работы режим полной нагрузки, отводя, таким образом, на второй план все вопросы, связанные с экономичностью работы машин при малой нагрузке. Освободившись от деталей, конструктор мог в итоге посвятить все свое внимание важнейшему вопросу увеличения коэффициента полезного действия при полной нагрузке.

Рационализация сжигания и транспорта угля. Результатом высокоразвитой системы соединения сетей является замена (где это возможно) теплоэнергетических установок гидроэнергетическими и, следовательно, уменьшение сжигания угля, расходуемого на производство электрической энергии. Конечно, даже в начале ХХ века инженеры – создатели концепции объединения энергосистем – понимали, что вряд ли удастся совершенно обойтись без теплоэнергетических установок. Но сосредоточение производства вырабатываемой при помощи пара электрической энергии в небольшом числе мощных станций высокой производительности приводит, опять-таки, к снижению расхода угля. Так как центральные электрические станции в начале ХХ века являлись одним из крупнейших потребителей угля, то сокращение спроса с их стороны на него весьма благоприятно отразилось на переживаемом многими странами угольном кризисе, освободив весьма и весьма значительные количества этого топлива для прочих нужд и понизив для целого ряда государств ввозимые из-за границы объемы угля, что благотворно повлияло на их бюджет.

Кроме того, соединение сетей и постройка теплоэнергетических станций в непосредственной близости от месторождений угля вызывают уменьшение надобности в перевозках этого топлива, позволяя заменить их передачей электрической энергии по проводам.

Прочие преимущества соединения сетей. Помимо всех перечисленных, к преимуществам соединения сетей следует отнести еще и облегчение рациональной электрификации железных дорог. Наличие широко развитой системы соединенных сетей в ряде стран Европы ускорило процесс перехода на электрическую тягу. Необходимо указать еще и на новые возможности, открываемые соединением сетей в отношении более равномерного распределения промышленных предприятий и населения по территории страны. Передача электрической энергии, вырабатываемой на тепловых и гидроэнергетических установках, содействуя развитию и возникновению новых промышленных предприятий, до начала процесса объединения сетей способствовала концентрации таких предприятий преимущественно в городах. В начале ХХ века в Европе возникает вопрос о желательности развития в противоположном направлении. Постепенно, охватывая все большую и большую часть всей территории, система соединенных между собой сетей доставляла и мелким населенным пунктам дешевую и доступную энергию, позволяя многим видам промышленных предприятий вернуться из городов в сельские местности, чтобы воспользоваться выгодами меньшей стоимости земельных участков, меньшими налогами и т. д. Подобный процесс в свою очередь способствовал более равномерному распределению населения по территории страны и тем самым устранял нежелательную дальнейшую концентрацию населения в переполненных промышленных центрах Европы.