2.8. Режим работы ГЭС и ГАЭС в объединенных энергосистемах

Практически во всех странах мира крупные электростанции совместно работают в энергосистемах. Диспетчерские управления энергосистем осуществляют оперативное руководство режимами работы электростанций, оптимизируя функционирование всех электростанций, линий электропередачи и др.

Потребители электрической энергии – промышленные, сельскохозяйственные, коммунально-бытовые предприятия, освещение, электрифицированный транспорт, население и др. – в силу специфики своей работы и соответственно электропотребления создают неравномерную электрическую нагрузку энергосистем, изменение которой во времени изображают в виде графиков нагрузки. Такие графики характеризуют изменение нагрузки в течение суток, недели, месяца, года. В различных странах в зависимости от климатических и социально-экономических условий графики нагрузок имеют особенности.

Основные требования энергосистем к режимам работы ГЭС и ГАЭС. Основной характеристикой, определяющей режим работы энергосистемы, является суточный график нагрузки энергосистемы, в том числе график максимального рабочего дня, который характеризуется наибольшей суточной нагрузкой энергосистемы, график среднего рабочего дня и график минимального (обычно воскресного) дня, характеризуемый наименьшей нагрузкой. Форма суточного графика нагрузки энергосистемы определяется характером и продолжительностью работы потребителей электроэнергии.

В условиях Украины для наиболее напряженного суточного графика нагрузки зимнего дня обычно характерны два пика – вечерний и утренний – и два провала – более глубокий ночной и дневной (рис. 2.13).

В разных странах отношение минимальной (базисной) нагрузки в суточном графике к максимальной (пиковой) в среднем меняется от 0,6 до 0,8.

В объединенных энергосистемах график нагрузки обычно становится более плотным и достигается относительное снижение максимума нагрузки, особенно если энергосистемы находятся в разных часовых поясах.

Годовые графики нагрузки энергосистем в зависимости от климатических и социально-экономических условий характеризуются:

• уменьшением нагрузки в летние месяцы (в основном в связи со снижением коммунально-бытовой нагрузки), что характерно для стран Западной Европы, России, Украины;
• увеличением нагрузки в летние месяцы в странах с жарким климатом (в связи с ростом бытовых нагрузок, орошением и др.). Например, в США нагрузки в летние месяцы превышают зимние в целом на 8–10%, что связано с работой установок кондиционирования воздуха, вентиляционных систем, орошения.

Таблица 2.8 Характеристика маневренных качеств различных типов электростанций

Тип электро- станции	Технический минимум нагрузки, в % (отношение минимальной допустимой мощности к установленной)	Регулиро- вочный диапазон, в %	Время набора полной мощности, мин
			После остановки	Из горячего состояния
АЭС	85–90	10–15	390–660	60
Мощные ТЭС	70–80	20–30	90–180	20–50
ГТУ	0	100	15–30	0,5
ГЭС	0	100	1–2	0,25–0,5*
ГАЭС	0	200	1–2	0,25–0,5*

* При вращении в режиме холостых оборотов.

Рис. 2.13. Покрытие суточного графика нагрузки энергосистемы

– ГЕС – ГАЕС – ГАЕС у насосному режимі

В современных условиях в объединенных энергосистемах покрытие графиков нагрузок обеспечивается совместной работой тепловых электростанций, атомных, газотурбинных, парогазотурбинных электростанций, ГЭС и ГАЭС.

Во второй половине ХХ в. объединенные энергосистемы развивались в основном за счет ввода в действие мощных ТЭС с агрегатами единичной мощностью 300, 500, 800, 1200 МВт, АЭС с энергоблоками 500, 1000 МВт и более. Концентрация мощностей агрегатов и электростанций, обеспечив более быстрый ввод мощностей в энергосистемах, значительное повышение экономичности их работы, одновременно резко усложнила покрытие графика нагрузок в зоне минимальных и максимальных нагрузок. Эти электростанции, эффективно работая с постоянной нагрузкой, имеют крайне ограниченный диапазон регулирования нагрузки (табл. 2.8), что вызывает серьезные затруднения в энергосистемах при прохождении ночных провалов графика нагрузок, приводя к избытку энергетических мощностей, необходимости заполнения провалов и выравнивания графика нагрузок или снижения мощности агрегатов ТЭС и АЭС до технического минимума и остановки агрегатов ТЭС. Работа оборудования ТЭС и АЭС с изменением нагрузки, частые систематические остановки и пуски агрегатов ТЭС приводят к снижению к.п.д., пережогу топлива, ускоренному износу оборудования, аварийным ситуациям, повышению себестоимости электроэнергии.

Наиболее эффективная работа ТЭС и АЭС в энергосистеме достигается при их работе практически с постоянной мощностью в базисной части графика нагрузок.

Особенностью ГЭС и ГАЭС является их высокая маневренность. Так, пуск гидроагрегатов из остановленного положения в турбинном режиме с синхронизацией и полным набором мощности составляет 1–2 мин, а при вращении на холостом ходу – 15–30 с. Изменение мощности гидроагрегата или его остановка требуют несколько секунд.

В условиях значительной неравномерности суточных графиков нагрузки в объединенных энергосистемах именно ГЭС и ГАЭС, обладающие высокой маневренностью и большим регулировочным диапазоном, высокими скоростями изменения нагрузок, минимальным временем набора нагрузки, пуска и остановки агрегатов, выполняют важнейшие задачи:

• покрывают наиболее сложную пиковую и полупиковую части графика нагрузок (см. рис. 2.13). При этом ГЭС и ГАЭС при покрытии пиковой части графика нагрузки в среднем работают 2–5 часов в сутки, а полупиковой части графика 5–15 часов в сутки;
• при работе в насосном режиме ГАЭС заполняет провальную часть графика нагрузок, снижая его неравномерность, и обеспечивает оптимизацию структуры генерирующих мощностей в энергосистеме за счет увеличения мощности базисных ТЭС и АЭС;
• выполняют функции аварийного и нагрузочного резервов энергосистемы;
• используются в качестве источников реактивной мощности.

В целом ГЭС и ГАЭС обеспечивают повышение эффективности и надежности работы энергосистем.

В энергосистемах разных стран соотношение мощностей ТЭС и АЭС, а с другой стороны, ГЭС и ГАЭС существенно отличается.

В ряде стран в энергосистемах ТЭС и АЭС составляют основную часть мощностей и вырабатывают до 75–95% электроэнергии (табл. 2.9). В этих странах проводится политика тарифов за электроэнергию, направленная на уплотнение графика нагрузок (в условиях многоставочных тарифов с платой за мощность и электроэнергию стоимость 1 кВт·ч пиковой электроэнергии в 5–10 раз и более выше ночной), учитывая избыток мощностей в провальной части графика в ночной период и трудности с покрытием пиковой части.

В странах (Норвегия, Австрия, Канада, Бразилия и др.), где ГЭС составляют основную часть мощности энергосистем, значительно упрощается покрытие графика нагрузок.

Работа ГЭС в энергосистемах. Работа ГЭС в энергосистеме имеет определенные особенности, вызванные зависимостью от речного стока и от режимов работы водохранилищ комплексного назначения, а также ограничениями по условиям нижнего бьефа и охраны окружающей среды. Водохранилища ГЭС в зависимости от полезной емкости могут осуществлять суточное, недельное, сезонное и многолетнее регулирование. При этом, однако, в неблагоприятный по водности год (обычно в качестве расчетного принимается маловодный год с 90–95% обеспеченности) ГЭС должны обеспечить расчетную гарантированную энергоотдачу для покрытия своей зоны графика нагрузок энергосистемы.

Водохранилище суточного регулирования позволяет перераспределить естественный суточный сток для обеспечения неравномерного режима работы ГЭС с целью покрытия пиковой части графика нагрузок.

В условиях снижения электрических нагрузок в энергосистеме в выходные дни при недельном регулировании уменьшаются мощность и выработка электроэнергии ГЭС, а неиспользованный сток аккумулируется в водохранилище и используется в рабочие дни недели, обеспечивая повышение энергоотдачи ГЭС.

При сезонном и многолетнем регулировании водохранилища в маловодный период ГЭС обеспечивает покрытие пиковой части суточного графика нагрузок за счет естественного притока воды в водохранилище в течение суток и сработки полезного объема, ранее накопленного водохранилищем.

В условиях комплексного использования водохранилища учет требований других водопользователей в определенной мере может влиять на режим работы ГЭС. При наличии ограничений, например связанных с обеспечением постоянного гарантированного минимального попуска в нижний бьеф, ГЭС будет также частично работать в базовой части графика нагрузки с мощностью, определяемой этим попуском (см. рис.2.13).

Таблица 2.9 Мощность ГЭС и их доля в выработке электроэнергии всех электростанций в энергосистемах ряда стран (на уровне 2008 г.)

 

Страны с преобладанием мощностей ТЭС и АЭС
Страна	Мощность ГЭС, млн. кВт	Доля выработки ГЭС в общей выработке, %
США	78,2	6,0
Китай	171,0	16,4
Италия	20,0	14,3
Россия	49,7	19,0
Турция	13,6	25,4
Украина	4,7	6,0
Финляндия	3,1	22,8
Франция	25,4	12,4
Япония	22,0	4,9

 

В паводковый период для максимального энергетического использования воды и уменьшения ее холостых сбросов обычно все агрегаты ГЭС работают с полной мощностью непрерывно, вырабатывая максимально возможное количество электроэнергии без ведения суточного регулирования, покрывая базисную часть графика нагрузок энергосистемы. Это позволяет получить в целом экономию топлива, хотя в данный период часть ТЭС вынуждены работать в неравномерном режиме, в том числе в пиковой части графика нагрузок.

На ГЭС с водохранилищем, имеющим значительную полезную емкость, целесообразно размещать аварийный резерв системы с длительным временем работы. На ГЭС также размещают нагрузочный резерв системы для поддержания частоты в энергосистемах. Например, в ОЭС Украины ГЭС Днепровского каскада, Днестровская ГЭС являются аварийным резервом, однако комплексное использование их водохранилищ накладывает определенные ограничения на режимы работы ГЭС в качестве резерва ОЭС. Поэтому их использование в аварийных ситуациях может причинить убытки другим отраслям, в первую очередь рыбному хозяйству.

Большинство ГЭС также работают в режиме синхронного компенсатора для выработки реактивной мощности.

Работа объединенных энергосистем с большим удельным весом ГЭС зависит от регулирования стока водохранилищами, а также от регулирования энергоотдачи при совместной работе в энергосистеме каскадов ГЭС вследствие естественной асинхронности стока рек. Так, благодаря асинхронности стока рек Ангары и Енисея и различным регулирующим возможностям водохранилищ каскадов ГЭС на этих реках получается дополнительно около 500 МВт в Объединенной энергосистеме Сибири (Россия), в которой удельный вес ГЭС около 50%.

ГЭС являются важным системообразующим фактором. Создание крупных каскадов ГЭС и высоковольтных линий электропередачи для выдачи их мощности во многих случаях становились основой образования объединенных энергосистем.

Работа ГЭС характеризуется высокой надежностью, вероятность аварийных ситуаций на ГЭС значительно ниже, чем на ТЭС, у которых аварийные ситуации связаны с использованием в технологическом цикле чрезвычайно высоких температур и давлений, большими запасами топлива и др.

Работа ГАЭС в энергосистемах. Ввод в действие мощных ТЭС и АЭС для покрытия базисной части графика нагрузки энергосистем, тенденция к разуплотнению графиков нагрузки и росту пиковой части привели к широкому строительству ГАЭС во второй половине ХХ в. (рис.2.14). Только ГАЭС благодаря присущей им многофункциональности, участвуя в регулировании мощности, способны обеспечить повышение нагрузок ТЭС и АЭС в провальной части суточного графика нагрузок, т.е. искусственно увеличить базисную часть графика нагрузок и уменьшить его неравномерность, выполняя функцию потребителя-регулятора; покрытие пиковой или полупиковой части графика нагрузок, служить быстродействующим аварийным и нагрузочным резервом системы. Феномен ГАЭС заключается в том, что ее регулирующая мощность в энергосистеме соответствует сумме установленных мощностей в турбинном и насосном режимах, составляющей диапазон мощностей станции, т. е. ГАЭС может осуществлять двойное регулирование.

Режим работы ГАЭС при наличии замкнутой системы циркуляции воды между верхним и нижним водоемами практически не зависит от стока реки.

ГАЭС выполняют функции регулирования в энергосистеме в самом широком значении с максимальным использованием их преимуществ быстродействия и высокой готовности к пуску. Поэтому они эксплуатируются в различных режимах с многократными пусками и остановками в течение суток, выполняя роль маневренной мощности при входе и выходе из пиков, компенсатора реактивной мощности, средства заполнения ночных провалов, аварийного и частотного резерва. Так, с учетом современных требований для обеспечения стабильной работы энергосистемы расчетное количество пусков на ГАЭС Blenheim Cilboa мощностью 1,04 млн. кВт (США) составляет 6000 в год. В реальных условиях эксплуатации в наиболее напряженные периоды, например на Загорской ГАЭС (Россия) мощностью 1,2 млн. кВт, число пусков в сутки доходило до 30 без учета пусков в режиме синхронного компенсатора.

Рис. 2.15. Характерные суточные графики работы Загорской ГАЭС

Рис. 2.14. Рост мощности ГАЭС в мире

Использование ГАЭС в качестве аварийного и частотного резерва энергосистемы становится одной из ее важнейших функций. В случае аварии в энергосистеме с крупными генерирующими источниками, линиями электропередач быстрое включение ГАЭС в турбинный режим или переключение ГАЭС из насосного режима в турбинный компенсируют мощности, потерянные энергосистемой, и позволяют исключить аварийное отключение потребителей. Именно ГАЭС вместе с ГЭС в значительной мере в тяжелых аварийных ситуациях позволяют не допустить «развала» энергосистемы.

На ряде ГАЭС в верхних водоемах дополнительно резервируется аварийный запас воды, рассчитанный на работу в течение 1,5–3 ч.

При работе ГАЭС в режиме недельного регулирования в выходные дни, когда нагрузка уменьшается, и ТЭС и АЭС вынужденно снижают мощность, за счет работы ГАЭС в насосном режиме разгрузка ТЭС и АЭС может быть уменьшена. Дополнительный объем воды, закаченный ГАЭС в верхний водоем в выходные дни, используется в рабочие дни для покрытия пиковой части графика нагрузок.

Использование Загорской ГАЭС в выходные дни позволяет повысить уровень недельного регулирования на ГЭС ВолжскоКамского каскада, обеспечивая увеличение их выработки в рабочие дни.

Характер режимов работы ГАЭС меняется в течение года, исходя из изменения суточных графиков нагрузок энергосистемы в разные сезоны года. В качестве примера на рис. 2.15 приведены графики работы Загорской ГАЭС.

Именно высокая экономическая эффективность, повышение надежности работы энергосистем при использовании ГАЭС, в том числе обеспечение нормативных требований к качеству электроэнергии (частоте, напряжению), недопущение аварийного отключения потребителей, послужили основой для их широкого строительства.

В последнее десятилетие во многих странах (США, Канаде, странах Западной Европы и др.) произошла либерализация рынка электроэнергии. При этом возрастает роль ГАЭС в обеспечении устойчивости работы энергосистем за счет резервирования мощности, регулирования частоты, напряжения.

Многолетняя эксплуатация ГАЭС показала их высокую надежность и эффективность работы в объединенных энергосистемах, основу которых составляют базисные мощности крупных ТЭС и АЭС. ГАЭС становятся неизменными спутниками таких электростанций, причем при их размещении в непосредственной близости обеспечивается повышение надежности и эффективности работы АЭС и ТЭС, также снижаются затраты в ЛЭП и потери электроэнергии. Размещение ГАЭС рядом с АЭС позволяет использовать ее как дополнительный резерв электроснабжения собственных нужд АЭС в аварийных ситуациях для повышения безопасности АЭС.

В ряде стран (Япония, Италия) мощность ГАЭС в энергосистемах составляет более 10 % установленной мощности всех электростанций.

Верхний водоем Киевской ГАЭС