Раздел 2. Гидроэнергетические ресурсы, их использование. Принципиальные схемы, параметры, режимы работы ГЭС и ГАЭС

Краще використання й зменшення резерву генераторних установок. Перші досліди об'єднання електричних станцій різного типу в єдину систему за допомогою надпотужної електричної мережі дозволили координувати характеристики роботи електричних станцій і центрів споживання. Вигоди, одержувані від об'єднання, були різні залежно від того, які станції переважають у даній області, – теплові або гідравлічні. Для гідравлічних електростанцій вигоди від об'єднання електричних мереж полягають у можливості безпосереднього узгодження сумарних графіків споживання й виробництва електричної енергії. Особливо істотними ці вигоди стають тоді, коли поєднуються мережі із зовсім різними характерними, але доповнюючими одна одну властивостями генераторних установок або навантажень. За тими ж міркуваннями поєднання двох систем, що живляться гідроенергетичними установками, виявляється особливо корисним при наявності істотної відмінності в їх гідравлічних характеристиках. Наприклад, вигідне сполучення установок без регулювання з установками, що мають значні басейни для регулювання, або комбінування установок з різним характером регулювання (добовим, тижневим чи річним), або, нарешті, сполучення установок, що відрізняються одна від одної за характером зміни витрат води протягом доби або періодів року. Досить важливі й розходження географічного положення. Наприклад, у більш низько розташованих місцевостях танення снігів дає весняні повені на цілий місяць раніше, ніж у більш високо розташованих місцевостях.

Вигоди від паралельної роботи двох гідроенергетичних установок, що мають різні доповнюючі один одного режими, пояснює приклад, запозичений з італійської практики з‘єднання мереж на початку ХХ століття й наведений на мал. 12.1. Водні потоки, що беруть початок в Апеннінах, режим яких залежить тільки від джерел і дощів, дають значення ряду 1. Ряд 2 зображує річну ламану пряму потужності (у відносних одиницях), одержувану від використання альпійських водних потоків, що мають режим, обумовлений головним чином їх льодовиковим походженням і лише трохи залежний від дощів. Підсумовуючи ординати обох рядів, одержимо результуючий ряд 3, значно більш вирівняний і сприятливий для електричного використання, ніж обидві складові рядів 1 й 2.

Мал. 12.1. Зміна потужності двох гідроенергетичних установок, що отримується від використання водяних потоків, залежних відповідно від дощів, танення снігу й льоду, а також сумарної енергії ГЕС протягом року (у відносних одиницях)

Для теплових станцій об'єднання мереж дозволяє зменшити загальний резерв установленої потужності агрегатів, створює кращі можливості для покриття місцевих перевантажень. При цьому з'являється можливість зосередити виробництво електричної енергії на теплових станціях великої потужності, розташованих поблизу джерел органічного палива й маючих устаткування, яке значно більш економічне у порівнянні із дрібними тепловими станціями.

Особливо істотними ці вигоди стають у разі з’єднання електричними мережами декількох окремих енергосистем, в яких є як теплові, так і гідроелектростанції із зовсім різними характеристиками, або коли споживачі в цих енергосистемах різко відрізняються за характером навантаження, або коли одна з поєднуваних енергосистем не має у своєму розпорядженні достатнього резерву установленої потужності.

Те ж саме стосується й характеристик графіку споживання. Кількість енергії, споживаної приєднаними до мережі приймачами, зазнає значних коливань (добових і сезонних). Характер цих коливань залежить від складу споживачів. Особливо помітно споживання змінюється в мережах з перевагою освітлювального навантаження, що змушує будувати центральні станції значно потужнішими, а, отже, і більш дорогими, ніж це було б необхідно для виробництва середньої річної потужності, яка витрачається у мережі. У гідроенергетичних установках це змушує будувати басейни для регулювання, які дозволяють накопичити обсяг води, необхідний для вироблення потужності, що витрачається під час максимумів. З’єднання мереж у цьому випадку, збільшуючи території живлення, дозволяє досягти кращого значення коефіцієнта збігу, що сприятливо діє на зниження максимуму. Ще більш сприятливі результати з’єднання мереж дає при різному складі споживачів систем, що з'єднують. Так, в одній мережі може переважати освітлювальне, в іншій – рушійне навантаження. З іншого боку, різні галузі промисловості, що живляться двома мережами, звичайно мають неоднакові періоди максимального й мінімального споживання в залежності від сезону або економічної кон'юнктури моменту, пожвавлення або застою у виробництві й збуті.

Розширення району розподілу енергії приводить до поліпшення коефіцієнта використання енергетичних установок і до більшої сталості навантаження станцій не тільки завдяки збільшенню коефіцієнта збігу, але й у силу простої дії закону великих чисел, або теореми Бернуллі, яка для розглядуваного випадку може бути сформульована наступним чином: при збільшенні навантаження в N (наприклад в 25) разів середні або ймовірні коливання навантаження для певного проміжку часу будуть тільки в N^1/2 (тобто в нашому прикладі в 5) разів більше, а відносні коливання, отже, будуть в N/N^1/2= N^1/2 (тобто в 5) разів менше.

Дуже істотною перевагою з‘єднання мереж є можливість зменшення резерву встановленої потужності. При цьому резерв використовується спільно всіма з'єднаними системами, що дозволяє значно зменшити (а іноді й наблизити до нуля) кількість резервних енергетичних установок. У гідроенергетичних установках з’єднання дає можливість зменшити розміри басейнів для регулювання.

Підвищення надійності роботи. Одним з благотворних результатів перших дослідів зі з’єднання мереж є більша надійність роботи в розумінні безперервності енергопостачання споживачів. Незважаючи на зазначене можливе зменшення загального резерву, з’єднання мереж надає об'єднаним установкам значну гнучкість, що відкриває можливість не переривати енергопостачання споживачів (не відключати частину з них) при випадковому або періодичному (у певну пору року) дефіциті енергії в одному із центрів виробництва, а живити споживачів даного району енергією, одержуваною в інших центрах виробництва.

Спрощення й раціональний розвиток генераторних установок. Сприяючи поступовій заміні дрібних установок більш економічними великими, з’єднання мереж допомагало значному спрощенню й раціональному розвитку станційного устаткування завдяки зменшенню кількості агрегатів, збільшенню їх потужності й, нарешті, завдяки можливості зниження вимог до регулювання частоти й напруги внаслідок зменшення відносних коливань загального навантаження. Зокрема, для великих теплоенергетичних установок з’єднання мереж забезпечувало на весь час їх роботи режим повного навантаження, відводячи, таким чином, на другий план всі питання, пов'язані з економічністю роботи машин при малому навантаженні. Звільнившись від деталей, конструктор міг, таким чином, присвятити всю свою увагу найважливішому питанню збільшення коефіцієнта корисної дії при повному навантаженні.

Раціоналізація спалювання й транс порту вугілля. Результатом високорозвиненої системи з’єднання мереж є заміна (де це можливо) теплоенергетичних генерувальних установок гідроенергетичними й, отже, зменшення спалювання вугілля, яке витрачається на виробництво електричної енергії. Звичайно, навіть на початку ХХ століття інженери – творці концепції об'єднання енергосистем – розуміли, що навряд чи вдасться зовсім обійтися без теплоенергетичних установок. Але зосередження виробництва вироблюваної за допомогою пари електричної енергії в невеликій кількості потужних станцій високої продуктивності приводить, знов-таки, до зниження витрати вугілля. Від того, що центральні електричні станції на початку ХХ століття були одним з найбільших споживачів вугілля, скорочення попиту з їх боку на цей вид палива досить сприятливо відбилося на пережитій багатьма країнами вугільній кризі, звільнивши досить значні кількості цього палива для інших потреб і понизивши для цілого ряду держав завожувані з-за кордону обсяги вугілля, що благотворно вплинуло на їх бюджет.

Крім того, з’єднання мереж і будівництво теплоенергетичних станцій у безпосередній близькості до родовищ вугілля викликають зменшення потреби в перевезеннях цього палива, дозволяючи замінити їх передачею електричної енергії проводами.

Інші переваги з’єднання мереж. Крім всіх перерахованих, до переваг з’єднання мереж варто віднести ще й полегшення раціональної електрифікації залізниць. Наявність широко розвинутої системи з'єднаних мереж у ряді країн Європи прискорила процес переходу на електричну тягу.

Необхідно вказати ще й на нові можливості, які відкриває з’єднання мереж відносно більш рівномірного розподілу промислових підприємств і населення по території країни. Передача електричної енергії, вироблюваної на теплових і гідроенергетичних установках, сприяючи розвитку й виникненню нових промислових підприємств, до початку процесу об'єднання мереж сприяла концентрації таких підприємств переважно в містах. На початку ХХ століття в Європі виникає питання про бажаність розвитку в протилежному напрямку. Поступово, охоплюючи все більшу й більшу частину всієї території, система з'єднаних між собою мереж постачала й дрібним населеним пунктам дешеву й доступну енергію, дозволяючи багатьом видам промислових підприємств повернутися з міст до сільської місцевості, щоб скористатися вигодами меншої вартості земельних ділянок, меншими податками і т. ін. Подібний процес у свою чергу сприяв більш рівномірному розподілу населення по території країни й тим самим усував небажану подальшу концентрацію населення в переповнених промислових центрах Європи.