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

Практично у всіх країнах світу великі електростанції спільно працюють в енергосистемах. Диспетчерські управління енергосистем здійснюють оперативне керівництво режимами роботи електростанцій, оптимізуючи функціонування всіх електростанцій, ліній електропередачі та інше.

Споживачі електричної енергії – промислові, сільськогосподарські, комунально-побутові підприємства, освітлення, електрифікований транспорт, населення та ін. – у силу специфіки своєї роботи та відповідно електроспоживанню створюють нерівномірне електричне навантаження енергосистем, зміну якого у часі зображують у вигляді графіків навантаження. Такі графіки характеризують зміну навантаження протягом доби, тижня, місяця, року. У різних країнах залежно від кліматичних і соціально-економічних умов графіки навантажень мають особливості. 

Основні вимоги енергосистем до режимів роботи ГЕС і ГАЕС. Основною характеристикою, що визначає режим роботи енергосистеми, є добовий графік навантаження енергосистеми, у тому числі графік максимального робочого дня, який характеризується найбільшим добовим навантаженням енергосистеми, графік середнього робочого дня та графік мінімального (зазвичай недільного) дня, що характеризується найменшим навантаженням. Форма добового графіка навантаження енергосистеми визначається характером і тривалістю роботи споживачів електроенергії.

В умовах України для найбільш напруженого добового графіку навантаження зимового дня характерні два піки – вечірній і ранковий – і два провали – більш глибокий нічний і денний (мал. 2.13).

У різних країнах відношення мінімального (базового) навантаження у добовому графіку до максимального (пікового) в середньому змінюється від 0,6 до 0,8.

В об'єднаних енергосистемах графік навантаження звичайно стає щільнішим і досягається відносне зниження максимуму навантаження, особливо якщо енергосистеми перебувають у різних годинних поясах.

Річні графіки навантаження енергосистем залежно від кліматичних і соціально-економічних умов характеризуються:

• зменшенням навантаження в літні місяці (в основному у зв'язку зі зниженням комунально-побутового навантаження), що характерно для країн Західної Європи, Росії, України;
• збільшенням навантаження в літні місяці в країнах з жарким кліматом (у зв'язку з ростом побутових навантажень, зрошенням та ін.). Наприклад, у США навантаження в літні місяці перевищують зимові в цілому на 8–10%, що пов'язане з роботою установок кондиціювання повітря, вентиляційних систем, зрошення.

Мал. 2.13. Покриття добового графіку навантаження енергосистеми

– ГЕС – ГАЕС – ГАЕС у насосному режимі

 
Таблиця 2.8. Характеристика маневрених якостей різних типів електростанцій

Тип електро- станції	Технічний мінімум навантаження, в % (відношення мінімальної припустимої потужності до встановленої)	Регулюючий діапазон, в %	Час набору повної потужності, хв.
			Після зупинки	З гарячого стану
АЕС	85–90	10–15	390–660	60
Потужні ТЕС	70–80	20–30	90–180	20–50
ГТУ	0	100	15–30	0,5
ГЕС	0	100	1–2	0,25–0,5*
ГАЕС	0	200	1–2	0,25–0,5*

* При обертанні в режимі холостих обертів.

У сучасних умовах в об'єднаних енергосистемах покриття графіків навантажень забезпечується спільною роботою теплових електростанцій, атомних, газотурбінних, парогазотурбінних електростанцій, ГЕС і ГАЕС.

У другій половині ХХ ст. об'єднані енергосистеми розвивалися в основному за рахунок запровадження в дію потужних ТЕС із агрегатами одиничною потужністю 300, 500, 800, 1200 МВт, АЕС із енергоблоками 500, 1000 МВт і більше. Концентрація потужностей агрегатів і електростанцій, забезпечивши більш швидке введення потужностей в енергосистемах, значне підвищення економічності їх роботи, одночасно різко ускладнила покриття графіка навантажень у зоні мінімальних і максимальних навантажень. Ці електростанції, ефективно працюючи з постійним навантаженням, мають вкрай обмежений діапазон регулювання навантаження (табл. 2.8), що викликає серйозні утруднення в енергосистемах при проходженні нічних провалів графіка навантажень, призводячи до надлишку енергетичних потужностей, необхідності заповнення провалів і вирівнювання графіка навантажень або зниження потужності агрегатів ТЕС і АЕС до технічного мінімуму й зупинки агрегатів ТЕС. Робота устаткування ТЕС і АЕС зі зміною навантаження, часті систематичні зупинки й пуски агрегатів ТЕС призводять до зниження к.к.д., перевитрати палива, прискореного спрацювання устаткування, аварійних ситуацій, підвищення собівартості електроенергії.

Найбільш ефективна робота ТЕС і АЕС в енергосистемі досягається при їх роботі практично з постійною потужністю в базовій частині графіку навантажень.

Особливістю ГЕС і ГАЕС є їх висока маневреність. Так, пуск гідроагрегатів із зупиненого положення в турбінному режимі із синхронізацією та повним набором потужності становить 1–2 хв., а при обертанні на холостому ході – 15–30 с. Зміна потужності гідроагрегата або його зупинка вимагають кілька секунд.

В умовах значної нерівномірності добових графіків навантаження в об'єднаних енергосистемах саме ГЕС і ГАЕС, що володіють високою маневреністю й більшим регулювальним діапазоном, високими швидкостями зміни навантажень, мінімальним часом набору навантаження, пуску й зупинки агрегатів, виконують найважливіші завдання:

• покривають найбільш складну пікову й напівпікову частини графіка навантажень (див. мал. 2.13). При цьому ГЕС і ГАЕС при покритті пікової частини графіка навантаження в середньому працюють 2–5 годин на добу, а напівпікової частини графіка – 5–15 годин на добу;

• при роботі в насосному режимі ГАЕС заповнює провальну частину графіка навантажень, знижуючи його нерівномірність, і забезпечує оптимізацію структури потужностей, що генерують, в енергосистемі за рахунок збільшення потужності базових ТЕС і АЕС;

• виконують функції аварійного та навантажувального резервів енергосистеми;

• використовуються в якості джерел реактивної потужності.

У цілому ГЕС і ГАЕС забезпечують підвищення ефективності та надійності роботи енергосистем.

В енергосистемах різних країн співвідношення потужностей ТЕС і АЕС, а з іншої сторони ГЕС і ГАЕС суттєво відрізняється.

У ряді країн в енергосистемах ТЕС і АЕС становлять основну частину потужностей і виробляють до 75–95% електроенергії (табл.

2.9). У цих країнах проводиться політика тарифів за електроенергію, спрямована на ущільнення графіку навантажень (в умовах багатоставочних тарифів з оплатою за потужність і електроенергію вартість 1 кВт·год пікової електроенергії в 5–10 разів і більше вище нічної), з огляду на надлишок потужностей у провальній частині графіка у нічний період і труднощі з покриттям пікової частини.

У країнах (Норвегія, Австрія, Канада, Бразилія та ін.), де ГЕС становлять основну частину потужності енергосистем, значно спрощується покриття графіку навантажень.

Робота ГЕС в енергосистемах. Робота ГЕС в енергосистемі має певні особливості, викликані залежністю від річкового стоку та від режимів роботи водоймищ комплексного призначення, а також обмеженнями за умовами нижнього б'єфа та охорони навколишнього середовища. Водоймища ГЕС залежно від корисної ємності можуть здійснювати добове, тижневе, сезонне та багаторічне регулювання. При цьому, однак, у несприятливий за водністю рік (зазвичай у якості розрахункового приймається маловодний рік з 90–95% забезпеченості) ГЕС повинні забезпечити розрахункову гарантовану енерговіддачу для покриття своєї зони графіка навантажень енергосистеми.

Водоймище добового регулювання дозволяє перерозподілити природний добовий стік для забезпечення нерівномірного режиму роботи ГЕС із метою покриття пікової частини графіку навантажень.

В умовах зниження електричних навантажень в енергосистемі у вихідні дні при тижневому регулюванні зменшуються потужність і вироблення електроенергії ГЕС, а невикористаний стік акумулюється у водоймищі й використовується у робочі дні тижня, забезпечуючи підвищення енерговіддачі ГЕС.

При сезонному і багаторічному регулюванні водоймища в маловодний період ГЕС забезпечує покриття пікової частини добового графіку навантажень за рахунок природного припливу води у водоймище протягом доби та спрацювання корисного обсягу, раніше накопиченого водоймищем.

В умовах комплексного використання водоймища облік вимог інших водокористувачів у певній мері може впливати на режим роботи ГЕС. При наявності обмежень, наприклад пов'язаних із забезпеченням постійного гарантованого мінімального попуску у нижній б'єф, ГЕС буде також частково працювати у базовій частині графіку навантаження з потужністю, обумовленою цим попуском (див. мал. 2.13).

Таблиця 2.9. Потужність ГЕС і їх частка у виробленні електроенергії всіх електростанцій в енергосистемах ряду країн (на рівні 2008 року)

Країни з перевагою потужностей ТЕС і АЕС
Країна	Потужність ГЕС, млн. кВт	Частка вироблення ГЕС у загальному виробленні, %
США	78,2	6,0
Китай	171,0	16,4
Італія	20,0	14,3
Росія	49,7	19,0
Туреччина	13,6	25,4
Україна	4,7	6,0
Фінляндія	3,1	22,8
Франція	25,4	12,4
Японія	22,0	4,9

У паводковий період для максимального енергетичного використання води й зменшення її холостих скидань зазвичай всі агрегати ГЕС працюють із повною потужністю безупинно, виробляючи максимально можливу кількість електроенергії без ведення добового регулювання, покриваючи базову частину графіка навантажень енергосистеми. Це дозволяє одержати в цілому економію палива, хоч у даний період частина ТЕС змушені працювати у нерівномірному режимі, у тому числі у піковій частині графіка навантажень.

На ГЕС із водосховищем, що має значну корисну ємність, доцільно розміщувати аварійний резерв системи із тривалим часом роботи. На ГЕС також розміщуюють навантажувальний резерв системи для підтримки частоти в енергосистемах. Наприклад, в ОЕС України ГЕС Дніпровського каскаду, Дністровська ГЕС є аварійним резервом, однак комплексне використання їх водоймищ накладає певні обмеження на режими роботи ГЕС в якості резерву ОЕС. Тому їх використання в аварійних ситуаціях може заподіяти збитки іншим галузям, у першу чергу рибному господарству.

Більшість ГЕС також працюють у режимі синхронного компенсатора для вироблення реактивної потужності.

Робота об'єднаних енергосистем з більшою питомою вагою ГЕС залежить від регулювання стоку водоймищами, а також від регулювання енерговіддачі при спільній роботі в енергосистемі каскадів ГЕС внаслідок природної асинхронності стоку рік. Так, завдяки асинхронності стоку рік Ангари і Єнісею й різним регулюючим можливостям водоймищ каскадів ГЕС на цих ріках одержуються додатково близько 500 МВт в Об'єднаній енергосистемі Сибіру (Росія), в якій питома вага ГЕС біля 50%.

ГЕС є важливим системоутворюючим фактором. Створення великих каскадів ГЕС і високовольтних ліній електропередачі для видання їх потужності у багатьох випадках ставали основою утворення об'єднаних енергосистем.

Робота ГЕС характеризується високою надійністю, імовірність аварійних ситуацій на ГЕС значно нижча, ніж на ТЕС, в яких аварійні ситуації пов'язані з використанням у технологічному циклі надзвичайно високих температур і тисків, більшими запасами палива й ін.

Робота ГАЕС в енергосистемах. Введення у дію потужних ТЕС і АЕС для покриття базової частини графіка навантаження енергосистем, тенденція до розущільнення графіків навантаження й росту пікової частини привели до широкого будівництва ГАЕС у другій половині ХХ ст. (мал.2.14). Тільки ГАЕС завдяки властивій їм багатофункціональності, беручи участь у регулюванні потужності, здатні забезпечити підвищення навантажень ТЕС і АЕС у провальній частині добового графіку навантажень, тобто штучно збільшити базову частину графіку навантажень і зменшити його нерівномірність, виконуючи функцію споживача-регулятора; покриття пікової або напівпікової частини графіка навантажень, служити швидкодіючим аварійним і навантажувальним резервом системи.

Феномен ГАЕС полягає в тому, що її регулююча потужність в енергосистемі відповідає сумі встановлених потужностей у турбінному та насосному режимах, яка становить діапазон потужностей станції, тобто ГАЕС може здійснювати подвійне регулювання.

Режим роботи ГАЕС при наявності замкнутої системи циркуляції води між верхньою і нижньою водоймами практично не залежить від стоку ріки.

ГАЕС виконують функції регулювання в енергосистемі у самому широкому значенні з максимальним використанням їх переваг швидкодії й високої готовності до пуску. Тому вони експлуатуються у різних режимах з багаторазовими пусками й зупинками протягом доби, виконуючи роль маневреної потужності при вході й виході з піків, компенсатора реактивної потужності, засобу заповнення нічних провалів, аварійного й частотного резерву. Так, з урахуванням сучасних вимог для забезпечення стабільної роботи енергосистеми розрахункова кількість пусків на ГАЕС Blenheim Cilboa потужністю 1,04 млн. кВт (США) становить 6000 на рік. У реальних умовах експлуатації в найбільш напружені періоди, наприклад на Загорській ГАЕС (Росія) потужністю 1,2 млн. кВт, число пусків на добу доходило до 30 без обліку пусків у режимі синхронного компенсатора.


Мал. 2.14. Ріст потужності ГАЕС у світі

Мал. 2.15. Характерні добові графіки роботи Загорської ГАЕС

Використання ГАЕС в якості аварійного й частотного резервів енергосистеми стає однією з її найважливіших функцій. У випадку аварії в енергосистемі з великими генеруючими джерелами, лініями електропередач швидке включення ГАЕС у турбінний режим або перемикання ГАЕС із насосного режиму в турбінний компенсують потужності, загублені енергосистемою, і дозволяють виключити аварійне відключення споживачів. Саме ГАЭС разом з ГЕС значною мірою у важких аварійних ситуаціях дозволяють не допустити «розвалу» енергосистеми.

На ряді ГАЕС у верхніх водоймах додатково резервується аварійний запас води, розрахований на роботу протягом 1,5–3 год.

При роботі ГАЕС у режимі тижневого регулювання у вихідні дні, коли навантаження зменшується і ТЕС і АЕС вимушено знижують потужність, за рахунок роботи ГАЕС у насосному режимі розвантаження ТЕС і АЕС може бути зменшене. Додатковий обсяг води, закачаний ГАЕС у верхню водойму у вихідні дні, використовується в робочі дні для покриття пікової частини графіка навантажень.

Використання Загорської ГАЕС у вихідні дні дозволяє підвищити рівень тижневого регулювання на ГЕС Волзько-Камського каскаду, забезпечуючи збільшення їх вироблення в робочі дні.

Характер режимів роботи ГАЕС змінюється протягом року, виходячи зі зміни добових графіків навантажень енергосистеми в різні сезони року. Як приклад на мал. 2.15 наведені графіки роботи Загорської ГАЕС.

Саме висока економічна ефективність, підвищення надійності роботи енергосистем при використанні ГАЕС, у тому числі забезпечення нормативних вимог до якості електроенергії (частота, напруга), недопущення аварійного відключення споживачів, послужили основою для їх широкого будівництва.

В останнє десятиліття в багатьох країнах (США, Канаді, країнах Західної Європи й ін.) відбулася лібералізація ринку електроенергії. При цьому зростає роль ГАЕС у забезпеченні стійкості роботи енергосистем за рахунок резервування потужності, регулювання частоти, напруги.

Багаторічна експлуатація ГАЕС показала їх високу надійність і ефективність роботи в об'єднаних енергосистемах, основу яких становлять базові потужності великих ТЕС і АЕС. ГАЕС стають незмінними супутниками таких електростанцій, причому при їх розміщенні в безпосередній близькості забезпечується підвищення надійності та ефективності роботи АЕС і ТЕС, також знижуються витрати в ЛЕП і втрати електроенергії. Розміщення ГАЕС поруч із АЕС дозволяє використовувати її як додатковий резерв електропостачання власних потреб АЕС в аварійних ситуаціях для підвищення безпеки АЕС.

У ряді країн (Японія, Італія) потужність ГАЕС в енергосистемах становить більше 10% установленої потужності всіх електростанцій.

Верхня водойма Київської ГАЕС