Выполнить доклад на тему: "технико-экономические характеристики гаэс как элементов энергосистем".

Содержание

Введение 3
1. Принципы работы, технологические схемы ГАЭС 5
2. Генераторы электроэнергии ГАЭС, коэффициент полезного действия
ГАЭС 9
3. Технико-экономические характеристики ГАЭС 11
Заключение 13
Список использованных источников 15

Введение

Вопросы использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ)
актуальны для всех стран мира в силу различных обстоятельств. Для
промышленно развитых стран мира, зависящих от импорта топливно-
энергетических ресурсов это, прежде всего, энергетическая безопасность. Для
промышленно развитых стран, богатых энергоресурсами – это экологическая
безопасность. Для развивающихся стран – это наиболее быстрый путь к
улучшению социально-бытовых условий жизни населения.
К ВИЭ относятся: энергия солнца, ветра, рек и водотоков, мирских
приливов и волн, тепловая энергия земли (геотермальная) и гидросферы (тепло
воздуха и вод океанов, морей и крупных водоемов), а также энергия биомассы.
Меня из этого перечня интересует, в первую очередь, гидроэнергетика. Это
прежде всего потенциал энергии рек и водотоков, который в мире оценивается
величиной в 8100 млрд. кВт-ч.
Особое место в числе различных видов гидроэнергетики занимают ГАЭС.
Благодаря специфической технологии ГАЭС дают уникальную возможность
двойного регулирования мощности - в генераторном и нагрузочном режимах.
Это позволяет использовать ГАЭС при решении широкого диапазона
режимных задач, связанных с потребностями в регулировании:
· работа в интересах Системного оператора Единой энергетической
системы по регулированию суточного графика нагрузки регулирование
режимов «тепловых» изолированных энергосистем;
· оптимизация работы тепловых (ТЭС) и атомных (АЭС) электростанций,
улучшение их технико-экономических показателей, снижение вредных
выбросов в атмосферу;
· совместная работа с ПЭС;
· осуществление функций быстро вводимого аварийного резерва
генерирующей мощности.
Гидроаккумулирующие электростанции получили широкое
распространение в мире: по состоянию на 2005 г. их общее количество

достигло 460; в настоящее время строится около 40 новых ГАЭС во многих
странах мира.
Актуальность развития генерирующих мощностей
гидроаккумулирующего типа обусловлена дефицитом маневренных
регулирующих мощностей.

1. Принципы работы, технологические схемы ГАЭС
Гидравлическое аккумулирование электрической энергии осуществляется
гидроаккумулирующими электростанциями (ГАЭС), сооружение которых
способствует комплексному решению ряда энергетических, топливно-
энергетических и водохозяйственных проблем.
Планомерно увеличивающиеся масштабы промышленного и
сельскохозяйственного производства обуславливают значительные приросты
электропотребления. Удовлетворения этого прироста электропотребления
энергетическими мощностями невозможно без концентрации мощностей на
электростанциях и отдельных агрегатах.
Практически во всем мире в современных энергообъединениях почти
исключительное распространение получило гидроаккумулирование – благодаря
соизмеримости мощности и количества перераспределяемой энергии ГАЭС с
потребностями энергосистем.
Проблема покрытия пиковых нагрузок и прохождения периодов
сниженного электропотребления в последние десятилетия во всем мире
становится все более актуальной в связи с разуплотнением графиков нагрузок
современных энергосистем, увеличением количества маломаневренных
турбоагрегатов повышенной мощности ТЭС и АЭС, а также значительной
степенью освоения экономически выгодных для использования гидроресурсов.
Одним из возможных и наиболее эффективных способов решения этой
проблемы является строительство и использование мощных ГАЭС, которые
характеризуются уникальным сочетанием функций пиковой станции и
потребителя-регулятора, способного в период ночного провала суточного
графика нагрузок обеспечить потребление избыточной электрической
мощности теплофикационного оборудования ТЭС и АЭС. Кроме того, на эти
станции часто возлагают функции регулирования частоты и напряжения в
энергообъединении.
В районах, бедных гидроресурсами, получили преимущественное
распространение ГАЭС несовмещенного гидроаккумулирования. Такие

станции строятся при наличии соответствующих естественных условий:
возможности концентрации наибольшего напора с расположением верхнего и
нижнего бассейнов на наименьшем расстоянии один от другого. Для верхних
бассейнов могут использоваться как существующие водоемы - озера и
водохранилища, так и специально создаваемые искусственные бассейны. В
качестве нижних, помимо рек и озер, может использоваться акватория морских
заливов [5, с. 197-198].
Наибольшее распространение в практике зарубежного строительства
ГАЭС получили высоконапорные деривационные схемы с подземными
компоновками основных элементов гидроузлов. Для равнинных ГАЭС России,
Прибалтики и Украины с напором около 100 м более характерны
деривационные схемы с открытым расположением напорных трубопроводов.
Во всех деривационных схемах ГАЭС применяется напорная деривация. В
соответствии с этой схемой созданы Загорская ГАЭС в России, Круонисская в
Литве, Ташлыкская на Украине и др.
Теоретическая мощность водотока (без учета потерь стока и водной
энергии при ее преобразовании в электрическую в турбинном режиме)
определяется следующим образом:
N = 9,81QH,
где N - мощность водотока, кВт;
Q - расход воды, м3/с;
H - напор, м.
Силой, осуществляющей работу водяного потока, является вес воды.
Работа потока определяется напором (Н) водотока, т.е. разностью уровней воды
в начале и конце рассматриваемого участка, и величиной расхода (Q)
протекающей воды.
Из приведенной формулы видно, что при увеличении напора при
неизменной мощности пропорционально уменьшается необходимый расход
воды. Это означает, что чем больше напор, тем меньше расход воды, меньше
диаметр напорных трубопроводов, меньше габариты рабочего колеса

насосотурбины и, следовательно, меньше габариты машинного здания и
стоимость всего сооружения.
Работа ГАЭС, как и других аккумуляторов энергии, заключается в смене
двух режимов: накопления энергии (заряда) и ее выдачи потребителям
(разряда).
Заряд ГАЭС осуществляется путем подъема воды гидромашинами с
электрическим приводом из нижнего водохранилища в верхнее (верхний
аккумулирующий бассейн). Заряд производится, как правило, во время ночных
провалов электропотребления, когда в энергосистеме в связи с проблемами
регулирования или необходимостью выполнения теплового графика нагрузки
образуется излишняя генерирующая мощность. При разряде, осуществляемом в
часы максимума нагрузки или в аварийной ситуации в энергосистеме,
потенциальная энергия поднятой воды преобразуется в электрическую. При
этом вода, срабатываемая из верхнего бассейна в нижний, пропускается через
турбины или обратимые гидромашины в турбинном режиме, работающие
совместно с реверсивными электромашинами, которые генерируют
электрический ток, как и на обычных ГЭС. Таким образом, ГАЭС при заряде
работают как насосные станции, а при разряде – как гидроэлектростанции [4, с.
128-129].
На ГАЭС могут устанавливаться двух-, трех- и четырехмашинные
агрегаты. При напорах до 500м обычно устанавливаются двухмашинные
обратимые агрегаты, состоящие из обратимой гидромашины - насосотурбины и
синхронной электрической машины. В режиме выработки электроэнергии
гидротурбина вращает генератор, а в насосном режиме – синхронный
электродвигатель, потребляя энергию из сети, вращает гидротурбину,
работающую как насос. В этом режиме требуется изменение направления
вращения вала агрегата, поэтому в цепи генератора устанавливаются два
реверсирующих разъединителя и выключатель или два реверсирующих
выключателя. В часы, когда агрегаты ГАЭС не работают в турбинном или

насосном режиме, они используются как синхронные компенсаторы, при этом
синхронная машина работает в режиме электродвигателя.
Пуск обратимого агрегата в турбинный режим производится так же, как и
пуск обычного гидроагрегата. Пуск в насосный режим сложнее и требует
большего времени, так как мощность синхронных машин, выполняющих роль
генератора и электродвигателя, установленных на ГАЭС, достигает 100МВт и
более. Прямой пуск электродвигателя такой мощности приведет к
недопустимому снижению напряжения на шинах, к которым подключается
машина. Поэтому при асинхронном пуске применяют реакторы или
автотрансформаторы для ограничения пусковых токов. Возможен пуск с
помощью вспомогательного асинхронного электродвигателя с фазным ротором,
посаженным на вал агрегата. Когда агрегат достигает подсинхронной частоты
вращения, он возбуждается и входит в синхронизм. Для агрегатов 100-250МВт
обычно применяется этот метод пуска.
На ГАЭС применяются укрупненные энергоблоки: две-три синхронные
машины соединяются с одним трансформатором с установкой генераторных
выключателей и реверсирующих разъединителей ГАЭС сооружают вблизи
узлов нагрузки энергосистемы и короткими линиями 220-750 кВ соединяют с
узловыми подстанциями. На высшем напряжении ГАЭС используют наиболее
простые схемы: блоки трансформатор-линия, мостики, многоугольники и
другие схемы, рекомендуемые для ГАЭС [2, с. 145].

2. Генераторы электроэнергии ГАЭС, коэффициент полезного действия

ГАЭС

На современных мощных ГАЭС в зависимости от величины
действующего напора, требований в части мобильности и маневренности
гидроагрегатов и обеспечения соответствующей мощности в насосном и
турбинном режимах работы получили распространение три возможные схемы
компоновки насосотурбинных гидроагрегатов ГАЭС:
 Четырехмашинная (4М) с раздельными гидравлическими и
электрическими машинами (насосом, турбиной, электродвигателем и
гидрогенератором);
 Трехмашинная (3М) с раздельными гидромашинами (насосом и
турбиной) и одной обратимой синхронной электромашиной (генератором-
двигателем);
 Двухмашинная (2М) с одной обратимой гидравлической машиной
(насосотурбиной) и одной обратимой электромашиной (генератором-
двигателем). Для обозначения двухмашинной схемы в технической литературе
и практике получил распространение термин обратимый гидроагрегат (ОА), так
как он меняет направление вращения вала и движения потока воды при
переходе из насосного режима работы в турбинный и при обратном переходе.
пецифические особенности работы обратимых насосотурбинных
гидроагрегатов ГАЭС – частые переводы из одного режима работы в другой,
тяжелые условия пуска в насосный режим и т. д. предъявляют особые
требования к конструкции и эксплуатации основного энергетического
оборудования ГАЭС, в том числе и к генераторам-двигателям [7, с. 3].
Основными требованиями к генераторам-двигателям обратимых
гидроагрегатов следует считать:
 возможность обеспечения прямого асинхронного пуска в насосный
(двигательный) режим (в случае, если этот вид пуска является штатным);

 устойчивая работа в двигательном и генераторном режиме с
максимальным значением к.п.д.;
 надежная работа системы охлаждения активных частей в
стационарных и переходных пуско-тормозных режимах работы;
 обеспечение надежной работы подпятника и направляющих
подшипников в реверсивных условиях и при переменных нагрузках;
 надежная работа системы возбуждения во всех режимах работы;
 обеспечение надежной работы контактных колец и щеточного
аппарата в условиях реверсивной работы;
 сохранение устойчивости параллельной работы с энергосистемой
во всех режимах работы.
Реверсивность вращения и тяжелые условия пуска обратимого
гидроагрегата в насосный режим требуют обеспечения особо надежной работы
направляющих подшипников и подпятника агрегата при вращении вала в обоих
направлениях.
Гидростатический подъем вращающихся частей обратимого агрегата
основан на принудительной подаче в сегменты подпятника масла под высоким
давлением – до 150 кг/см2. Этой же цели (снижение сопротивления трения)
служит переход от баббитовых скользящих частей подпятника на современные
материалы – полимеры, имеющие малый коэффициент трения при высокой
механической прочности [6, с. 165].
При выборе параметров генератора-двигателя учитывают особенности
его работы в режиме как двигателя, так и генератора. Обычно решающим
является двигательный режим, так как в этом случае электромашина бывает,
как правило, наиболее загружена как в стационарном, так и переходных
режимах работы. Естественно, в этом случае принимаются во внимание
требования энергосистемы. В частности, если в генераторном режиме обычно
cos ц = 0,8-0,95, то в двигательном режиме этот параметр может быть больше и
составлять 0,9-1 [3, с. 23].

3. Технико-экономические характеристики ГАЭС
К основным характеристикам ГАЭС относятся:
• ГАЭС работают в двух режимах: ночью в режиме заряда (насосном
режиме) гидроагрегаты перекачивают воду из нижнего бассейна в верхний,
потребляя электроэнергию из системы. В режиме разряда в часы максимальной
нагрузки (утром и вечером) ГАЭС работают в генераторном режиме и
производят электроэнергию;
• для строительства ГАЭС необходим рельеф местности с перепадом
высот (не менее 200 метров), позволяющим создать два бассейна на разных
уровнях, обеспечивающих необходимый напор воды;
• мощность ГАЭС зависит от напора, секундного расхода воды и КПД;
• ГАЭС заполняют ночной провал и уплотняют суточный график
нагрузки энергосистемы;
• эффективность работы ГАЭС зависит от цены на электроэнергию,
потребляемую во время заряда;
• агрегаты ГАЭС имеют высокие маневренные характеристики:
– время перехода в генераторный режим 1,7–3 мин; в насосный режим
5–12 мин;
– время набора полной мощности в генераторном режиме составляет
1,5–2,5 мин;
– регулировочный диапазон мощности равен сумме мощностей в
насосном и генераторном режиме и превышает 200%;
• выработка электроэнергии ГАЭС на 15–20% меньше расхода
электроэнергии на ее заряд;
• в суточном графике нагрузки энергосистемы выработка электрической
энергии ГАЭС размещается в пиковой или полупиковой зоне, поскольку ГАЭС
очень мобильны;
• за счет использования электроэнергии для заряда, КПД ГАЭС ниже
КПД ГЭС и равен 70%;

• себестоимость электроэнергии выше по сравнению с ГЭС, а структура
себестоимости близка к структуре себестоимости электроэнергии ТЭС, ввиду
расходов на оплату электроэнергии, потребляемой для заряда (переменных
расходов);
• удельные капитальные затраты на ГАЭС меньше, чем на ГЭС на 20–25%
за счет меньшего объема гидросооружений;
• ГАЭС входят в ОАО «РусГидро» и являются субъектами ОРЭМ [1, с.
417-418].
Заключение

Необходимость строительства ГАЭС объективно обусловлена дефицитом
маневренных мощностей в тех регионах, в которых преобладают
маломаневренные тепловые и атомные электростанции. Это новая и
перспективная, а также очень нужная и полезная отрасль гидроэнергетики.
Хотелось бы отметить еще одну из наиболее важных проблем, которую я
не упомянула в своей работе. При эксплуатации вновь построенных ГАЭС, как
и других новых энергообъектов, появляется проблема формирования и
своевременной подготовки эксплуатационного персонала. Обычно новые
коллективы эксплуатационников формируются в значительной степени за счет
миграции специалистов нужного профиля с родственных предприятий. Также
следует рассчитывать на то, что эксплуатационный персонал вновь
построенных ГАЭС будет комплектоваться за счет молодых специалистов, не
имеющих опыта работы на гидростанциях, либо, в лучшем случае, частично за
счет перехода специалистов с обычных ГЭС.
Гидротехнические сооружения и гидроэнергетическое оборудование
ГАЭС конструктивно не многим отличаются от аналогичных объектов ГЭС.
Принципиальное отличие ГАЭС заключается в режиме работы и повышенной
интенсивности эксплуатации оборудования и сооружений.
Перспективность развития этого вида гидроэнергетики определяется не
столько техническими проблемами, которые по мере необходимости будут так
или иначе разрешаться, сколько экономическим статусом ГАЭС, а именно
прибыльностью и, соответственно, инвестиционной привлекательностью
проектов новых станций этого типа.
Таким образом, техническая необходимость развития сравнительно
нового вида гидроэнергетики – гидроаккумулирования не вызывает сомнения,
поскольку ГАЭС позволяют оптимизировать работу ТЭС, АЭС и
энергообъединений в целом, обеспечить нормативное качество электроэнергии
в нормальных режимах, снизить перетоки мощности по межсистемным связям,
повысить надежность и живучесть энергообъединений, а также – в ряде случаев

– радиационную безопасность АЭС в аварийных ситуациях, облегчить условия
послеаварийного восстановления энергосистем в случае крупной системной
аварии, сопровождающейся разделением системы и «посадкой» тепловых
станций на «ноль», а также оказать благотворное влияние на
общехозяйственные процессы страны: сгладить последствия наводнений,
создать запасы воды для целей ирригации, хозяйственного и бытового
потребления и т. д.
Эти технологические возможности ГАЭС носят больше качественный
характер, чем количественный, и их трудно оценить экономически.

Список использованных источников

1. Александровский А.Ю. Гидроэнергетика: Учебник для вузов/ А. Ю.
Александровский, М. И. Кнеллер, Д. Н. Коробова и др.; Под ред. В. И.
Обрезкова. – 2-е изд. перераб. и доп. – М.:ЭНАС,2018. – 515 с.
2. Ананичева, С. С. Электроэнергетические системы и сети: учебное
пособие / С. С. Ананичева, С. Н. Шелюг. — Екатеринбург: Изд-во Урал. ун-та,
2019 —296 с.
3. Гатилло, С. П. Гидроэлектростанции: учебно-методическое пособие
для студентов специальности 1-70 04 01 «Водохозяйственное строительство» /
С.П. Гатилло, О.Б. Корбут. – Минск: БНТУ, 2019. – 40 с.
4. Козлов А.Н. Гидравлические электрические станции: Учебное
пособие / сост. А.Н. Козлов, В.А. Козлов, А.Г.Ротачева – Благовещенск: Изд-во
АмГУ, 2017. – 372 с.
5. Синюгин В.Ю. Гидроаккумулирующие электростанции в
современной электроэнергетике / В.Ю.Синюгин, В.И.Магрук, В.Г.Родионов. -
М.: ЭНАС, 2018. – 352 с.
6. Стофт С. Экономика энергосистем. Введение в проектирование
рынков электроэнергии: Пер. с англ.- М: Мир, 2006. – 321 с.
7. Хакимуллин Б.Р., Багаутдинов И.З. Гидроаккумулирующие
электростанции // Инновационная наука. 2016. №4-3 (16). URL:
https://cyberleninka.ru/article/n/gidroakkumuliruyuschie-elektrostantsii-1 (дата
обращения: 08.09.2021).