Министерство образования и науки Российской Федерации
ФГБОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет»
(национально исследовательский университет)
Факультет «Энергетический»
Кафедра «ЭПА»
РЕФЕРАТ
по дисциплине «Общая энергетика»
Гидроаккумулирующая
электростанция (ГАЭС): эскиз сооружения, порядок работы. Генераторы
электроэнергии ГАЭС, КПД. Сравнение с гидроэлектростанциями (ГЭС)
Проверил
Н.Ю. Башмакова
Автор работы
студент группы Э-235
Д.А.Елистратов
Челябинск
2013
АННОТАЦИЯ
Елистратов Д.А. Гидроаккумулирующая электростанция (ГАЭС): эскиз сооружения, порядок работы. Генераторы электроэнергии ГАЭС, КПД. Сравнение с гидроэлектростанциями (ГЭС). Челябинск: ЮУрГУ, Э-235, 31с., 2ил., 0табл., библиогр. список-5 наим., 0 прил.
Цель реферата - отразить процесс производства тепловой и электрической энергии на ГАЭС.
Задачи реферата - изучить, обобщить, проанализировать структуру современной ГАЭС.
Новизна реферата состоит в том, что ГАЭС были
рассмотрены с точки зрения современных технологий, так как при подготовке
использовалась литература не позднее 10 лет издания.
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.
В настоящее время разработана (и частично уже реализуется) программа развития гидроэнергетических мощностей на период до 2020 г., предусматривающая ввод генерирующих мощностей.
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. СРАВНЕНИЕ ГАЭС С ЗАРУБЕЖНЫМИ
АНАЛОГАМИ
Строительство ГАЭС было начато в Западной Европе в конце XIX в. - в 1882 г. в Швейцарии близ г. Цюриха была сооружена установка Леттем с двумя насосами мощностью по 51,5 кВт, накачивающими воду на высоту 153 м в резервуар емкостью 18 тыс. м3. В 1894 г. на прядильной фабрике в Италии была введена в работу установка Крева-Луино мощностью 50 кВт с напором 64 м, работавшая по недельному циклу аккумулирования: запасенный в субботу и воскресенье объем воды срабатывался в рабочие дни.
По данным на 1970 г., в 29 странах мира насчитывалось 148 эксплуатируемых ГАЭС суммарной установленной мощностью15,3 млн кВт. Из этой мощности на долю США приходилось 3640 МВт, что составляло 1,2 % установленной мощности всех электростанций страны. К 1980 г. эта доля выросла до 4 % (32 ГАЭС, 14 млн кВт) и в стадии проектирования находилось еще 33 ГАЭС, а к 1990 г. - до 5,6 % (37,3 млн кВт). Более половины ГАЭС построено в Германии, Японии, США, Швейцарии и других странах Западной Европы. В частности, в Японии количество эксплуатируемых ГАЭС составляет около 50, в Германии - более 30. Доля ГАЭС в энергосистемах Западной Европы с 1,0 % в 1970 г. (6 млн кВт) к 1980 г. увеличилась до 4 % (26 млн кВт). Кроме того, в 1970 г. в стадии строительства находилось еще 48 ГАЭС общей мощностью около 22 млн кВт.
Практически на территории Советского Союза до 80-х гг. прошлого столетия были построены и эксплуатировались только две ГАЭС: Ставропольская установленной мощностью 19 МВт, работающая в режиме сезонного регулирования стоков Большого Ставропольского канала, и Киевская ГЭС-ГАЭС с тремя обычными и тремя обратимыми агрегатами суммарной установленной мощностью в турбинном режиме 225 МВт, введенная в эксплуатацию в 1972 г.
Мировой опыт использования ГАЭС в электроэнергетике давно подтвердил их техническую эффективность в обеспечении экономичности энергообъединений и их живучести, в повышении надежности электроснабжения и качества электроэнергии. В настоящее время в мире насчитывается более 460 действующих ГАЭС различной компоновки с широком диапазоном установленной мощности - от нескольких десятков кВт до 3000 МВт (ГАЭС Эдисон в США) - и напорами от нескольких десятков метров до 1700 м (ГАЭС Рейзек в Австрии). В ближайшие годы ожидается значительное увеличение количества строящихся и эксплуатируемых ГАЭС. Наиболее интенсивно гидроаккумулирование развито в США (39 ГАЭС; 20,8 млн кВт), Японии (20 млн кВт), Германии (33 ГАЭС; 5,6 млн кВт), Италии (22 ГАЭС; 7,0 млн кВт), Австрии (4,4 млн кВт), Франции (4,4 млн кВт), Швейцарии (13 ГАЭС; 1,2 млн кВт), Китае (5,0 млн кВт), Испании (5,0 млн кВт) и т. д.
Реальные к.п.д. современных мощных ГАЭС с одинаковой частотой вращения в обоих режимах могут отличаться. Так, для Загорской ГАЭС (Россия) при единичной мощности обратимых агрегатов 200 МВт к.п.д составляет 74 %, ГАЭС Круахан (Великобритания) при единичной мощности агрегатов 100 МВт к.п.д. равен 75 %, ГАЭС Динорвиг (Великобритания) при мощности одного агрегата 300 МВт - 78 %, ГАЭС Ренкхаузен (Германия) общий к.п.д. равен 75,1 % и т. д. При трехмашинных компоновках оборудования к.п.д. аккумулирования достигает 79 % (ГАЭС Вианден-I, Люксембург). Таким образом, для современных ГАЭС к.п.д. аккумулирования составляет не менее 72-74 %.
Анализ 50 наиболее крупных зарубежных ГАЭС, работающих в самом широком диапазоне напоров, имеющих от 1 до 9 агрегатов с единичной мощностью от 50 до 375 МВт, показывает, что на 47 из них установлены предтурбинные затворы (шаровые, дисковые или дроссельные). Наличие этого затвора и его использование непосредственно в технологии агрегата позволяет радикально решить проблему протечек через закрытые направляющие аппараты агрегатов. Казалось бы, напрашивается простое и, на первый взгляд, очевидное решение - на всех ГАЭС устанавливать предтурбинные затворы и при необходимости задействовать их не только в аварийной или ремонтной ситуации, но и в технологии пуска-останова обратимых гидроагрегатов. Однако все не так просто. Для европейской части России программа строительства ГАЭС предусматривает их строительство в равнинных условиях с напором около 100 м и единичной мощностью агрегатов 200 МВт и более. Для таких напоров и мощностей расход воды как в турбинном, так и в насосном режиме таков, что напорные трубопроводы должны иметь диаметр не менее 7 м. Предтурбинные затворы известных конструкций (шаровые, дисковые, дроссельные) для таких диаметров технически выполнимы, но с учетом их гидропривода потребуют строительства отдельных машинных зданий, что резко увеличит стоимость ГАЭС.
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.
В зарубежной практике строительства ограждающих сооружений водоемов ГАЭС в качестве противофильтрационных устройств наибольшее распространение получили экраны из асфальтобетона. Они широко применяются для экранирования как откосов ограждающих дамб, так и дна водоемов. Для отвода воды в случае нарушения целостности экрана предусматриваются подэкрановые дренажи. В качестве примера ГАЭС Ладингтон (США) и Маркерсбах (Германия).
При возведении дамб верхнего бассейна Загорской ГАЭС в 1987-1988 гг. был получен первый опыт создания насыпей из грунтовых смесей. В дамбы укладывалась смесь моренных и покровных суглинков, имеющих различные физико-механические характеристики. Моренные и покровные суглинки, которые разрабатывались непосредственно в акватории бассейна, имеют в основном полутвердую и тугопластическую консистенцию. Необходимо было подобрать такую плотность укладки, которая обеспечивала бы сохранение этой консистенции после укладки грунтов в сооружение при их водонасыщении под действием создаваемого напора воды.
На второй очереди дамбы верхнего бассейна Загорской ГАЭС изменена технология крепления напорного откоса. Откос выполнен более пологим по сравнению с первой очередью бассейна с креплением песчано-гравийной смесью с усилением отметки НПУ булыжником. Эта конструкция оказалась более технологичной в строительстве и устойчивой; она также отличается высокой ремонтопригодностью.
Выпуск крупных обратимых гидромашин начался в США практически с 1950 г., а в Европе - спустя 10 лет. В настоящее время суммарная (во всем мире) установленная мощность ГАЭС с обратимыми гидромашинами значительно превышает установленную мощность всех остальных ГАЭС.
Первые обратимые гидромашины были изготовлены на напор менее 100 м, однако этот показатель непрерывно повышался, и уже в 1975 г. для ГАЭС Кош во Франции были изготовлены обратимые многоступенчатые насосотурбины на напор 931 м, а в 1978 г. для ГАЭС Чиота-Пиастра - на напор 1048 м.
Пионером в области изготовления и применения обратимых агрегатов ГАЭС как по количеству, так и по напору, является Япония.
В России первые опыты использования гидромашин в
обратимых режимах были проведены в середине ХХ столетия. Во время Великой
Отечественной войны были проведены опыты по использованию насосных агрегатов
канала Москва-Волга в турбинном режиме для получения дефицитной электроэнергии.
Учитывая, что на пяти насосных станциях этого канала суммарная мощность
электрических машин составляет 60 МВт, использование агрегатов в качестве
источника электроэнергии имело значительный эффект. Поэтому и в последующее
время 20 агрегатов на насосных станциях канала использовались в обратимых
режимах в течение нескольких десятков лет. К.п.д. насосного
гидроаккумулирования при этом составлял 0,57.
2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ, ПРИНЦИП РАБОТЫ, КЛАССИФИКАЦИЯ, ЭСКИЗ СООРУЖЕНИЯ ГАЭС
.1 Гидроаккумулирующие электрические
станции
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.
Концентрация мощностей агрегатов и электростанций обеспечивает более быстрый ввод мощностей в энергосистемах, повышение экономичности электростанций, уменьшение потребности в трудовых ресурсах при строительстве и эксплуатации, снижение металлоемкости.
Наряду с положительными сторонами насыщение энергетических систем тепловыми и атомными электростанциями огромной мощности усугубляет трудности с покрытием минимальных нагрузок. Ограниченный диапазон регулирования мощности крупноблочных агрегатов и невозможность частых пусков и остановок без резкого снижения надежности и экономичности работы энергосилового оборудования, тепловых и атомных электростанций затрудняет покрытие неравномерной части графиков электрической нагрузки. Неравномерность режима электропотребления наблюдается не только в течение суток (внутри суточная неравномерность), но и по дням недели (внутри недельная неравномерность), и сезонам года (внутригодовая неравномерность).
В этих условиях неразрывность процесса производства и потребления электроэнергии требует от энергосистем значительного маневрирования мощностями электростанций и агрегатов. Однако современное оборудование ТЭС и АЭС не приспособлено к резко переменному режиму работы. Тратиться огромные средства на различного рода усовершенствования, реконструкцию отдельных узлов агрегатов и на устранения неполадок. При решении указанной проблемы гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС) занимают особое место, так как они одновременно являются высокоманевренным источником пиковой мощности и потребителем регулятором. В отличии от гидроэлектростанций обычного типа пиковая энергоподача ГАЭС не зависит от водности года.
Основным назначением гидроаккумулирования является
повышение надежности, маневренности и экономичности работы энергосистем, что
достигается совместным решением задач по прохождению ночного провала суточных
графиков нагрузки, покрытию их пиковой части, улучшению режима теплового
оборудования ТЭС и созданию условий для увеличения мощности базовых
электростанций.
2.2 Принцип работы
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.
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.