Министерство образования и науки Российской Федерации

КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра электроснабжения промышленных предприятий

Производство электроэнергии

Конспект лекций

для студентов дневной формы обучения специальности

140211  Электроснабжение

Лекция 2

Структура электроэнергетической системы,

основные типы электростанций,

их особенности и назначение

(1 час)

Краснодар

2012

2 Структура электроэнергетической системы, основные типы электростанций, их особенности и назначение

2.1 Структура электроэнергетической системы

Для повышения надежности электро- и теплоснабжения по­требителей электростанции объединяются на параллельную рабо­ту в энергетические системы.

Энергетической системой (энергосистемой) называется совокупность электростанций, электрических и тепловых сетей, соединенных между собой и связанных общностью режима в непрерывном процессе производства, преобразования и распределения электрической энергии и теплоты при общем управлении этим режимом.

Электрической частью энергосистемы называется совокупность электроустановок электрических станций и электрических сетей энергосистемы.

Электроэнергетической системой называется электрическая часть энергосистемы и питающиеся от нее приемники электрической энергии, объединенные общностью процесса производства, передачи, распределения и потребления электрической энергии.

Электрической сетью называется совокупность электроустановок для передачи и распределения электрической энергии, состоящая из подстанций, распределительных устройств, токопроводов, воздушных (ВЛ) и кабельных (КЛ) линий электропередачи, работающих на определенной территории.

Основную часть электрической энергии вырабатывают:

1) тепловые электрические станции (ТЭС), которые подразделяются на конденсационные (КЭС) и теплофикационные (ТЭЦ);

2) атомные электрические станции (АЭС);

3) гидравлические электрические станции (ГЭС) и гидроаккумулирующие станции (ГАЭС).

Незначительную часть энергии вырабатывают дизельные электростанции (ДЭС), а также ТЭС с газотурбинными (ГТУ) и парогазовыми установками (ПГУ).

Особое место занимают электростанции, работающие на возобновляемых источниках энергии: солнечные (СЭС), ветровые (ВЭС), геотермальные (ГЕОТЭС) и приливные электростанции (ПЭС). Однако суммарная мощность этих станций незначительна.

Мощность электрических станций различного типа зависит от наличия и размещения на территории страны теплоэнергетических и гидроэнергетических ресурсов, их технико-экономических характеристик, и от технико-экономических показателей станций.

Таблица 2.1  Экономические характеристики электрических станций

Тип электростанции	КЭС	ТЭЦ	АЭС	ГЭС
Удельные капитальные вложения, руб./кВт	100-150	165-200	200-300	190-350
Себестоимость электроэнергии, коп/(кВтч)	0,5-1,0	0,3-0,8	0,45-0,8	0,04-0,2

Примечание. В ценах 1990 г.

Нагрузка электроэнергетической системы слагается из:

1) нагрузок потребителей, присоединенных к сетям системы;

2) мощности собственных производственных нужд электростанций;

3) потерь мощности в сетях.

Суточный график системы для зимнего дня (рисунок 2.1) имеет два максимума и два минимума. Дневной максимум имеет место приблизительно от 8 до 11 ч по местному времени, вечерний  приблизительно от 16 до 20 ч. Ночной минимум Р_нч,min имеет место приблизительно от 0 до 6 ч и дневной Р_дн,min  приблизительно от 11 до 13 ч.

В суточном графике различают:

а) базовую часть, соответствующую нагрузке Р  Р_нч,min;

б) полупиковую часть, соответствующую условию

Р_нч,min Р  Р_дн,min;

в) пиковую часть, соответствующую нагрузке Р  Р_дн,min.

Нагрузка электроэнергетической системы должна быть распределена между всеми электростанциями, суммарная установленная мощность которых несколько превышает наибольший максимум системы.

Покрытие базовой части суточного графика возлагают:

а) на АЭС, регулирование мощности которых затруднительно;

б) на ТЭЦ, максимальная экономичность которых имеет место, когда электрическая мощность соответствует тепловому потреблению (пропуск пара в ступени низкого давления турбин в конденсаторы должен быть минимальным;

в) на ГЭС в размере, соответствующем минимальному пропуску воды, необходимому по санитарным требованиям и условиям судоходства. Во время паводка участие ГЭС в покрытии базовой части графика системы может быть увеличено с тем, чтобы после заполнения водохранилищ до расчетных отметок не сбрасывать бесполезно избыток воды через водосливные плотины.

Покрытие пиковой части возлагают на ГЭС и ГАЭС, агрегаты которых допускают частые включения и отключения, быстрое изменение нагрузки.

Рисунок 2.1  Суточный график нагрузки электроэнергетической

системы и графики электростанций, участвующих в выработке

электроэнергии

Остальная часть графика, частично выровненная нагрузкой ГАЭС при работе их в насосном режиме, может быть покрыта КЭС, работа которых наиболее экономична при равномерной нагрузке.

Чем неравномернее график нагрузки системы, тем большая мощность ГЭС и ГАЭС необходима, чтобы обеспечить экономичную работу КЭС, без резкого снижения их нагрузки в ночные часы, а также в выходные и предпраздничные дни или отключения части агрегатов в эти часы. Таким образом, участие ГЭС и ГАЭС в покрытии графика системы при достаточной мощности их позволяет выровнять графики нагрузки КЭС, ТЭЦ и АЭС и обеспечить наибольшую экономичность энергосистемы в целом.

Режимы работы электростанций разного типа, объединенных в электрическую системы, назначаются группой режимов диспетчерского управления системой с учетом особенностей их производственного процесса и состава энергосистемы, с тем чтобы получить наибольший экономический эффект по системе в целом.

Чтобы обеспечить нормальную работу энергосистемы, установленная мощность электростанций должна превышать наибольшую нагрузку системы. Мощность, равная разности Р_У Р_нг,mах, представляет собой некоторый запас установленной мощности, необходимый для резервирования агрегатов электростанций в случае их повреждения и проведения плановых ремонтов.

Резервная мощность подразделяется на вращающийся или горячий резерв и холодный резерв. Вращающийся резерв сосредоточен в агрегатах, нагрузка которых меньше номинальной мощности. Холодный резерв  это мощность в неработающих агрегатах, которые в случае необходимости могут быть быстро введены в работу.

С учетом резервной мощности, а также требований устойчивости и надежности работы энергосистем мощность наиболее мощного агрегата в энергосистеме не должна превышать 2 % установленной мощности энергосистемы. Мощность наиболее крупной электростанции не должна по тем же соображениям превышать 8-12 % установленной мощности энергосистемы. Отсюда следует, что агрегаты (блоки) мощностью в 500, 800, 1000, 1200 МВт и выше могут быть установлены только в мощных энергосистемах с надежными внутрисистемными связями.

Резервная мощность должна быть не менее 10-15 % суммарной установленной мощности. Увеличение резервной мощности ведет к ухудшению технико-экономических показателей энергосистемы, а ее уменьшение  к понижению надежности электроснабжения потребителей.

2.2 Основные типы электростанций, их особенности и назначение

2.2.1 Тепловые конденсационные электрические станции

В отечественных энергосистемах на долю КЭС приходится большая часть всей вырабатываемой энергии.

На тепловых электростанциях (КЭС и ТЭЦ) химическая энергия сжигаемого топлива преобразуется в котле в энергию водяного пара, приводящего во вращение турбоагрегат (паровую турбину, соединенную с генератором). Меха­ническая энергия вращения преобразуется генератором в электрическую. Топливом для электростанций служат уголь, торф, горючие сланцы, а так­же газ и мазут.

Основными особенностями КЭС являются удаленность от потребите­лей электроэнергии, что определяет в основном выдачу мощности на высо­ких и сверхвысоких напряжениях, и блочный принцип построения электро­станции. Мощность современных КЭС обычно такова, что каждая из них может обеспечить электроэнергией крупный район страны. Отсюда еще одно название электростанций этого типа  государственная районная электрическая станция (ГРЭС). КЭС сооружают обычно вблизи мест добычи топлива, транспортировка которого на значительные расстояния экономически нецелесообразна. Вырабатываемая электроэнергия передается к местам потребления по линиям электропередачи. Однако использование местного топлива не является обязательным признаком КЭС. Построен ряд мощных КЭС, использующих природный газ, который транспортируется по газопроводам на значительные расстояния. Важнейшим условием, определяющим место строительства мощной КЭС, является наличие источника водоснабжения.

Мощность отдельных электростанций этого типа достигла 6000 МВт и имеет тенденцию к дальнейшему увеличению до 8000 МВт. На новейших КЭС устанавливают экономичные паротурбинные агрегаты с параметрами пара 24 МПа и 560/565 ^ОС с промежуточным перегревом пара мощностью 300, 500, 800 и 1200 МВт, рассчитанные на работу в базисной части суточного графика нагрузки энергосистемы с продолжительностью использования установленной мощности Т_У = W/Р_У = 5000 ч/год и более.

Предельная мощность КЭС определяется условиями водоснабжения и влиянием выбросов станции на окружающую среду.

Тепловые станции с агрегатами столь большой мощности по техническим и экономическим соображениям выполняют из ряда автономных частей  блоков. Каждый блок состоит из парогенератора, турбины, электрического генератора и повышающего трансформатора, мощность которого соответствует мощности генератора (рисунок 2.2).

1  парогенератор; 2  пароперегреватель;

3  часть высокого давления турбины; 4  часть низкого давления турбины;

5  промежуточный пароперегреватель; 6  конденсатор;

7  конденсатный насос; 8  насос питания парогенератора;

9  генератор; 10  повышающий трансформатор;

11  выключатель блока; 12  сборные шины станции;

13  трансформатор собственных нужд

Рисунок 2.2  Принципиальная схема блока КЭС

Поперечные связи между блоками в тепломеханической части в виде паропроводов и водопроводов отсутствуют. При промежуточном перегреве пара они чрезвычайно усложнили бы всю систему коммуникаций и систему регулирования турбин; надежность станции снизилась бы.

Поперечные связи между блоками в электрической части в виде сборных шин генераторного напряжения также не нужны, поскольку выдача мощности столь крупных агрегатов в сеть при первичном напряжении генераторов 2030 кВ практически невозможна; токи короткого замыкания были бы чрезмерно велики. Трансформация напряжения генератора до 110750 кВ и выше является в рассматриваемых условиях единственно приемлемым решением. Отдельные блоки связаны между собой только на сборных шинах высшего или среднего напряжения, откуда мощность станции поступает в сеть системы.

КПД КЭС с учетом расхода энергии на собственные нужды не превышает 0,320,40.

КЭС недостаточно маневренны. Это означает, что подготовка к пуску, синхронизация и набор нагрузки блока требуют значительного времени  от 3 до 6 ч. Поэтому для турбоагрегатов КЭС предпочтительным является режим работы с достаточно равномерной нагрузкой, изменяющейся в пределах от технического минимума, определяемого видом топлива и конструкцией агрегата, до номинальной мощности.

Современные КЭС весьма активно отрицательно воздействуют на окружающую сре­ду: на атмосферу, гидросферу и литосферу.

Влияние на атмосферу сказы­вается в большом потреблении кислорода воздуха для горения топлива и в выбросе значительного количества продуктов сгорания. Это в первую очередь газообразные окислы углерода, серы, азота, ряд которых имеет высокую химическую активность. Летучая зола, прошедшая через золоуло­вители, загрязняет воздух. Наименьшее загрязнение атмосферы (для стан­ций одинаковой мощности) отмечается при сжигании газа и наиболь­шее  при сжигании твердого топлива с низкой теплотворной способ­ностью и высокой зольностью. Необходимо учесть также большие уносы тепла в атмосферу, а также электромагнитные поля, создаваемые электри­ческими установками высокого и сверхвысокого напряжения.

КЭС загрязняет гидросферу большими массами теплой воды, сбрасы­ваемыми из конденсаторов турбин, а также промышленными стоками, хотя они проходят тщательную очистку.

Для литосферы влияние КЭС сказывается в том, что для ра­боты станции извлекаются большие массы топлива, отчуждаются и за­страиваются земельные угодья, а также в том, что требуется много места для захоронения больших масс золы и шлаков (при сжигании твердого топлива).

Влияние КЭС на окружающую среду чрезвычайно велико. Около 60 % тепла, которое получается в котле при сгорании всей массы топлива, теряется за пределами станции. Учитывая размеры про­изводства электроэнергии на КЭС, объемы сжигаемого топлива, можно предположить, что они в состоянии влиять на климат больших районов страны. В то же время решается задача утилизации части тепловых выбро­сов путем отопления теплиц, создания подогревных прудовых рыбохозяйств. Золу и шлаки используют в производстве строительных материа­лов и т. д.