7.8. Производство и распределение электроэнергии.

Генерирующие мощности.

Структура варьируется по странам.

Структура генерирующих мощностей (Россия):

• гидроэлектростанции – 20 %,

• тепловые электростанции – 80 % (из них атомные - 10%),

• альтернативные источники - <<1 %.

Гидроэлектростанции (ГЭС).

ГЭС России: Красноярская (6000 Мвт), Братская (4600 Мвт), Волжские (2300 Мвт), , Днепрогэс (650 Мвт), Волховская (58 Мвт) (данные по двум последним станциям приведены для сравнения), строится только Бурейская ГЭС.

Общие характеристики всех ГЭС:

1. Большие капиталовложения при строительстве,

2. Большой срок окупаемости - 20 лет,

но

3. Дешевая энергия (себестоимость на сегодня – 3 коп/кВт),

4. Высокая скорость ввода в работу - от 10 секунд до минуты (горячий резерв).

В состав ГЭС входят: сооружения (плотина, судоходные шлюзы, здания), гидротурбины, гидрогенераторы, трансформаторные подстанции для выхода в ЛЭП, распределенная система управления и контроля.

“Экзотические” ГЭС:

1. Приливные ( используют энергию морских приливов). Для их сооружения необходимы географические условия: высокий прилив 10 м, подходящая для строительства бухта. В России такие условия есть на Кольском полуострове и Дальнем Востоке (неплохой инновационный проект).

2. Гидроаккумулирующие ЭС. Накапливают (накачивают) воду в водохранилище в часы минимального и генерируют в часы максимального потребления. Сглаживают пики нагрузки. В России – Загорск (0,5 Гвт).Бывают до 1,2 Гвт

3. Малые ГЭС (наследники старых мельниц). Мощность 5…150 кВт. Их много строили после ВОВ, позже малые ГЭС потеряли смысл на фоне дешевой электроэнергии крупных станций. Сейчас к ним новый интерес, но только там, где есть условия для создания напора воды без водохранилища большой площади – в горах. Возможны инновационные проекты. Необходимое требование полной автоматизации.

Теплоэлектростанции (ТЭС).

ТЕС бывают:

1. На традиционном топливе: уголь, газ, мазут. (Россия: уголь 30 %, газ 70 %, во всем мире соотношение наоборот),

2. Атомные,

3. Дизельные.

ТЭС первого и второго типов используют паровые турбины. Состав их оборудования:

• парогенераторы с топкой или ядерным реактором,

• паровые турбины,

• генераторы (турбогенераторы),

• технологическое оборудование ТЭС – средства водоподготовки (очистка воды от минеральных примесей и др.)

Различают ТЭС конденсационного типа (использованный пар конденсируют и возвращают в котлы) и ТЭЦ (теплоэлектроцентрали), где паром греют воду, направляемую на бытовые нужды (отопление, горячая вода в квартирах). В последнем случае КПД использования топлива ощутимо возрастает.

Наиболее современные турбины, так называемые парогазовые, используют для вращения ротора не только паровую энергию, но и энергию продуктов сгорания газов. Мощность турбины при прочих равных возрастает на 20-30 %.

Мощности ТЭС – обычно 1-4 Гвт (4,8 Гвт – Сургут).

Атомные электростанции (АЭС).

В РФ на АЭС производится до 10-15 % всей электроэнергии (себестоимость энергии 15-30 коп/кВт, ниже только у ГЭС). Крупнейшие АЭС: Ленинградская (4 ГВт), Курская (4 ГВт), Смоленская (3 ГВт), Тверская (3 ГВт), Ростовская (2 ГВт), Нововоронежская (2 ГВт), Кольская (1,6 ГВт), также печально известная Чернобыльская (4ГВт) – всего до 20 ГВт.

В мире отношение к АЭС различное, в основном положительное. Не “боятся” АЭС: Франция- 80 % производства электроэнергии, Япония – 45 %, Швеция 50 %, Канада – 13 %. США имеют 100 Гвт на АЭС или 1/7 установленных мощностей (по абсолютным показателям – больше всех в мире).

Италия законодательно запретила АЭС после аварии на Чернобыльской станции.

Дизельные электростанции.

Оборудование:

• двигатели внутреннего сгорания – дизели,

• генератор,

• средства управления и контроля.

Дизельные электростанции бывают передвижные и стационарные, но всегда приближены вплотную к потребителям, а именно: к удаленным объектам, где нет линий электропередач от крупных электростанций, к подвижным объектам (войскам), кроме того, они могут быть средствами резервного электрообеспечения ответственных объектов (больниц, штабов и т. д. вплоть до АЭС).

Конкретные реализации:

1. Стационарные ( до 100 МВт в экстремальных условиях Гренландии)

2. Энергопоезда – до 10 МВт,

3. Передвижные (резервирующие) 25 – 125 кВт.

Роль дизельных станций в общем объеме производства электроэнергии невелика (приблизительно несколько процентов), но они по-своему незаменимы. Это стоит учесть в инновационных проектах.

Альтернативные источники энергии.

Поиск альтернативы обусловлен: ограниченностью природных запасов топлива, экологической опасностью традиционных электростанций (ГЭС – затопление, ТЭС – загрязнение, в том числе радиоактивное - шлак).

Конкретные источники:

1. Солнечные батареи – прямое преобразование в полупроводниковых структурах солнечной энергии в электрическую; эффективны в более жарких странах, чем Россия (возможны инновационные проекты для иностранных заказчиков или совместная работа).

2. Геотермальные источники (Камчатка).

3. Ветроэлектростанции (ВЭС) и ветроэнергоустройства (ВЭУ).

Кажется, что ветер должен быть везде. Однако расчеты показывают, что экономически эффективными ветроустановки оказываются при среднегодовой скорости ветра 5 м/с. В европейской части России такие ветра дуют только на Кольском полуострове. Еще один существенный недостаток ВЭС и ВЭУ – неравномерность генерации. Правда, остается некая область применения – удаленные точки, куда не только трудно подвести ЛЭП, но и доставить топливо. Другие области применения ветровых электроустановок можно понять, если принять во внимание их главный недостаток – неравномерность выработки энергии:

• работа на потребителей, интересующихся интегральной энергией, вне зависимости от неравномерности и перебоев (например, откачка воды),

• работа в составе электроэнергетической сети, когда спады в работе ВЭС компенсируются другими ЭС (характерно для Дании - до 2,5 Мвт).

Организация ветроэнергетической установки (ВЭУ) представлена на рис. 7.10.

1 – ветродвигатель,

2 – рабочая машина (генератор),

3 – аккумулятор,

4 – дублирующий двигатель,

5 – система управления (СУ)

Рис.7.10. Организация ветроэнергетической установки (ВЭУ)

При всей противоречивости в оценках ВЭС сфера их применения расширяется. Возможны инновационные проекты.

Комплексный подход к использованию альтернативных источников электроэнергии.

Подход заключается в учете всех обстоятельств энергоснабжения – не только энергетических в смысле цены энергии, но и экологических.

Рассмотрим, как пример, курортный район Сочи. Существует возможность убрать ТЭС, использовать ВЭС, солнечные батареи, а также биогаз и т.д.

Энергоснабжение будет дороже традиционного, но в сочетании с достижением большей экологичности производство себя оправдает.

Электрические системы и сети.

Электросистема состоит из электростанций, ЛЭП, преобразующих подстанций (ППСт), потребителей. РАО ЕЭС - Российское Акционерное общество единых электросистем. Государству принадлежит 51 % акций. РАО ЕЭС включает системы РФ от Калининграда до Хабаровска, от Мурманска до Таджикистана, а также Казахстан, Белоруссию, Украину и другие бывшие республики СССР). Есть также Дальневосточные ЕЭС, Норильская ЕЭС.

Чтобы передать большую мощность, нужно увеличивать ток или напряжение (P=IU). Поскольку повышение тока приводит к большим тепловым потерям (P_т=I²R), передача энергии осуществляется при высоком напряжении. Увеличение напряжения требует хорошей изоляции – широкая просека ЛЭП, высокие опоры проводов, изоляторы.

Включение конечных потребителей показано на рис. 7.11. В конкретных случаях всегда есть компромисс между требованием экономии потерь (повышение U, понижение I) и возможностями изоляции.

Из схемы передачи электроэнергии от ЭС к потребителям (рис. 7.12) понятно почему:

• электростанции могут конкурировать между собой (включая даже грязную конкуренцию),

• ЭС – монополия,

• иногда страдают жители при отключении крупных потребителей – неплательщиков.

Частота напряжения сети.

Частота в РФ (50 Гц) и в США (60 Гц) определяется традицией и результатом многолетней практики.

В системах автоматики в локальных электрических сетях (на кораблях, самолетах) применяют ток с частотой 400 или 500 Гц.

город

110 кВ

ЛЭП

6-20 кВ

кабель

Трансф. ПС

Генераторы

15 – 24 кВ

Трансформаторы

1150 кВ

750 кВ

500 кВ

330 кВ (СПб)

Трансф. ПС (СПб-40 шт)

Трансф. пункт

Возд. ЛЭП, кабель