Два вида энергоснабжения или как энергетика обеспечивает нашу жизнь

Люди, знакомые с технологиями производства электрической и тепловой энергии лишь понаслышке, сейчас много рассуждают на тему наиболее экологически безопасного топлива. Однако для уменьшения загрязнения окружающей среды им представляется необходимым всего лишь заменить “грязное” углеводородное топливо на, например, водородное, пересесть с автомобилей на электромобили или средства передвижения, которые используют, к примеру, маховики в качестве аккумуляторов кинетической энергии. Однако при этом проблема производства энергии, решение которой опирается на технологии использования подходящих источников энергии, подменяется проблемой усовершенствования средств накопления энергии. Ведь для того, чтобы накопить водород или электроэнергию, надо все равно сжечь мазут, природный газ или уголь, затратить энергию на получение водорода из углеводородного сырья. Поэтому проблемы экологии таким путем не решаются, загрязнение окружающей среды будет то же самое.

Представители одной из ведущих международных нефтяных корпораций заявили недавно о необходимости перехода на выпуск экологического топлива с повышенным содержанием водорода. Ненасыщенные углеродные связи будут в этом топливе заменены на насыщенные водородом. То есть при сгорании такое горючее будет меньше давать углекислого газа и больше воды. Однако это предложение носит, скорее, рекламно-рыночный характер, поскольку на самом деле снижение доли углекислого газа в результате такой замены будет настолько мизерным, что никак не отразится на общем балансе. На фоне работающих по старым технологиям тепловых электростанций, снижение углекислотных выбросов будет совершенно незаметным. Да к тому же увеличение доли водорода в топливе на 15% от его общего содержания будет означать на практике перенастройку производства и опять же рост энергопотребления. Конечно, на теплоэлектростанциях можно поставить более качественные системы очистки, но при этом придется сжигать больше топлива потому, что КПД такого двойного преобразования, естественно, ниже.

И тут нужно пояснить, что электрические аккумуляторы, маховики, использование водорода в качестве топлива, еще десяток различных вариантов — все это лишь накопители уже произведенной энергии, но она еще должна быть выработана! Производится же энергия лишь несколькими традиционными способами. В частности, наиболее известный способ получения энергии — это сжигание углеводородного сырья. В настоящий момент, как уже говорилось выше, все прочие способы — атомная энергетика, гидроэнергетика, использование солнечной энергии, приливные ГЭС, ветряные станции и так далее —представлены в мировом энергопроизводстве как вспомогательные.

Однако нельзя говорить только об энергопроизводстве, само по себе оно не нужно. Вся ценность и важность его экономичности и экологической чистоты лишь в том, насколько эффективно оно обслуживает потребителя. То есть, задачи энергопроизводства определяются требованиями энергопотребления.

Вот сухое сообщение агентства новостей.

31 мая 2001. “Интерфакс”. В Москве в Юго-Восточном административном округе из - за скачка напряжения загорелся 12 - этажный жилой дом. Пожар возник на улице Борисовские пруды в доме № 8 в ночь на четверг. Как сообщили “Интерфаксу” в ГУВД столицы, сигнал о возгорании поступил на пульт дежурного по городу “01” около полуночи. Прибывшие на место происшествия пожарные обнаружили, что в жилом 12 – этажном панельном доме горят электрощиты с 3 по 5 и с 9 по 11 этажи. По предварительной версии, возгорание произошло в результате резкого скачка напряжения. После эвакуации жильцов дома на улицу и обесточивания здания (в 0:15) пожарные приступили к тушению пожара. К 0:40 возгорание было полностью ликвидировано, Жертв и пострадавших нет. Все жители вернулись в свои квартиры. В четверг с утра начнутся ремонтные работы по восстановлению сгоревших электрощитов.

Как сказано в сообщении, причина возгорания — резкий скачок напряжения. То есть, резкая неравномерность подачи электроэнергии. Конечно, это лишь небольшой (и, к счастью, хорошо закончившийся) пример того, насколько важно учитывать особенности потребления энергии в зависимости от времени, сезона, региона, нужд конкретного потребителя. Именно эти характеристики определяют наши требования к энергетике. До того, как задать параметры снабжения энергией, необходимо изучить график ее потребления.

Зима сменяется весной, лето — осенью, после дня приходит ночь, потом наступает утро. Для каждого человека эти перемены означают смену характера деятельности, одежды, состояния духа, настроения, образа жизни и т.д. Для энергетики эти перемены означают еще и совершенно различные режимы работы. Известно, что по ночам электроэнергия потребляется в самом малом количестве — население спит, большинство заводов и фабрик не работает. Результат — ночное потребление энергии в 3-4 раза меньше, чем дневное. Впрочем, иногда разница в потреблении энергии в разное время суток может достигать и 100 раз. Потребление энергии сильно зависит и от сезона: летом максимум потребления может быть ниже, чем зимой минимум. Можно сказать, что переизбыток энергии может быть только локальным, иметь место лишь в какой-то момент. Потому что постоянная неравномерность потока энергии, конечно, будет замечена, учтена и исправлена. Это нетрудно сделать, в частности, в случае единой энергосистемы, когда можно перераспределять потоки энергии. Основная особенность применения электроэнергии в хозяйстве — все та же неравномерность ее потребления. Чрезвычайно неравномерно потребляется энергия в коммунально-бытовом и сельском хозяйстве, где многие работы носят специфический характер и производятся в строго определенное время. В сельском хозяйстве, помимо суточной неравномерности потребления электроэнергии, явно выражена и сезонная неравномерность, в частности, это связано с необходимостью выполнения некоторых видов работ в сжатые сроки. Важнейшим отличием энергетики от других отраслей производства является невозможность складирования ее продукции, поскольку энергия аккумулируется в очень небольших количествах. Отсюда существенное требование: производство и потребление энергии должны практически совпадать во времени. Так что неравномерность в потреблении энергии означает с необходимостью неравномерность ее производства. Иначе говоря, имеющиеся периодичности в режиме электропотребления (годовая или сезонная, определяющиеся изменениями долготы дня и сезонными колебаниями температуры; недельная, связанная с пятидневной организацией труда и циклически повторяющейся последовательностью выходных и рабочих дней; суточная, определяющаяся чередованием дня и ночи) вызывают циклический характер изменений электрической нагрузки энергосистем и энергообъединений. В первую очередь характеристикой графика нагрузки является его неравномерность. Численно неравномерность графика нагрузки определяется коэффициентами неравномерности, т.е. отношением минимальных суточных нагрузок к максимальным. Чем ближе это отношение к единице, тем равномернее распределяется по времени суток нагрузка на генерирующие мощности и энергопередающие системы. Для более детального описания изменения нагрузки во времени используются и другие параметры: средняя, среднеквадратичная, минимальная и максимальная нагрузки, коэффициенты формы и пиковости графика нагрузки и др. Нагрузка — один из основных показателей качества электроснабжения во всех отраслях хозяйства. Величина нагрузки зависят от режима потребления энергии, который, в свою очередь, определяется сочетанием режимов работы целых групп или отдельных электроприемников. Электроприемниками мы называем устройства, преобразующие электроэнергию в производственных или бытовых целях, например, это электродвигатели, где электроэнергия преобразуется в механическую, светильники и лампы, установки для электролиза, трансформирующие энергию тока в световую или химическую, различные нагреватели и печи, на выходе которых уже тепловая энергия, трансформаторы и др.

Нагрузки меняются во времени, однако суточный график активной мощности, характерный для отдельных отраслей хозяйства, приобретает устойчивый характер. По его изменению можно судить и о возникновении нарушений в работе предприятий данной отрасли. Несмотря на значительное отличие конфигураций суточных графиков нагрузки, в них можно выделить две группы потребителей. Для одной из них характерны явно выраженные максимумы и минимумы потребления энергии, для другой — практически равномерное потребление в течение суток. Так, например, график нагрузки для коммунально-бытовых потребителей в зимний период характеризуется быстрым ростом нагрузки к 8 часам утра и спадом нагрузки после 20 часов.

Суточные графики промышленного энергопотребления зависят от сменности работы предприятия. Например, при 1-2 сменном режиме работы характерны неглубокие “провалы” в графике нагрузки (до 50-60%) во время обеденного перерыва и в вечерние часы, и глубокий “провал” —резкое снижение энергопотребления и, соответственно, подачи энергии в ночные часы. При увеличении количества энергопотребляющих предприятий с непрерывным циклом работы неравномерность графика нагрузки уменьшается. Электрическая нагрузка, потребляемая различными предприятиями, должна быть обеспечена мощностью электростанций и межсистемных линий электропередачи.

В различных регионах величина неравномерности графика нагрузки не одинакова, она ведь определяется не только временем года и суток, но и уровнем жизни, географическим положением, климатом. Специалисту- энергетику может быть достаточно увидеть график изменения электрической нагрузки для того, чтобы указать, о каком регионе страны или даже мира идет речь, о предприятиях какой отрасли, о каком времени года или суток.При наличии неравномерностей в течение суток, недели и года в графике электропотребления одним из основных условий надежного и устойчивого снабжения энергией является наличие достаточного количества специальных высокоманевренных электростанций, обеспечивающих в случае “провала” графика (заметное снижение уровня потребления) резкое снижение нагрузки или быстрый ввод резервной мощности (в случае увеличения потребления энергии). Затем, конечно, необходимо восстановить нормальный режим работы энергообъединения.Таким образом, на графике потребления и, соответственно, на графике нагрузки можно выделить две части, которые называют базовой и переменной частями. Последняя может быть разделена на так называемые пиковую и полупиковую зоны (полупиковая зона имеет половинный коэффициент неравномерности по сравнению с пиковой зоной). Практика показывает, что наиболее эффективно проблема покрытия пикового спроса на электроэнергию решается при использовании энергоустановок различного типа. Общая нагрузка графика потребления в базовой части должна покрываться, т.е. обеспечиваться, высокоэкономичными базовыми генерирующими установками, а в пиковой — специальными пиковыми установками. Их необходимая мощность должна определяться с учетом перетоков, т.е. ухода части энергии в другие части энергосистемы, и возможной максимальной (по экономическим параметрам) регулирующей способности базовых агрегатов. Казалось бы, что возможность регулирования базовых установок позволяет снизить мощность пиковых установок, однако целесообразно иметь, в качестве резервной, суммарную мощность пиковых установок несколько выше требований текущего графика нагрузок.

Проблема покрытия неравномерной части графика могла бы быть решена за счет применения агрегатов многоцелевого назначения, тех, которые могут успешно работать и в базовом, и в пиковых режимах. Но в этом случае возникают неразрешимые противоречия между требованиями высокой экономичности для базовых установок, решаемые в основном за счет перехода на сверхкритические режимы, в частности работы с применением промышленного перегрева пара (для примера можно рассмотреть работу парогазовых турбин), и требованием высокой маневренности пиковых установок, которые предусматривают обеспечение быстрых пусков и наборов нагрузки, простоту пусковых схем и возможность надежной эксплуатации при относительно невысоких начальных параметрах пара.

Использование для покрытия пиковых нагрузок базовых агрегатов возможно только в случае их морального старения. Постоянное изменение структуры генерирующих мощностей за счет ввода более совершенного оборудования приводит к необходимости (или дает возможность) привлечения менее экономичных категорий оборудования, первоначально запланированных для несения базовых нагрузок, к регулированию полупиковой, а затем и пиковой части графика. Когда решается, какие генерирующие мощности эффективнее использовать для покрытия неравномерной части графика нагрузки, важны данные технико-экономического анализа. Существенно влияет на выбор типов пиковых электростанций и топливный баланс.

К настоящему времени в практике энергетики принято для обеспечения полупиковых и пиковых нагрузок применять высокоманевренные и экономичные мощности — специализированные теплоэлектростанции на твердом топливе, газотурбинные установки, гидроэлектростанции, гелиостанции, геотермальные и ветрогенераторы. Специалисты-энергетики считают, что на строящихся тепловых электростанциях на органическом топливе целесообразно предусматривать оборудование, которое обеспечивает наилучшие показатели по маневренности. Маневренность энергооборудования и электростанций в общем виде определяется их способностью обеспечить в минимальное время переход на заданные, значительно отличающиеся по величине, уровни нагрузки. В каждом отдельном случае может стоять вопрос о скорости изменения нагрузки, регулировочном диапазоне, как разности между максимальной и минимальной устойчивыми нагрузками, о времени останова и пуска отдельного энергоагрегата или блока. При выборе режима маневрирования предпочтение отдается режимам, в которых обеспечены минимальные затраты топлива в процессе перехода на новый уровень нагрузки. Иначе говоря, нужно учитывать тепловую экономичность при различных нагрузках, затраты топлива на пуски и остановки агрегатов (с учетом времени стабилизации КПД при разгружении и нагружении в пределах регулировочного диапазона) и т.д.

Вопросы повышения маневренности, эффективности использования и надежности работы оборудования электростанций всегда находятся в центре внимания — поскольку усиливается неравномерность графика потребления электроэнергии, наращиваются мощности на тепловых и атомных станциях, но эти вводимые мощности хотя и экономичны, но, что касается, главным образом, АЭС, маломаневренны.

Практика эксплуатации показывает, что регулирование графика электрической нагрузки при имеющейся разнотипности энергооборудования методами интуитивного управления режимами и составом агрегатов приводит к неоправданному снижению экономичности и надежности электростанций. Поэтому важно обоснованно рассчитывать технико-экономические показатели энергооборудования, работающего при нестационарных и переменных нагрузках. Следовательно, во всех конкретных случаях необходим анализ реальных характеристик графиков электронагрузки. Так, например, минимальная нагрузка в ночное время и по выходным может быть ниже установленной мощности энергоагрегата на 25-40%. В это время для регулировки нагрузки удобнее всего привлекать агрегаты с малой мощностью в 100 – 300 МВт. Таким образом возможно улучшить структуру производства электроэнергии, повысить рентабельность энергообъединений за счет эффективного использования более мощных и высокоэкономичных энергетических установок в период суточных, недельных и/или сезонных перегрузок.

Гидростанции считаются одним из самых распространенных источников энергии для покрытия пиковых нагрузок. Агрегаты ГЭС высокоэкономичны, надежны, для них характерны легкость и минимальное время, необходимое для остановки и пуска, возможность полной автоматизации управления нестационарными процессами. Однако эффективность гидроэлектростанций сильно зависит от места сооружения, наличия достаточного количества воды и других факторов, из которых самым важным является наличие в энергосистеме надежно работающих базовых источников энергии. На службу регулирования графиков нагрузки возможно поставить и своеобразные естественные аккумуляторы, которыми являются ветер, волны, приливы, солнечная радиация, геотермальные тепловые источники. Хранимая в них энергия вполне успешно может быть извлечена и использована для подпитки энергосистем во время пиковых нагрузок. Примером эффективного использования тепла Земли служат электростанции с геотермическими котлами, в этом случае в роли аккумулятора тепла выступает подземный коллектор.Известно, в то же время, что наилучшим методом покрытия пиков электронагрузки является использование межсистемных связей. Речь идет о регулировании локальных неравномерностей графиков электрических нагрузок за счет объединенных возможностей нескольких взаимодействующих энергетических систем. При этом выравнивание конфигурации графика нагрузки происходит за счет перетоков энергии при различии в поясном времени. Однако наиболее широко для регулирования нагрузки привлекаются тепловые электростанции. Их энергоагрегаты практически во всех странах приспосабливаются для работы в режимах переменных и пониженных нагрузок, к быстрым остановам и пускам. Одна из важнейших проблем при этом — обеспечение систематической максимальной глубокой разгрузки ТЭС в период ночного провала графика. При этом требуется уменьшить время пуска энергоагрегатов из различных тепловых состояний, минимизировать расход топлива, выбрать и обеспечить надежные методы эксплуатации. Практика показывает, что использование ТЭС для регулирования переменных нагрузок в различных режимах, опробованных и обоснованных, является достаточно эффективным и экономичным. Но давайте вспомним о трех “Э” — известно, что работа современных ТЭС, сжигающих органическое сырье в огромных масштабах, лишь порождает множество экологических проблем. При этом добытое твердое топливо используется по массе не более, чем на 40% — сжигается только органическая часть, а вся минеральная часть, которая не считается сырьем, попросту выбрасывается. То есть, вопрос можно поставить так: поскольку, как показывает практика энергетиков-эксплуатационников, применение ТЭС для обеспечения переменных электронагрузок надежно и практично, возможно ли изменение технологии работы ТЭС с учетом совместных требований энергетики, экономики и экологии? Оказывается, сейчас на этот вопрос можно с уверенностью ответить утвердительно. Новые технологии сжигания топлива уже есть. Есть и первая промышленная установка, проходящая сейчас последние испытания на Несветай –ГРЭС в Ростовской области. Можно смело говорить, что оборудование, изготовленное по новой технологии, не имеет аналогов в мировой энергетике.Разработчики и конструкторы, создавшие новую технологию и промышленную установку, исходили из двух основных положений: 1) нет плохого топлива, есть несовершенная технология; 2) уголь можно и нужно использовать как многоцелевое сырье. Авторами новой технологии доказано, что минеральная часть топлива может быть эффективно, практически полностью, использована. Таким образом, сегодня существуют новые безотходные технологии сжигания органического топлива. В этом случае регулирование графика нагрузок может полностью взять на себя тепловая, а именно, угольная, энергетика. Внедрение этих технологий позволит нашей стране в ближайшем будущем выйти на передовые позиции в части регулирования нагрузки тепловыми электростанциями.

Однако мы говорили сейчас о переменной части электронагрузок. Что же касается постоянной их части, то обеспечить базовое энергоснабжение, без сомнения, предстоит именно и только атомной энергетике. Аргументы здесь просты и очевидны: во-первых, как мы уже говорили, мировая добыча газа и нефти в ближайшее время начнет снижаться, запасы органического сырья планеты не безграничны — в отличие от сырья для атомной энергетики; во-вторых, негативные последствия для экологии от ныне действующих тепловых станций, известны и непреодолимы — в отличие от атомной энергетики, являющейся экологически самой чистой на сегодняшний (да и завтрашний) день; в-третьих, все остальные энергетические источники не смогут обеспечить растущие энергетические запросы общества (речь, конечно, не идет о термоядерных энергетических установках, до промышленного пуска которых еще очень и очень далеко); в-четвертых, даже введение новейших технологий сжигания сырья на ТЭС не сможет перевести их в разряд базовых энергоисточников, точно так же, как невыгодно использование АЭС для регулирования переменных нагрузок; в-пятых, надежность и экономичность атомной энергетики XXI века гарантируют обеспечение практически всех энергетических потребностей страны; в-шестых, по сравнению с другими отраслями энергетики, наукоемкость атомной энергетики исключительно высока, а это необходимо учитывать, если мы собираемся жить в безопасном, богатом и прогрессирующем мире. И, наверное, самое главное: надежность и безопсность работы АЭС, в первую очередь, зависит от режима ее работы. Самый безопасный, устойчивый, стационарный режим работы АЭС — именно базовый.