Режим электропотребления, а следовательно, и нагрузки систем неравномерен: он имеет характерные колебания в пределах суток, а также сезонные — в пределах года. Эти колебания в основном определяются ритмом работы предприятий — потребителей электроэнергии, связанным с этим ритмом жизни населения, в меньшей степени — географическими факторами.
В общем для суточного цикла всегда характерно большее или меньшее снижение потребления в ночные часы, для годового — в летние месяцы. Глубина этих колебаний нагрузки зависит от состава потребителей.
Предприятия круглосуточной работы, особенно с преобладанием непрерывных технологических процессов (металлургия, химия, угольная промышленность), имеют почти равномерный режим потребления.
Предприятия металлообрабатывающей и машиностроительной промышленности даже при трехсменной работе имеют заметные колебания электропотребления, связанные с обычным снижением производственной активности в ночные смены. При одно- или двухсменной работе в ночные часы происходит резкое снижение электропотребления. Заметно снижение потребления и в летние месяцы.
Для предприятий пищевой и легкой промышленности характерно еще более резкое колебание электропотребления. Наибольшая неравномерность потребления наблюдается в коммунально-бытовом секторе.
Режим нагрузки системы отражает все эти колебания электропотребления в суммированном и, естественно, несколько сглаженном виде. Нагрузочные режимы представляются обычно в виде графика нагрузки.
На суточном графике по оси абсцисс откладываются часы, по оси ординат — нагрузки в МВт, или в % от максимума нагрузки. Максимальная нагрузка чаще всего приходится на вечерние часы, когда на производственное электропотребление накладывается освещение. Именно поэтому точка максимума несколько перемещается в пределах года.
В утренние часы наблюдается пик нагрузки, отражающий максимум производственной активности. В обеденные часы нагрузка уменьшается, в ночные — резко снижается.
На годовых графиках по оси абсцисс откладываются месяцы, по оси ординат — месячные суммы киловаттчасов, или месячные максимумы нагрузки. Максимум нагрузки приходится на конец года — из-за естественного прироста ее в течение года.
Неравномерность нагрузочного режима, с одной стороны, разнотипность электрогенерирующего оборудования и его эксплуатационных и технико-экономических характеристик, — с другой, ставят перед персоналом системы сложную задачу по оптимальному распределению нагрузки между станциями и генерирующими агрегатами.
Производство электроэнергии связано с издержками. Для тепловых станций — это расходы на топливо, кроме того, на содержание обслуживающего персонала, ремонт оборудования, амортизационные отчисления.
На разных станциях в зависимости от их технического уровня, мощности, состояния оборудования удельная величина издержек на производство одного кВт•ч различна.
Общий критерий при распределении нагрузки между станциями (а в пределах станции между агрегатами) — минимум суммарных эксплуатационных издержек на производство заданного объема электроэнергии.
Для каждой станции (каждого агрегата) издержки можно представить в функциональной связи с нагрузочным режимом.
Условие минимума суммарных издержек и, следовательно, условие оптимума при распределении нагрузок в системе формулируется следующим образом: нагрузка должна распределяться так, чтобы всегда сохранялось равенство относительных приростов станций (агрегатов).
Практически относительные приросты станций и агрегатов при разных значениях их нагрузок заранее вычисляются диспетчерскими службами и изображаются в виде кривых (смотрите рисунок).
Кривые относительных приростов
Горизонтальная линияотражает распределение этой нагрузки, отвечающее условию оптимума.
Оптимальное распределение нагрузки системы между станциями имеет еще и техническую сторону. Агрегаты, покрывающие переменную часть графика нагрузки, особенно острые верхние пики, эксплуатируются в условиях резко меняющейся нагрузки, иногда с ежесуточными остановками — пусками.
Современные мощные паротурбинные агрегаты не приспособлены к такому режиму работы: пуск их требует многих часов, работа в переменном нагрузочном режиме, особенно с частыми остановками, приводит к повышению аварийности и ускоренному износу и, кроме того, связана с дополнительными достаточно чувствительными перерасходами топлива.
Поэтому для покрытия «пиков» нагрузки в системах применяют агрегаты других типов, технически и экономически хорошо приспособленные к остро переменному нагрузочному режиму работы.
Идеальными для этой цели являются гидростанции: пуск гидроагрегата и полная нагрузка его требуют одну-две минуты, не связаны с дополнительными потерями и технически вполне надежны.
Гидростанции, предназначенные для покрытия пиков нагрузки, строятся резко повышенной мощности: это снижает капиталовложения на 1 кВт, делая их соизмеримыми с удельными капиталовложениями в мощные ТЭС, и обеспечивает более полное использование ресурсов водотока.
Так как возможности строительства ГЭС во многих зонах ограничены, там, где топография местности позволяет получить достаточно большие напоры, для покрытия пиков нагрузки строят гидроаккумулирующие гидростанции (ГАЭС).
Агрегаты такой станции обычно обратимые: в часы ночного провала нагрузки системы они работают как насосные агрегаты, подымая воду в высоко расположенное водохранилище. В часы наиболее полной нагрузки они работают в электрогенерирующем режиме, срабатывая запасенную в водохранилище воду.
Широко применяются для покрытия пиков нагрузки электростанции с газовыми турбинами. Пуск их требует всего 20 — 30 минут, регулирование нагрузки просто и экономично. Стоимостные показатели пиковых ГТЭС также благоприятны.
Показателями качества электрической энергии являются степень постоянства частоты и напряжения. Поддержание неизменными на заданном уровне частоты и напряжения имеет большое значение. При снижении частоты пропорционально снижаются обороты двигателей, следовательно, падает производительность приводимых ими механизмов.
Не следует думать, что повышение частоты и напряжения дает полезный эффект. При повышении частоты и напряжения резко увеличиваются потери в магнитопроводах и обмотках всех электрических машин и аппаратов, повышается их нагрев и ускоряется износ. Кроме того, изменение частоты, а значит, и числа оборотов двигателей часто угрожает браком продукции.
Постоянство частоты обеспечивается поддержанием равенства между действующей мощностью первичных двигателей системы и суммарным противодействующим механическим моментом, возникающим в генераторах от взаимодействия магнитных потоков и токов. Этот противодействующий момент пропорционален электрической нагрузке системы.
Нагрузка системы непрерывно меняется. Если нагрузка увеличивается, тормозящий момент в генераторах становится больше действующего момента первичных двигателей, возникает угроза снижения числа оборотов и уменьшения частоты. Снижение нагрузки дает обратный эффект.
Для поддержания частоты необходимо соответственно изменить суммарную действующую мощность первичных двигателей: повысить в первом случае, снизить во втором. Следовательно, для непрерывного поддержания частоты на заданном уровне система должна располагать достаточным запасом высокомобильной резервной мощности.
Задача регулирования частоты возлагается на выделенные для этого станции, работающие с достаточным запасом свободной быстро мобилизуемой мощности. Лучше всего справляются с этими обязанностями гидростанции.
FAQ: Нагрузочные режимы энергосистем
Этот блок вопросов и ответов дополняет основную статью и помогает глубже разобраться в теме управления нагрузкой и оптимизации режимов работы энергосистем.
Графики нагрузки
В: Почему суточный максимум нагрузки в энергосистеме, как правило, приходится на вечерние часы, а не на дневные?
О: В вечерние часы производственное электропотребление предприятий ещё не завершено, а к нему добавляется бытовое освещение жилых домов и общественных зданий. Именно это наложение двух пиков — производственного и коммунального — и даёт максимум нагрузки. Утренний пик, напротив, отражает только начало производственной активности без коммунальной составляющей.
В: Почему на годовом графике нагрузки максимум приходится на конец года?
О: Это объясняется двумя факторами: естественным ростом потребления в течение года (ввод новых мощностей, расширение производств), а также увеличением потребности в освещении из-за сокращения светового дня в осенне-зимний период. Летний провал нагрузки, в свою очередь, объясняется снижением промышленной активности и отпускным сезоном.
В: Чем отличается суточный график нагрузки металлургического завода от графика коммунально-бытового сектора?
О: Предприятия металлургии и химической промышленности с непрерывными технологическими процессами имеют практически равномерный график без выраженных пиков. График коммунально-бытового сектора — наиболее неравномерный: он резко падает ночью и образует узкий высокий пик вечером, что создаёт наибольшие трудности для диспетчерского управления.
Оптимальное распределение нагрузки
В: Что такое «относительный прирост» станции и зачем он нужен?
О: Относительный прирост — это прирост расхода топлива (издержек) на единицу прироста вырабатываемой мощности.
Он является критерием экономичности режима: согласно условию оптимума, нагрузка между станциями должна распределяться так, чтобы относительные приросты всех станций были равны. Это обеспечивает минимум суммарных топливных издержек при заданном объёме выработки.
В: Почему нельзя просто загружать самую экономичную станцию по максимуму, а остальные держать на минимуме?
О: На каждой станции (и на каждом агрегате) удельная стоимость киловатт-часа зависит от уровня загрузки нелинейно — характеристики топливной эффективности различаются. При неравномерном распределении относительные приросты станций будут разными, что означает упущенную выгоду: перераспределив нагрузку, можно получить ту же суммарную мощность с меньшим расходом топлива.
В: Какова роль диспетчерской службы в оптимальном распределении нагрузок?
О: Диспетчерские службы заблаговременно рассчитывают кривые относительных приростов для каждой станции и агрегата при различных значениях нагрузки. По этим кривым определяется горизонтальная линия равных приростов, соответствующая оптимальному распределению — и оперативный персонал руководствуется ею при управлении режимом.
Покрытие пиков нагрузки
В: Почему мощные паротурбинные агрегаты ТЭС не подходят для покрытия пиков нагрузки?
О: Пуск паротурбинного агрегата требует нескольких часов из-за необходимости медленного прогрева корпусов турбины и котла. Частые пуски-остановки вызывают термические циклические нагрузки, ускоряют износ металла, повышают аварийность и создают перерасход топлива при разгоне — всё это делает их неприемлемыми для остропиковой работы.
В: В чём преимущество ГАЭС перед обычной ГЭС для регулирования нагрузки?
О: ГАЭС может работать в обоих направлениях: в часы ночного провала — потреблять «лишнюю» энергию, закачивая воду в верхний резервуар, а в часы пика — сбрасывать её через генераторы. Это позволяет выравнивать суточный график нагрузки системы, повышая коэффициент использования базовых станций и снижая суммарные издержки.
В: Каковы преимущества газотурбинных электростанций (ГТЭС) для работы в пиковом режиме?
О: ГТЭС запускается всего за 20–30 минут, легко регулируется по нагрузке и имеет благоприятные удельные капиталовложения при небольшом числе часов использования в год. Это делает их экономически оправданными именно для покрытия коротких пиков, несмотря на более высокий расход топлива по сравнению с базовыми ТЭС.
Частота и напряжение как показатели качества
В: Что произойдёт с производственным оборудованием при снижении частоты в сети?
О: При падении частоты пропорционально снижаются обороты асинхронных двигателей, что уменьшает производительность всех механизмов с приводом от них — насосов, вентиляторов, компрессоров, станков. На точных производствах изменение частоты оборотов часто приводит к браку продукции.
В: Даёт ли повышение частоты или напряжения выше номинала какой-либо полезный эффект?
О: Нет. Повышение частоты и напряжения резко увеличивает потери в магнитопроводах и обмотках электрических машин и аппаратов, повышает их нагрев и ускоряет износ изоляции. Кроме того, изменение частоты вращения двигателей может угрожать качеству технологических процессов — браком продукции.
В: Почему функцию регулирования частоты лучше всего выполняют гидростанции?
О: Для поддержания частоты необходима высокомобильная резервная мощность, которую можно мгновенно подключить или отключить при изменении нагрузки. Гидроагрегат выходит на полную нагрузку за 1–2 минуты без каких-либо дополнительных потерь, что делает ГЭС идеальным регулятором частоты в энергосистеме.
Андрей Повный
Подробнее про особенности и методы регулирования частоты смотрите здесь: Регулирование частоты в энергосистеме