Общая энергетика

Учитывая результаты прогнозов по запасам нефти и природного газа, которых хватит на 50–70 лет, и запасов угля, которых хватит на 600–1000 лет, можно считать, что на данном этапе развития науки и техники тепловые электростанции будут еще долгое время преобладать над остальными нетрадиционными источниками энергии. Из мировых запасов нефти, объем которых оценивают в 2 трлн баррелей, около 900 млрд уже использовано. Поскольку уже началось существенное удорожание нефти и природного газа, следует ожидать, что тепловые электростанции, работающие на мазуте и газе, к концу XXI века будут вытеснены станциями на угле. Пока же наблюдается сокращение добычи угля, что связано не столько с относительно низкой его калорийностью, сколько с проблемами добычи и транспортировки, а также ухудшения экологии за счет вредных выбросов в атмосферу при сжигании этого топлива в котельных установках.

На этом фоне экологически чистыми и практически неисчерпаемыми в обозримом будущем являются речные гидроресурсы, однако в Западной Европе они уже в значительной мере задействованы и возможности строительства новых гидроэлектростанций весьма проблематичны, поскольку создание гидростатического напора на равнинных реках приведет к неизбежному затоплению значительных территорий. Кроме того, сооружение ГЭС сопряжено со значительными капитальными затратами и, соответственно, длительными сроками окупаемости. Вместе с тем неиспользованных запасов гидроэнергии в ряде регионов планеты, в частности в Сибири, вполне достаточно, чтобы гидроресурсы рассматривать как традиционную альтернативу использованию органических невозобновляемых ресурсов.

Что касается запасов ядерного топлива, то по прогнозам специалистов его запасов хватит не менее чем на 1000 лет при условии интенсивного развития реакторов-размножите- лей. Запасы урана и тория, если их сравнивать с запасами уг-

11

ля, не столь уж и велики, однако на единицу веса они содержат в себе энергии в миллионы раз больше, чем уголь. Из 1 кг урана можно получить столько же теплоты, сколько при сжигании примерно 3000 т каменного угля. Некоторые ученые и экологи в конце 1990-х годов говорили о скором запрещении государствами Западной Европы атомных электростанций, но, исходя из современных анализов сырьевого рынка и потребностей общества в электроэнергии, эти утверждения выглядят неуместными.

Учитывая естественное истощение ископаемых топлив, все больше говорят о необходимости в XXI веке начала нового этапа развития земной энергетики, характеризуемого «щадящим» использованием невозобновляемых энергоресурсов. При этом необходимо учитывать, что нефть и газ нужны не только энергетике, но и химии, и транспорту, и сельскому хозяйству. Несомненно, что в будущем параллельно с линией интенсивного развития энергетики получит развитие и линия экстенсивного развития, характеризующаяся рассредоточением по центрам потребления экологически чистых источников энергии не слишком большой мощности, но с высоким КПД, удобных и надежных в эксплуатации. Яркий пример тому – интенсивное развитие нетрадиционной энергетики, в частности электрохимической и водородной, солнечной и ветровой, геотермальной и малой гидроэнергетики и др. Более подробно вопросы нетрадиционной энергетики рассмотрены в главе 5.

1.2. Топливно-энергетический комплекс России

Энергетика является важнейшей сферой экономики, охватывающей добычу энергоресурсов, производство, преобразование, транспортировку и использование различных видов энергии потребителями. В современном представлении эти процессы могут эффективно функционировать лишь при

12

организации их по принципу «большой системы», в качестве которой выступает топливно-энергетический комплекс (ТЭК)

России. По территориальному признаку ТЭК делится на три иерархических уровня: государственный, региональный и районный.

Система ТЭК включает в себя следующие основные подсистемы:

•топливоснабжающие системы (добычи, транспортировки и переработки нефти, газа, угля и иных невозобновляемых природных энергоресурсов);

•системы электро- и теплоснабжения, базирующиеся на использовании невозобновляемых источников энергии на тепловых электростанциях (ТЭС);

•система ядерной энергетики, базирующаяся на добыче, переработке ядерного топлива и преобразовании энергии деления ядер в тепловую энергию в ядерных реакторах на атомных электростанциях (АЭС).

Система гидроэнергетики формально в состав ТЭК не входит, так как базируется на использовании возобновляемых природой гидроресурсов.

К основным топливоснабжающим системам ТЭК относят углеснабжающую, нефтеснабжающую и газоснабжающую системы.

Углеснабжающая система России занимает одно из первых мест в мире по добыче угля. Наиболее крупные угольные бассейны – Канско-Ачинский и Кузнецкий – расположены в азиатском регионе страны на значительном удалении от промышленных зон европейской части, что затрудняет рациональное использование этих источников энергоресурсов тепловыми ЭС, размещенными на западе России.

Нефтеснабжающая система объединяет нефтепромыслы европейской и азиатской части России, магистральные трубопроводы и насосные станции для перекачки нефти к местам ее переработки, а также включает в себя нефтеперераба-

13

тывающие заводы и хранилища нефтепродуктов. Мазут как продукт переработки нефти применяется в основном как резервное топливо газомазутных электростанций.

Газоснабжающая система России занимает второе место в мире после США по объему добычи. В настоящее время эксплуатируется более 100 месторождений природного газа, крупнейшие из которых расположены в Западной Сибири. Система включает в себя около 100 магистральных газопроводов, по которым газ транспортируется к газоперерабатывающим предприятиям и тепловым электростанциям России, а также экспортируется в ряд европейских стран.

Система ядерной энергетики состоит из предприятий по добыче и переработке ядерного топлива, установок по его использованию в народном хозяйстве (в частности, ядерных энергетических реакторов), заводов по восстановлению отработанного горючего и уничтожению отходов.

Электро- и теплоснабжающая система включает в себя все энергетические установки и системы электро- и теплоснабжения, обеспечивающие потребителей электрической и тепловой энергией.

Как «большая система» ТЭК характеризуется следующими особенностями:

1)непрерывностью, а подчас и неразрывностью во времени процессов производства, преобразования и потребления некоторых видов энергии;

2)широкой взаимозаменяемостью исходной и промежуточной продукции подсистем, причем продукция одних подсистем является в ряде случаев исходным сырьем для других.

1.3. Единая энергетическая система России

Развитие принципа централизации энергоснабжения

и, прежде всего, электроснабжения, логически привело сначала к образованию нескольких десятков районных энергети-

14

ческих систем (РЭС) – Мосэнерго, Челябэнерго, Пермэнерго и др., затем к объединению их в региональные энергосистемы, а именно к созданию 7 объединенных энергосистем (ОЭС) Центра, Урала, Сибири, Северо-Запада, Средней Волги, Северного Кавказа, Востока. В дальнейшем процесс централизации энергоснабжения органически привел к созданию

единой энергосистемы (ЕЭС) России. Лишь одна ОЭС Во-

стока в настоящее время формально не входит в состав ЕЭС РФ. В составе ОЭС Востока параллельно работают 3 РЭС: Амурская, Хабаровская и Дальневосточная. Еще 7 РЭС (Камчатская, Сахалинская, Магаданская, Якутская, Мангышлакская, Калининградская и Норильская) работают изолированно. На сегодняшний день в составе ЕЭС России 64 РЭС. Всего же на территории России насчитывается 74 РЭС.

К слову сказать, до 1991 года успешно функционировала ЕЭС СССР, которая охватывала практически всю обжитую территорию 15 республик. С помощью ЕЭС была решена важнейшая политико-экономическая задача – страна была объединена в единое экономическое пространство. Однако распад СССР привел к разделу электроэнергетической собственности между новыми государствами и к коренному изменению структуры управления энергетикой. В условиях кризиса энергетики России в декабре 1992 года ряд наиболее мощных и рентабельных предприятий энергетики были включены в состав РАО «ЕЭС России». Это 20 тепловых электростанций с установленной мощностью более 1000 МВт каждая с суммарной мощностью 42 ГВт, 15 гидроэлектростанций с установленной мощностью более 300 МВт с суммарной установленной мощностью 26 ГВт, 134 трансформаторных подстанции напряжением 220 кВ и выше с суммарной установленной мощностью трансформаторного оборудования 114,8 ГВА, системообразующие линии электропередачи напряжением 330 кВ и выше общей протяженностью около 57 тыс. км и др.

15

Врамках реформы электроэнергетики России и в целях выполнения решений Правления РАО «ЕЭС России» 17 июня 2002 года было зарегистрировано ОАО «Системный оператор – Центральное диспетчерское управление ЕЭС» (СО ЦДУ). Системный оператор стал первым институтом отечественного рынка электроэнергии. В середине 2008 года РАО «ЕЭС России» было по сути расформировано как выполнившее свою задачу первоначальной реорганизации энергетики

вусловиях становления рыночной экономики. Создание в начале 2000-х годов оптовых рынков купли/продажи энергии и мощности (ФОРЭМ, НОРЭМ и др.), образование различных схем торговли энергией, в частности ЭНЕРГОПУЛ, явилось закономерным процессом в условиях формирующихся рыночных отношений.

Вместо бывшей ЕЭС СССР ныне функционируют следующие энергетические системы:

•ЕЭС России;

•ОЭС Белоруссии, Казахстана, Украины;

•ЭС Молдавии;

•ОЭС Прибалтики, объединяющая РЭС Латвии, Литвы и Эстонии;

•ОЭС Закавказья, объединяющая РЭС Азербайджана, Армении, Грузии.

Кроме того, на территории бывшего СССР работает ОЭС Средней Азии, объединяющая РЭС Киргизии, Таджикистана, Туркменистана, Узбекистана.

Вцелом ЕЭС России представляет собой развивающийся комплекс электростанций и сетей, объединенных общим технологическим циклом производства, передачи и распределения электрической энергии с единым оперативнодиспетчерским управлением.

С точки зрения состава электростанций, объединенных

вЕЭС, российская энергетика сегодня – это порядка 600 тепловых, 100 гидравлических и 9 атомных электростанций.

16

Функционируют несколько автономных электростанций малой энергетики, содержащих газотурбинные, дизельные электростанции. Работают также электростанции, использующие в качестве первичного источника энергии гидравлическую энергию малых рек, солнечную, ветровую, гидротермальную, приливную энергию, но доля производимой ими энергии очень мала по сравнению с тепловыми, атомными и гидравлическими станциями (не превышает 1 % от суммарно вырабатываемой энергии в РФ).

Основную часть мощности энергосистемы России (70– 80 %) составляют тепловые электростанции (ТЭС). Мощности гидравлических (ГЭС) и атомных (АЭС) электростанций по разным оценкам составляют от 10 до 15 % от мощности всей ЕЭС. В Сибири, богатой водными ресурсами, мощность ГЭС достигает 50 % от установленной мощности электростанций региона.

Характерной особенностью ЕЭС России является высокая концентрация мощностей на электростанциях. На ТЭС эксплуатируются энергоблоки единичной мощностью до 1200 МВт, на АЭС работают реакторы максимальной электрической мощностью 1000 МВт. Установленная мощность отдельных электростанций достигает 4,0 ГВт на АЭС, 4,8 ГВт на ТЭС и 6,4 ГВт на ГЭС. Суммарная установленная мощность всех электростанций ЕЭС России составляет порядка 200 ГВт. При этом суммарная годовая выработка электроэнергии в последние годы составляет 850–950 млрд кВт∙ч. Количество выработанной электроэнергии на душу населения в 2000 году составило около 6800 кВт∙ч, что соответствует электропотреблению на душу населения в ведущих странах Западной Европы, но почти вдвое ниже, чем в США и Канаде [15, 17]. В этом же году в России потребителям было отпущено около 600 млн Гкал теплоты.

Объединение ЭС на параллельную работу осуществляет-

ся по межсистемным электрическим сетям высокого напря17

жения. В сетях высокого напряжения ЕЭС России исторически сложились две системы номинальных напряжений: 150, 330, 750 кВ в западных и частично в центральных районах, 110, 220, 500, 1150 кВ в центральных и восточных районах. Эксплуатацией линий электропередач напряжением 330, 500, 750 и 1150 кВ, образующих основную (системообразующую) сеть ЕЭС России, занимаются территориальные подразделения межсистемных электрических сетей (МЭС). Сети напряжением от 220 до 1150 кВ объединяют на параллельную работу. Заметим, что межсистемная связь 500–1150 кВ между Уралом и Сибирью проходит по территории Казахстана. Через вставку постоянного тока ЕЭС России связана с энергетической системой Финляндии, входящей в объединение энергетических систем северных стран Европы

(NORDEL).

Оперативно-диспетчерское управление ЕЭС России осу-

ществляется с помощью иерархической четырехуровневой автоматизированной системы диспетчерского управления (АСДУ). Она включает в себя: центральное диспетчерское управление (ЦДУ) ЕЭС, расположенное в г. Москве; 7 территориальных объединенных диспетчерских управлений (ОДУ); 74 центральных диспетчерских службы (ЦДС) при районных АО-энерго; около 280 диспетчерских пунктов электросетевых предприятий и районов и более 500 пунктов управления электростанциями (нижний уровень управления).

Следует отметить, что оперативно-диспетчерское управление ЕЭС России осложнено тем, что имеет место жесткое взаимодействие в едином производственном процессе большого количества энергетических объектов, размещенных на очень большой территории при непрерывном процессе производства, распределения и потребления электроэнергии. Кроме того, в такой большой стране имеет место существенная неравномерность суточных, сезонных, территориальных графиков электрических и тепловых нагрузок. Более того,

18

ряд ОЭС и РЭС России связаны с основной частью ЕЭС через электрические сети, не входящие в состав ЕЭС России, в частности через сети Казахстана.

Преимущества образования ЕЭС заключаются в повышении его экономичности при одновременном повышении надежности и качества электроснабжения потребителей.

Повышение экономичности электроснабжения достига-

ется в результате:

•снижения требуемой установленной мощности электростанций за счет разновременности наступления максимумов нагрузки в отдельных энергосистемах; при этом общие резервы оперативной мощности снижаются, а суточный график электрической нагрузки заметно выравнивается;

•оптимизации загрузки совместно работающих электростанций и, как следствие, снижения удельного расхода топлива на отпущенную потребителям электроэнергию;

•использования более дешевых энергоресурсов (топлива, гидроресурсов), удаленных от центров электропотребления;

•снижения требуемой установленной мощности из-за сокращения расчетного резерва (аварийного и для проведения капитальных ремонтов);

•повышения единичной мощности и, как следствие, экономичности отдельных генерирующих агрегатов, трансформаторов, электростанций и пропускной способности ЛЭП;

•повышения использования ЛЭП основной электрической сети; сокращения численности эксплуатационного персонала и др.;

•обеспечения строгого соответствия генерации и потребления электроэнергии в каждый момент времени (баланса мощности и энергии);

•эффективного использования водных ресурсов при работе ГЭС в многоводье и, тем самым, компенсации недовы-

19

работки электроэнергии в маловодье, а также возможности регулирования стока рек в интересах регионов;

• облегчения условий проведения ремонтов.

Надежность и устойчивость (живучесть) работы ЕЭС РФ достигается в результате:

•создания резерва мощности и энергоресурсов;

•обеспечения функционирования электростанций в пиковых режимах, т.е. создания дополнительных генерирующих мощностей для покрытия переменной части графика электрической нагрузки;

•увеличения пропускной способности основной (системообразующей) электрической сети напряжением 330, 500, 750, 1150 кВ переменного тока;

•повышения надежности электроснабжения за счет многостороннего электроснабжения регионов;

•развития средств релейной защиты, автоматики и телемеханики (РЗАиТ).

1.4.Электрические станции

Взависимости от источника энергии (сырья) различают следующие основные типы электростанций: тепловые электростанции (ТЭС), гидравлические (ГЭС) и атомные (АЭС). Кроме того, для выработки электрической и тепловой энергии применяют геотермальные, ветровые, солнечные, приливные, газотурбинные, дизельные, бензиновые и иные малые электростанции.

Основным назначением электрических станций (ЭС) является выработка электрической энергии для снабжения ею промышленных и сельскохозяйственных предприятий, коммунального хозяйства и транспорта. Многие ЭС обеспечивают предприятия и жилые здания также тепловой энергией (паром и горячей водой).

Электрическая энергия, вырабатываемая ЭС, измеряется

вмегаватт-часах (МВт∙ч), мощность энергетических устано-

20