книги из ГПНТБ / Поспелов, Г. Е. Энергетические системы учеб. пособие

и поэтому площадки для строительства определяются в основном источниками водоснабжения и удаленностью по­ требителей.

Размещение ГЭС полностью зависит от рельефа мест­ ности и наличия гидроресурсов. Поэтому при проектиро­ вании энергосистемы на повышение надежности ГЭС мож­ но влиять только путем создания соответствующей схемы выдачи мощности. Очевидно, что применение регулируемых ГЭС вместо нерегулируемых повышает надежность энерго­ системы, так как выдача нх мощности в меньшей степени зависит от расходов воды в реке.

Повышение единичной мощности агрегатов (котлов, турбогенераторов) позволяет уменьшить удельные капи­ тальные затраты на установленную мощность и удельные

применение в энергосистеме более мощных агрегатов повы­ шает экономичность ее работы. Однако, с другой стороны, по мере увеличения мощности агрегатов и параметров пара возрастает трудность обеспечения высокой надежности ра­ боты станций. Это объясняется тем, что более мощные ко­ тельные агрегаты и турбогенераторы имеют более сложные конструкции и требуют более сложной системы управления.

Повышение единичной мощности агрегатов связано так­ же с выбором величины резерва мощности. Надежность энер­ госистемы повышается с увеличением резерва, но при этом увеличиваются затраты на резервную мощность. Необхо­ димый резерв мощности зависит также от состава электро­ станций, входящих в энергосистему. При большом удельном весе ГЭС резервная мощность должна быть больше, чем в системах с преобладанием КЭС, так как надежность про­ гнозов выработки энергии на ГЭС значительно ниже, чем на КЭС. Мировая практика эксплуатации энергосистем ре­ комендует принимать резерв в пределах 15—20% макси­ мальной мощности потребителей.

Кроме резерва мощности, энергосистема должна иметь резерв энергии, который образуется в виде запасов топлива на тепловых станциях и воды в водохранилищах ГЭС. Опыт эксплуатации электростанций показывает, что надежность снабжения газом и нефтепродуктами выше, чем твердым топливом. Поэтому на станциях, работающих на угле и ядер ном топливе, обычно создают запасы топлива, величи­ на которых должна быть не менее четырехнеделыюго зим­ него расхода на случай перебоев в поставках.

120

Для повышения надежности энергосистемы большое зна­ чение имеет обеспечение надежности питания собственных нужд крупных станций и блоков мощностью 300, 500 Мет

иболее, так как они существенно влияют на баланс мощ­ ностей в системе. Для этого в некоторых странах, например, совместно с каждым агрегатом 500 М ет устанавливают газовую турбину авиационного типа мощностью 17—25 М ет , которая при снижении частоты автоматически запускается

иобеспечивает питание собственных нужд. Эти турбины ис­ пользуются также для покрытия нагрузок в пиковой части графика нагрузки.

Надежность электроснабжения отдельных энергоузлов зависит от располагаемой пропускной способности электри­ ческой сети, которая в значительной мере определяется номинальным напряжением электропередач. Наиболее важ­ но правильно выбрать номинальные напряжения и пропуск­ ную способность системообразующих и межсистемных линий. Если межсистемная линия предназначена для пере­ дачи мощности в течение длительного времени в одном на­ правлении, то запас по пропускной способности должен выбираться таким, чтобы случайные колебания нагрузки не привели к нарушению устойчивой параллельной работы двух связываемых систем. При реверсивных потоках мощности пропускная способность межсистемной линии обычно при­ нимается не более 10— 15% мощности меньшей из соединя­ емых систем. Такие линии относятся к «слабым связям». Большую часть времени они работают с повышенным запа­ сом пропускной способности.

Важную роль в обеспечении надежности электроснаб­ жения играют средства противоаварийной автоматики: автоматическая частотная разгрузка, автоматический кон­ троль межсистемных перетоков, автоматическое повторное включение линий, трансформаторов и шин подстанций, ав­ томатическое включение резервного питания, автоматическое регулирование возбуждения генераторов и регулирование напряжения.

Корганизационным путям повышения надежности энер­ госистем относится создание системы диспетчерского управ­ ления с высокой рабочей дисциплиной. Как уже отмечалось

(см. гл. 2), в Советском Союзе высшим органом диспетчер­ ского управления является Ц Д У ЕЭС , которому подчиня­ ются О Д У ОЭС, а им в свою очередь — Ц Д С энергосистем.

В условиях эксплуатации энергосистема располагает

121

определенным составом электростанций и сложившейся схемой электрических сетей с определенными параметрами оборудования. При этом задача обеспечения надежности сводится к рациональному управлению имеющимся обору­ дованием и режимом энергосистемы.

Для обеспечения достаточного резерва планирование капитальных и текущих ремонтов оборудования ведется таким образом, чтобы они выполнялись, как правило, в периоды спада нагрузки. Для предупреждения неисправнос­ тей оборудования создана система технической диагностики, которая осуществляется путем профилактики всего обо­ рудования.

Нормальные эксплуатационные схемы системообразую­ щей сети и схемы собственных нужд крупных станций вы­ бирают таким образом, чтобы максимально снизить вероят­ ный недоотпуск электроэнергии.

В послеаварийных режимах, связанных с дефицитом мощности и снижением частоты, надежность обеспечива­ ется путем выбора соответствующих уставок А Ч Р , не до­ пускающих возникновения лавины частоты.

5.3. Резервы мощности и энергии

Под полным резервом активной мощности понимают раз­ ность между мощностью электростанций Р с и суммарной нагрузкой потребителей:

Р = Р — Р

Резерв энергии достигается за счет запасов воды в водо­ хранилищах ГЭС и запасов топлива на тепловых электро­ станциях.

Величина резерва мощности в энергосистеме непостоян­ на вследствие непрерывного изменения нагрузки потреби­ телей в соответствии с суточным графиком и изменения рас­ полагаемой мощности станций из-за снижения к. п. д ., уменьшения расхода воды на ГЭС и др. Если полагать, что нагрузка станций неизменна, то наименьший резерв будет в утренние и вечерние часы зимних рабочих дней, а наи­ больший — в ночные и дневные часы праздничных и вос­ кресных дней.

По назначению различают следующие виды резервов мощности: ремонтный, эксплуатационный, аварийный и нагрузочный.

122

Ремонтный резерв предназначен для компенсации мощ­ ности, выводимой в плановые ремонты. Капитальный ре­ монт выполняется, как правило, при сезонных снижениях

потребления системы (например, летом). Поэтому ремонт­ ный резерв при максимальных нагрузках необходим в ос­ новном для проведения текущих ремонтов.

Эксплуатационный резерв служит для компенсации вре­ менного снижения мощности, которое возникает в условиях эксплуатации, но не носит аварийного характера. Напри­ мер, мощность ГЭС со слабо зарегулированным стоком умень­ шается при сезонных снижениях напора воды в период мак­ симальных расходов воды за счет повышения отметки ниж­ него бьефа. Снижение электрической мощности Т Э Ц обычно происходит при уменьшении тепловой нагрузки. Это в боль­ шей мере касается ТЭЦ , имеющих турбины с противодав­ лением. На КЭС эксплуатационные снижения располага­ емой мощности могут происходить за счет низкой калорийности топлива, при повы­ шении температуры циркуляционной воды и др. Все эти откло­ нения более или менее можно предвидеть за­ ранее.

Аварийный резерв

предназначается для обеспечения электро­ снабжения в случаях снижения мощности, вызванного аварий­ ным простоем обору­ дования станций или электрических сетей.

Нагрузочный резерв служит для компенсации возмож­ ных превышений действительной нагрузки энергосистемы над расчетной из-за ошибок прогнозирования суточного графика нагрузки.

На рис. 5.2 показано размещение различных видов ре­ зерва в течение года. Кривая 1 характеризует ожидаемые суточные максимумы нагрузки энергосистемы в течение года, а 2 — установленную мощность станций

123

с учетом ввода новых мощностей. Мощность между линиями 1 и 2 есть полный резерв. Площадь 6 характе­ ризует нагрузочный резерв, выражающийся в каждый мо­ мент времени разностью между возможной максимальной нагрузкой 3 и расчетной 1. Площадь 7 соответствует аварий­ ному резерву, который определяется расчетной мощностью системы 4 и возможными суточными максимумами систе­ мы 3, а площадь 8 — ремонтному резерву. Как видно из рисунка, наибольший ремонтный резерв планируется на периоды спада нагрузки системы. Площадь 9 характери­ зует эксплуатационный резерв мощности, необходимый для компенсации эксплуатационных снижений нагрузки стан­ ций, который определяется разностью между установленной мощностью станций системы 2 и установленной мощностью с учетом эксплуатационных снижений нагрузки 5.

Ремонтный и эксплуатационный резервы относятся к планируемому резерву. Его величина зависит от техни­ ческих характеристик станций и необходимого объема выполнения ремонтов. Она в известной мере может быть определена заранее. Совокупность аварийного и нагрузоч­ ного резервов называется оперативным резервом.

Нарушение энергобаланса по характеру его наступления может быть различным. Некоторые нарушения можно предусмотреть за несколько часов или даже суток (на­ пример, резкое увеличение шугохода на ГЭС).

Однако наиболее часто наступает внезапное нарушение баланса мощностей. Из-за нарушения работы оборудования электростанций может произойти разгрузка в течение не­ скольких минут или даже секунд. Наиболее резкое нару­ шение баланса наступает при аварийном отключении обору­ дования станций или подстанций релейной защитой. Для предотвращения небаланса или его устранения (при вне­ запном появлении) оперативный резерв должен обладать нужной мобильностью.

По степени мобильности можно установить следующие категории оперативного резерва [12].

Резерв первой очереди — мгновенный. Цель его — мгно­ венно повышать генерирующую мощность при нарушении энергобаланса, чтобы качественные показатели энергии (частота и напряжение) не успели отклониться за пределы технического допуска. Это достигается реализацией так на­ зываемого включенного резерва (иногда его называют вра­ щающимся резервом или горячим резервом), т. е. автомати-

124

ческой загрузкой недогруженных агрегатов. Этого эффекта можно добиться отключением потребителей-регуляторов. На линиях и трансформаторах таким резервом является включение от автоматов включения резерва.

Резерв второй очереди осуществляется оборудованием, которое может обеспечить повышение нагрузки не позже, чем через 1—3 мин после появления дефицита (например, готовый к пуску гидрогенератор, дизельный агрегат, газо­ вая турбина, готовый к пуску синхронный компенсатор). Этот резерв позволяет восстановить нормальные параметры энергии, если они вышли за допустимые пределы, и исполь­ зуется в дополнение к резерву первой очереди (например, на его замену в случае перегрузки агрегатов в первый мо­ мент) .

Резерв третьей очереди осуществляется оборудованием, которое может принять нагрузку через несколько часов после возникновения аварии. Примером этого резерва яв­ ляются турбогенераторы, находящиеся в невключенном (хо­ лодном) резерве, а в некоторых случаях и оборудование, находящееся в ремонте, если оно достаточно быстро (через 2—3 ч) может быть подготовлено к пуску.

Наличие достаточного резерва мощности еще не озна­ чает, что энергосистема сможет покрыть всю потребность в электроэнергии. Для удовлетворения потребителей дол­ жен быть как резерв мощности, так и резерв энергии. В ряде случаев система может располагать либо только резервом мощности, либо только резервом энергии. Например, при малом стоке воды по реке ГЭС не имеет резерва энергии, но в некоторые моменты времени за счет резервных агрегатов она способна выдать дополнительную мощность. При отсут­ ствии резервных агрегатов на КЭС станция, наоборот, располагает резервом энергии, но не имеет резерва мощнос­ ти. Резерв энергии на КЭС может быть использован в пери­ оды спада нагрузки для компенсации сработки воды в водо­ хранилище ГЭС.

5.4. Определение оптимального резерва мощности

Недостаточная величина резерва в энергосистеме приво­ дит к недоотпуску энергии и связанному с этим значитель­ ному ущербу у потребителей. С другой стороны, создание резервов мощности и энергии требует определенных за­ трат. Эти затраты достаточно велики, так как энергети­

125

ческие объекты капиталоемки. Поэтому выбор рациональ­ ного резерва мощности и энергии относится к технико-эко­ номическим задачам.

Определение оптимального полного резерва связано с большими трудностями. Для выяснения принципов нахож­ дения оптимального резерва при проектировании энерго­ системы рассмотрим методику определения аварийного резерва на примере некоторой идеализированной концен­ трированной энергосистемы. Будем полагать, что в систему входят однотипные электростанции с п однотипными агре­ гатами мощностью Р каждый. Тогда мощность всей систе­ мы Р с = п Р . Предположим также, что располагаемая мощность энергосистемы в течение года не изменяется, т. е. ремонтный и эксплуатационный резервы постоянны в те­ чение года. Рациональная величина аварийного резерва зависит от вероятности возникновения дефицита мощности, которая определяется вероятностью аварийного снижения располагаемой мощности станций из-за повреждений обо­ рудования р 3 и вероятностью снижения нагрузки систе­ мы по сравнению с максимальной нагрузкой р". Найдем сначала величины р 3 и р".

Из теории вероятности известно, что если события досто­ верны и попарно несовместимы, то вероятность суммы собы­ тий равна сумме вероятностей отдельных событий и равна единице. Тогда вероятность событий, характеризующих состояние агрегатов системы, представится в виде

бытиям, так как каждое из сочетаний может действительно наступить. Эти события попарно несовместимы, так как, например, одновременно не может быть двух состояний, когда одно из них соответствует отсутствию аварий с агре­ гатами, а другое — нахождению некоторой мощности в аварийном ремонте.

Вероятность событий, характеризующих величины раз­ личных нагрузок энергосистемы по сравнению с макси­

126

Из выражения (5.5) можно найти вероятность любого сложного события, т. е. вероятность любого возможного сочетания аварийного выхода агрегатов и снижения по­ требляемой мощности по сравнению с максимальной. Эта вероятность получается путем перемножения соответствую­ щих членов. Например, произведение р%р р"_р показывает

вероятность одновременного возникновения аварийного снижения мощности величиной 2Р в момент, когда снижение нагрузки системы по сравнению с максимальной произошло на величину Р . При этом дефицит мощности равен

2 Р — Р = Р .

Из уравнения (5.5) можно также определить вероят­ ность возникновения дефицита мощности любой величины. Например, полагая, что резерв мощности в максимум на­ грузки отсутствует, найдем вероятность возникновения дефицита мощности величиной Р:

рдеф = р«р*р -L p ^ p p l p + p'l_2pP lp + . . . .

В общем виде вероятность возникновения дефицита мощ­ ности величиной /гР

Если в максимум нагрузки системы имеется резерв мощ­ ности, то его можно представить в виде

Р р = гР,

где г — целые числа 0, 1, 2 и т. д.

Тогда вероятность возникновения дефицита мощности величиной Р

127

Для определения вероятности р л аварийного снижения какой-то определенной мощности надо знать вероятности повреждения отдельных агрегатов. И х находят на основе статистических материалов об аварийности в энерго­ системах:

где Т ав — время аварийного состояния за календарный пе­ риод времени Т\

Т ѵзй — время рабочего состояния за этот же период. Полагая, что в течение календарного периода Т плано­

вые ремонтные состояния отсутствуют, можно сказать, что агрегат находится либо в аварийном ремонте с вероятнос­ тью р, либо в работе с вероятностью д, причем

Р + q = 1.

Для п однотипных агрегатов энергосистемы любое соче­ тание рабочих и аварийных состояний отдельных агрегатов можно характеризовать следующим выражением:

Из выражения (5.7) можно найти вероятность любого состояния агрегатов системы. Например, первый член по­ казывает вероятность нахождения всех агрегатов в работе, второй член — вероятность состояния, когда авария про­ изошла с одним агрегатом, и т. д.

В общем случае вероятность одновременного аварийного повреждения m агрегатов из п определяется по формуле би­ номиального распределения:

Вероятность снижения суммарной нагрузки энергоси­ стемы рн можно получить из графика нагрузки по продол­ жительности, представив его в виде ступенчатой линии со снижением мощности интервалами Р . Тогда вероятность максимальной нагрузки

128