Энергопроизводство

Под Энергопроизводством в энергетике понимается процесс выработки, преобразования, передачи (распределения) и потребления электрической и тепловой энергии. (Вопросы, касающиеся тепловой энергии в настоящем УП не рассматриваются). Характерными особенностями Энергопроизводства в части электрической энергии являются:

1. Практическое единство всех составляющих технологического процесса энергопроизводства во времени. Количество вырабатываемой и потребляемой электрической энергии в каждый момент времени должно быть одинаковым. Нарушение этого равновесия приводит к расстройству нормального режима параллельно работающих электрических станций и сопровождается отклонениями частоты и напряжения электрического тока от нормируемых значений.

Нарушения баланса выработки и потребления электроэнергии, как правило, возникают при внезапных, аварийных отключениях генерирующих мощностей, сопровождающихся выделением отдельных районов с понижением частоты, и отделении районов с избытком генерирующих мощностей, когда в отделившемся районе происходит повышение частоты электрического тока. Такие режимы в ряде случаев сопровождаются перегрузкой оставшихся в работе генераторов, трансформаторов и линий электропередачи.

При снижении частоты понижается производительность механизмов собственных нужд электрических станций, и может возникнуть процесс лавинообразного снижения частоты, в результате которого полностью сбрасывают нагрузку все ЭС и остаются без напряжения все потребители выделившегося района (авария в Центре ОЭС с погашением потребителей части г. Москвы и прилегающих областей).

Для предупреждения и ликвидации нарушений нормального режима работы энергетических систем на электрических станциях и электрических подстанциях устанавливаются специальные устройства противоаварийной автоматики.

2. Невозможность создания складского резерва электрической энергии или выработки ее впрок. Здесь имеется в виду невозможность создания резерва в промышленном масштабе и не учитывается возможность накопления электрической энергии в сравнительно небольших количествах и в виде других форм энергии. Например, в аккумуляторных батареях или запасов воды в водохранилищах гидроаккумулирующих гидроэлектростанций.

Выработка электрической энергии осуществляется на электрических станциях (далее по тексту ЭС). ЭС принято классифицировать по виду первичного источника энергии.

На сегодня наиболее широко распространены ЭС, использующие природные запасы углеводородного топлива (каменный уголь, нефть в виде продуктов ее перегонки, природный газ, торф, горючие сланцы), атомные ЭС (АЭС), гидравлические ЭС (ГЭС), солнечные ЭС, геотермальные ЭС, использующие энергию подземных источников горячей воды, и ветряные ЭС. Для питания потребителей сравнительно небольшой мощности используются дизельные ЭС (ДЭС), на которых энергия топлива преобразуется в электрическую с помощью двигателя внутреннего сгорания и электрогенератора. ДЭС, кроме того, широко используются в качестве резервных источников питания ответственных потребителей (больницы, санатории, театры и т.п.)

ЭС, на которых электроэнергия получается за счет нагревания воды до превращения ее в пар с последующим его использованием в паровой турбине и ЭС с парогазовыми установками, называют тепловыми ЭС (далее по тексту ТЭС).

Наиболее распространенными в настоящее время являются ТЭС, работающие на природном топливе, и атомные ТЭС. На ЭС этого типа вырабатывается наибольшее количество электрической и тепловой энергии. Здесь, однако, надо отметить, что запасы природного топлива в мире ограничены, и задача поиска и разработки новых источников энергии уже стала первоочередной. В последнее время в ряде стран уже начаты разработки по получению и использованию биотоплива. Активно ведутся работы по увеличению мощностей и более широкому использованию солнечных и ветряных ЭС.

Второй по количеству вырабатываемой электрической энергии является группа гидравлических электрических станций (ГЭС), на которых энергия движущейся воды преобразуется в механическую энергию гидравлической турбины и затем в электрическую энергию в гидрогенераторе. Наиболее распространенными являются низконапорные и средненапорные ГЭС, сооружаемые на равнинных реках, и высоконапорные ГЭС, строящиеся в горных местностях. По месту расположения здания различают приплотинные или русловые и деривационные ГЭС. Приплотинные ГЭС характерны для равнинных рек. Здание станции с оборудованием на таких ГЭС, как правило, совмещено с плотиной водохранилища. У деривационных ГЭС, сооружаемых в горных местностях, здание станции с оборудованием строится на удобной площадке, а вода к гидравлическим турбинам подается из водохранилища по специальным водоводам. В последние годы появились гидроаккумулирующие ГЭС (ГАГЭС). На них устанавливаются обратимые гидроагрегаты. В периоды максимальных электрических нагрузок ГАГЭС работает как обычная ГЭС, срабатывая воду из водохранилища и вырабатывая электрическую энергию. В периоды минимальных нагрузок гидроагрегаты ГАГЭС переводятся в насосный режим и перекачивают воду из нижнего бьефа в водохранилище, повышая его уровень и соответственно запас воды. Здесь же необходимо сказать о приливных ГЭС (ПГЭС), использующих энергию приливов и отливов. На ПГЭС устанавливаются реверсивные гидроагрегаты, использующие потоки воды приливов и отливов. Для строительства приливных ГЭС нужны определенные географические условия (очертания морских берегов). В мире их не так много. В частности, одним из наиболее благоприятных мест для строительства приливной ГЭС является Мезенская губа в Архангельской области, где предполагается строительство ПГЭС мощностью порядка 12000 МВт. На сегодня в мире построено 10 ПГЭС, в том числе ПГЭС на р. Рона во Франции, мощностью около 300 МВт. В СССР на Кольском полуострове действует опытная Кислогубская ПГЭС, где установлены два агрегата по 400 кВт. Эта ПГЭС используется как лаборатория для отработки инженерных проблем, возникающих при строительстве ПГЭС. В частности на этой станции был успешно освоен заводской метод строительства. Корпус ПГЭС вместе с турбоагрегатами и другим оборудованием строился в Мурманском доке. По окончании монтажа оборудования и проверки плотности корпуса он по морю был отбуксирован на место установки, где в период отлива был опущен на донное основание и соединен с дамбой. Все работы по проектированию и строительству ПГЭС в СССР велись по инициативе и под руководством большого ученого инженера Берштейна.

Каждый вид ЭС имеет свои преимущества и недостатки и используется при соответствующих условиях. В том числе в зависимости от типа ЭС она используется для покрытия нагрузок в соответствующие периоды графика нагрузок. График нагрузки это кривая, отражающая изменение потребления электрической энергии в разные периоды времени и состоящая из базовой части и периодов максимальных и минимальных нагрузок.

ГРЭС. Полное наименование Государственная районная электрическая станция. Основное назначение выработка электрической энергии на углеводородном топливе. ГРЭС сооружаются, как правило, вдали от крупных промышленных центров в районах, где добывается или вырабатывается топливо (угольные шахты, нефтеперерабатывающие заводы и т. п.), или куда его доставка не вызывает особых затруднений, например, по реке. Выработанная электроэнергия доставляется потребителям по воздушным линиям электропередачи (далее по тексту ВЛ). Для ГРЭС характерна большая установленная мощность и отсутствие потребителей на генераторном напряжении. Турбины ГРЭС работают в конденсационном режиме, когда весь пар, поступающий в турбину, срабатывается (отдает мощность) в цилиндрах высокого, среднего и низкого давления, поступая затем в конденсатор турбины. Отдельные турбины ГРЭС могут иметь производственные отборы пара, который необходим для обеспечения работы тепловых собственных нужд станции. ГРЭС работают в базовой части графика электрических нагрузок. При ГРЭС обычно сооружаются поселки городского типа, где живет персонал ГРЭС и топливодобывающих предприятий.

К основным недостаткам ГРЭС следует отнести:

-вредное влияние на окружающую среду (загрязнение воздушного бассейна продуктами сгорания топлива, содержащимися в дымовых газах; загрязнение водоемов сточными водами ГРЭС; сжигание атмосферного кислорода)

-низкую маневренность основного оборудования (время пуска котла из холодного состояния в зависимости от типа и паропроизводительности котла, вида топлива и других факторов заметно различается, но составляет величину не менее 2-2,5 часов, пуск турбины из холодного состояния занимает время порядка 6 часов);

-сравнительно с другими видами ТЭС высокие удельные расходы топлива на выработку электрической энергии и низкий КПД.

ТЭЦ. Полное наименование Теплоэлектроцентраль. ТЭЦ предназначены в первую очередь для выработки тепловой энергии в паре и горячей воде и строятся вблизи крупных потребителей тепла, в том числе в городах. ТЭЦ работают по тепловому графику, поддерживая заданные параметры (температуру и давление) носителей тепловой энергии (горячей воды и пара). Выработка электрической энергии на ТЭЦ зависит от тепловой нагрузки. При необходимости, однако, турбины ТЭЦ могут быть переведены в конденсационный режим, при котором ограничивается или прекращается выработка тепловой энергии, и увеличивается до максимума выработка электрической энергии. Такая необходимость может возникнуть в аварийных случаях, сопровождающихся дефицитом активной мощности в энергообъединении. (Под энергообъединением здесь и далее вУП понимается система связанных между собой линиями электропередачи синхронно работающих электрических станций, распределительных пунктов и электрических подстанций, от которых получают электрическую энергию потребители). Удельные расходы топлива на выработку электрической энергии на ТЭЦ значительно ниже, чем на ГРЭС.

ТЭЦ свойственны все недостатки, ГРЭС. Более того, в связи с расположением ТЭЦ в городах возникает необходимость принятия дополнительных мер для защиты городской территории от продуктов сгорания топлива и появляются дополнительные трудности по отводу территорий для складирования отходов производства ТЭЦ. Например, шлаков ТЭЦ, работающих на угле, и шламов мазутных ТЭЦ.

Рассматривая проблему хранения отходов ТЭС, работающих на угле, следует сказать, что уже имеются технологии переработки этих отходов и получения из них полезных элементов.

Парогазовая ТЭС. ЭС, на которой первый электрический генератор приводится во вращение газовой турбиной. Отработавшие в газовой турбине газы направляются в котел утилизатор, где получается пар. Этот пар используется в паровой турбине, которая вращает второй электрический генератор.

Парогазовые ЭС обладают рядом преимуществ перед ТЭС с паросиловыми установками.

- Электрический КПД таких ТЭС может достигать величины более 60 %. Для сравнения, у работающих отдельно паросиловых установок КПД обычно находится в пределах 33-45 %.

- Низкая стоимость единицы установленной мощности.

- Парогазовые установки потребляют существенно меньше воды на единицу вырабатываемой электроэнергии по сравнению с паросиловыми установками.

- Короткие сроки возведения парогазовых ТЭС (9-12 мес.).

- Компактные размеры парогазовых ТЭС позволяют возводить их непосредственно у потребителя (завода или внутри города).

- Парогазовые ТЭС экологически более чистые в сравнении с паротурбинными установками.

К недостаткам парогазовых ТЭС следует отнести:

- сравнительно низкую единичную мощность оборудования (160—972,1 МВт на 1 блок), в то время как современные паровые ТЭС имеют мощность блока до 1200 МВт, а АЭС 1200—1600 МВт;

- необходимость осуществлять очистку (фильтрацию) воздуха, используемого для сжигания топлива.

АЭС. Полное наименование Атомная электрическая станция. АЭС предназначены для выработки электрической энергии и работают в базовой части графика электрических нагрузок. На АЭС не сжигается атмосферный кислород, и отсутствуют выбросы в атмосферу серы и углекислого газа. Из недостатков АЭС надо выделить особую радиационную опасность, требующую сложных и дорогостоящих мер по предотвращению атомных взрывов и утечки радиации. Другой серьезной проблемой АЭС является сложность хранения радиоактивных отходов. Вместе с тем на сегодня АЭС являются наиболее перспективными в плане удовлетворения растущих потребностей человечества в электрической энергии.

ГЭС. Полное наименование Гидроэлектрическая станция. ГЭС предназначены для выработки электрической энергии. Несомненными достоинствами ГЭС являются низкие эксплуатационные расходы и высокая маневренность гидроагрегатов. Время разворота от команды на пуск до набора полной нагрузки составляет, в зависимости от мощности гидроагрегатов, величину от 20-30 сек. до 1-2 мин. ГЭС обычно работают в переменной части графика электрических нагрузок.

К основным недостаткам ГЭС относятся:

- высокая стоимость и большая длительность строительства;

- изъятие из хозяйственного оборота больших территорий (для низконапорных и средненапорных ГЭС);

- нарушение естественного гидрологического режима рек, в том числе путей миграции рыбы и необходимость строительства специальных шлюзов для пропуска судов;

Солнечные, геотермальные и ветряные ЭС иногда называют электрическими станциями, работающими на возобновляемых источниках энергии. К их достоинствам следует отнести низкую себестоимость электрической энергии и возможность получения энергии в условиях, когда применение других видов ЭС практически невозможно. В тоже время для строительства таких ЭС нужны специфические условия и возможности их использования ограничены. Кроме того на них проблематично получение больших мощностей.

Преобразование электрической энергии в энергопроизводстве подразумевает преобразование электрической энергии в другие виды энергии, изменение класса напряжения электрической энергии и преобразование электрической энергии переменного тока в энергию постоянного тока и наоборот. Преобразование электрической энергии в другие виды энергии, как правило, осуществляется в ЭУ потребителей, где она в большинстве случаев преобразуется в механическую или тепловую энергию. Изменение класса напряжения электрической энергии переменного тока (трансформация) осуществляется в трансформаторах и автотрансформаторах, которые устанавливаются на ЭС и электрических подстанциях (далее по тексту ПС). Выбор того или иного уровня напряжения зависит от расстояния, на которое ее нужно передать, и величины передаваемой мощности. Критерием выбора является оптимизация потерь мощности при передаче. Чем выше напряжение, тем меньше будут потери при передаче одной и той же мощности на данное расстояние. Ниже приведена таблица номинальных напряжений переменного тока

Генераторы и синхронные компенсаторы						Наибольшее рабочее напряжение электрообо- рудования
Сети и прием-ники		Трансформаторы и автотрансформаторы без РПН		Трансформаторы и автотрансформаторы с РПН
		первичные обмотки	вторичные обмотки	первичные обмотки	вторичные обмотки
(6)	(6,3)	(6) или (6,3)*	(6,3) или (6,6)	(6) или (6,3)*	(6,3) или (6,6)	(7,2)
10	10,5	10 или 10,5*	10,5 или 11,0	10 или 10,5*	10,5 или 11,0	12,0
20	21,0	20 -	- 22,0	20 или 21,0*	- 22,0	24,0
35	-	35 -	38,5 -	35 или 36,75	- 38,5	40,5
110	-	- -	121 -	110 или 115	115 или 121	126
220	-	- -	242 -	220 или 230	230 или 242	252
330	-	330 -	347 -	330 -	330 -	363
500	-	500 -	525 -	500 -	500 -	525
750	-	750 -	787 -	750 -	750 -	787
1150	-	- -	- -	1150 -	- -	1200

* Для трансформаторов и автотрансформаторов, присоединяемых непосредственно к шинам генераторного напряжения электрических станций или к выводам генераторов. 3. При наличии у обмотки трансформатора нескольких ответвлений номинальные напряжения, указанные в таблице, относятся к ее основному ответвлению. За основное ответвление принимают: - при нечетном числе ответвлений - среднее ответвление; - при четном числе ответвлений - ответвление с ближайшим большим напряжением по отношению к среднему напряжению диапазона регулирования. Примечания: 1. Номинальные напряжения, указанные в скобках, для вновь проектируемых сетей не рекомендуются. Для существующих и расширяющихся электрических сетей на номинальные напряжения 3 и 150 кВ

Преобразование электрической энергии переменного тока в энергию постоянного тока и наоборот производится с помощью выпрямителей и инверторов, устанавливаемых на специальных ПС. Передача электрической энергии на постоянном токе много экономичнее по сравнению с передачей переменного тока, поскольку при постоянном токе нет индуктивных потерь.

Распределение электрической энергии по отдельным присоединениям ЭУ осуществляется в распределительных устройствах (далее по тексту РУ), а передача ее к отдельным объектам энергообъединения и потребителям производится по воздушным и кабельным линиям электропередачи (далее по тексту соответственно ВЛ и КЛ). Под «присоединением» здесь следует понимать комплект оборудования со всеми электрическими соединениями, относящийся к конкретной электрической цепи. Например, присоединение «ВЛ 110 кВ № 1», присоединение «Трансформатора напряжения 1 системы шин 110 кВ» и т. п. Территорию РУ, на которой расположено оборудование одного присоединения, принято называть ячейкой.

Определение ЭУ согласно действующим ПУЭ:

П. 1.1.3. Электроустановка - совокупность машин, аппаратов, линий и вспомогательного оборудования (вместе с сооружениями и помещениями, в которых они установлены), предназначенных для производства, преобразования, трансформации, передачи, распределения электрической энергии и преобразования ее в другие виды энергии.

РУ – часть ЭУ, как правило, одного напряжения с коммутационными аппаратами, силовыми и измерительными трансформаторами, устройствами молниезащиты и защиты от перенапряжений и электрическими связями (ошиновками) между ними.

Коммутационные аппараты это аппараты, предназначенные для замыкания и размыкания (коммутации) электрических цепей. В ЭУ напряжением выше 1000 В в качестве коммутационных аппаратов используются:

высоковольтные выключатели – Аппараты с устройствами для гашения электрической дуги, предназначенные для коммутации электрических цепей под нагрузкой, в том числе для отключения токов короткого замыкания. Высоковольтные выключатели в абсолютном большинстве случаев имеют автоматический привод и, как правило, дистанционное управление. В зависимости от среды, в которой осуществляется гашение электрической дуги, различают масляные выключатели, воздушные выключатели, вакуумные выключатели и элегазовые выключатели. Масляные выключатели могут быть многообъемными (баковыми) и малообъемными. В первых изоляционное масло является средой, где происходит гашение электрической дуги, и одновременно является изолятором. В маломасляных выключателях масло используется только для гашения дуги. Недостатком масляных выключателей, особенно многообъемных, является их пожароопасность. В воздушных выключателях гашение электрической дуги происходит в гасительных камерах, куда подается осушенный воздух под давлением 18-20 кГ/кв. см. Одновременно сжатый воздух используется для работы привода воздушного выключателя. Недостатком воздушных выключателей является необходимость включения в состав ЭУ компрессорного хозяйства. Масляными и воздушными выключателями оборудовано абсолютное большинство ЭУ, построенных до 1970 г. В последние десятилетия все большее применение получают вакуумные и элегазовые выключатели. В вакуумных выключателях электрическая дуга гасится в вакууме, а в элегазовых выключателях в элегазе. Выключатели этих типов пожаробезопасны, имеют значительно меньшие габариты по сравнению с масляными выключателями и их привода потребляют значительно меньше энергии.

выключатели нагрузки – Аппараты, предназначенные для включения и отключения токов нагрузки на присоединениях до 10 кВ включительно. Как правило, выключатели нагрузки оборудованы ручным приводом;

разъединители – Аппараты, не имеющие устройства для гашения электрической дуги и предназначенные для коммутации цепей без нагрузки и создания видимых разрывов в электрических цепях, разъединители могут иметь ручной или механизированный привод с местным или дистанционным управлением; Разъединителями можно включать и отключать токи намагничивания трансформаторов и зарядные токи отдельных ВЛ. Перечень таких ВЛ для каждой ЭУ должен быть утвержден главным техническим руководителем предприятия.

отделители (ОД) - Аппараты, не имеющие устройства для гашения электрической дуги и предназначенные для отключения силовых трансформаторов без нагрузки, в том числе для отключения трансформатора в безтоковую паузу при отключении трансформатора устройствами релейной защиты;

короткозамыкатели (КЗ) - Аппараты, предназначенные для создания искусственного короткого замыкания при повреждениях силовых трансформаторов, подключенных на стороне высшего напряжения через ОД (без выключателя), при которых релейная защита питающей ВЛ может оказаться не чувствительной Например, для максимальной токовой защиты ток при повреждении трансформатора будет меньше тока срабатывания защиты. ОД и КЗ имеют механизированные приводы с дистанционным и автоматическим управлением.

В электрических цепях напряжением ниже 1000 В для коммутации цепей применяются:

автоматы – аппараты, предназначенные для коммутации цепей под нагрузкой и имеющие электрический привод с ручным или дистанционным управлением;

магнитные пускатели – аппараты, предназначенные в основном для включения и отключения электродвигателей, и оборудованные электромагнитным приводом с местным или дистанционным управлением;

рубильники – аппараты с ручным управлением, предназначенные для коммутации цепей без нагрузки или с небольшой (допустимой) нагрузкой и создания видимых разрывов;

предохранители – устройства, предназначенные для защиты цепей от коротких замыканий, и используемые для включения и отключения цепей без нагрузки;

ключи управления, пакетные переключатели, измерительные блоки – аппараты, используемые главным образом в цепях устройств релейной защиты и автоматики, цепях управления и измерений (цепях вторичной коммутации) для включения и отключения цепей.

Основным параметром коммутационных аппаратов, наряду с номинальными токами и напряжениями, токами термической и динамической устойчивости, является отключающая способность, характеризующая величину тока или мощности, которые этот аппарат может отключить без разрушения.

Измерительные трансформаторы напряжения (ТН) и тока (ТТ) предназначены для понижения соответственно первичных напряжения и тока присоединений ЭУ до величин, которые можно измерять стандартными измерительными приборами. Коэффициенты трансформации трехобмоточных трансформаторов напряжения выбираются такими, чтобы при номинальном напряжении на высокой стороне на выводах вторичных обмоток было напряжение 100 и 100/√3 В. соответственно. У трансформаторов тока при протекании номинального тока в первичной цепи во вторичной цепи протекает ток 5 или 1 А. в зависимости от типа ТТ.

Устройства молниезащиты и защиты от перенапряжений это элементы сооружений и аппараты, предназначенные для защиты оборудования от прямых ударов молнии и предотвращения пробоя изоляции оборудования при грозовых и коммутационных перенапряжениях. К этим устройствам относятся молниеотводы, заземляющие устройства, разрядники, ограничители перенапряжений и искровые промежутки.

Электрические связи между аппаратами РУ и ЭУ выполняются гибким проводом или жесткими шинами, закрепляемыми на подвесных или опорных изоляторах.

Совокупность РУ, предназначенных для преобразования и распределения электроэнергии, расположенных на одной территории и выгороженных общим ограждением, называется электрической подстанцией (ПС).

ЭУ, предназначенные только для распределения электроэнергии, называют распределительными пунктами (РП).

Отличительными признаками ЭУ являются их назначение, уровни напряжения, мощность трансформаторов и конфигурация главной схемы электрических соединений. Под главной схемой электрических соединений понимается принятый для данного РУ вид соединений между собой сборных шин и оборудования присоединений. Например, РУ 10 кВ с одиночной секцией это РУ, где все присоединения подключены к одной секции.

Эксплуатация ПС и РП, не входящих в состав электрических станций, и линий электропередачи осуществляется подразделениями (предприятиями) электрических сетей.

Кроме электрических станций и электрических сетей в Энергопроизводстве задействованы Энергосбытовые организации, осуществляющие продажу электрической энергии, ремонтные организации, выполняющие ремонт энергетического оборудования, и разные научно-исследовательские и наладочные организации, выполняющие для организаций, входящих в Энергообъединение, специальные работы.