«Следящие» электростанции – что это?

Электростанция для отслеживания нагрузки, рассматриваемая в качестве средства производства электричества по средней цене и со средними расходами, представляет собой электростанцию, регулирующую объем производимой энергии в зависимости от колебаний потребления энергии в течение дня. Данный тип электростанций, как правило, занимает промежуточную позицию между базовыми и пиковыми электростанциями в части эффективности, скорости запуска и остановки, стоимости строительства и электроэнергии и фактора загрузки.

Базовые и пиковые электростанции

Базовые электростанции работают на максимальных мощностях. Они останавливаются или уменьшают выработку энергии только в случае технического обслуживания или ремонта. К этому типу принадлежат угольные, топливные, почти все атомные, геотермальные, гидроэлектростанции, электростанции на биотопливе и парогазовые электростанции.

Пиковые электростанции работают только во время пиковой потребности. В странах с повсеместным кондиционированием воздуха пиковая потребность возникает примерно в середине дня, поэтому стандартная пиковая электростанция может начать работу за пару часов до нее и отключиться через пару часов после нее. Однако продолжительность работы пиковых электростанций варьируется от доброй части светового дня до нескольких десятков часов в год. К данному типу электростанций относятся гидроэлектростанции и газотурбинные электростанции. Многие газотурбинные электростанции могут работать на природном газе, мазуте или и/или дизельном топливе. Хотя большинство таких электростанций сжигают, главным образом, природный газ, иногда продумываются поставки мазута и/или дизельного топлива в случае прерывания поставок газа. Другие же газовые турбины могут сжигать только один вид топлива.

Электростанции для отслеживания нагрузки

Электростанции для отслеживания нагрузки работают в течение дня и раннего вечера. Они могут как отключаться, так и серьезно уменьшать выработку энергии ночью и ранним утром, когда потребность в электричестве – наименьшая. Точные часы работы зависят от множества факторов. Один из самых важных факторов для каждой конкретной станции – эффективность, с которой она может превращать топливо в электричество. Самые эффективные электростанции, на которых стоимость киловатт-часа всегда ниже, подключаются первыми. С ростом потребности подключаются следующие по эффективности электростанции и так далее. Состояние электросетей в этом регионе, особенно – количество базовой производственной мощности, и изменения потребности также очень важны. Дополнительным фактором для изменений в графике является то, что потребность не меняется ночью и днем. Также очень серьезны различия в зависимости от времени года и дня недели. В регионе, где есть большие колебания спроса, потребуются электростанции для отслеживания нагрузки или пиковые электростанции с большой емкостью, так как базовые электростанции могут покрыть только емкость, которая необходима в периоды наименьшего спроса.

Электростанциями для отслеживания нагрузки могут быть ГЭС, дизельные и газотурбинные электростанции, парогазовые электростанции и паротурбинные электростанции, работающие на природном газе или тяжелом дизельном топливе, хотя у электростанций на этом топливе – очень малая доля в структуре энергетики. Относительно эффективная модель газовой турбины на природном газе может стать частью хорошей электростанции для отслеживания нагрузки.

Газотурбинные электростанции

Самыми гибкими в плане регулирования уровня мощности являются газотурбинные электростанции, но они также – самые дорогие в эксплуатации. Следовательно, они, в основном, используются как «пиковые» узлы во время максимальной потребности в электричестве. Газовые турбины ограниченно применяются в качестве первичных двигателей для выработки энергии. Подобным образом вырабатывается энергия для удаленных военных объектов, мест разработки и сельских или изолированных населенных пунктов. Причина в том, что у газотурбинных генераторов зачастую гораздо большие удельные потери теплоты по сравнению с паротурбинными ли дизельными электростанциями. Их более высокая стоимость топлива быстро перевешивает их начальные преимущества в большинстве областей. Вот лишь некоторые отрасли применения:

1. Поставки относительно больших объемов электроэнергии объектам, в которых пространство – крайне ограниченно (пример – укрепленные строения).
2. Мобильное, временное или труднодоступное место (пример – изолированные населенные пункты, места разработки, поддержка пехоты или радиорелейных станций)
3. Ограничение пика нагрузки в связке с более эффективной генерирующей мощностью
4. Экстренный запас энергии там, где легкость и относительно безвибрационная работа газовых турбин гораздо важнее, чем потребление топлива в кратковременной работе. Однако, время запуска таких турбин могут не подходить для данной области.
5. Электростанции на комбинированном топливе или ТЭЦ, где потерянное тепло турбины может быть экономично использовано для создания дополнительной энергии и тепла в процессе нагрева помещения.

Дизельные и газотурбинные электростанции

Дизельные и газотурбинные электростанции могут использоваться для базовой нагрузки и производства дополнительной энергии благодаря их общей высокой гибкости. Подобные электростанции могут быстро запускаться для удовлетворения потребности электросетей. Эти турбины могут эффективно работать на разных видах топлива, что добавляет им гибкости.

Вот некоторые из отраслей применения: выработка энергии в базовом режиме, ветро-дизельные генераторы, электростанции для отслеживания нагрузки, когенерация, тригенерация.

Гидроэлектростанции

Гидроэлектростанции могут работать, как базовые и пиковые электростанции или электростанции для отслеживания нагрузки. Они способны запускаться за несколько минут, а в некоторых случаях – за считанные секунды. Так как работа электростанции очень зависит от поставок воды, у многих электростанций недостаточно воды для того, чтобы работать в любом месте на полную мощность на постоянной мощности.

В гидроэнергетике используются озера и искусственные водохранилища всех размеров, где достаточно воды для работы, по меньшей мере, на один день или даже на круглый год. Электростанции с водохранилищем, которое содержит воды меньше, чем необходимо для годового стока, могут сменить свой режим работы в зависимости от времени года. К примеру, электростанция может работать, как пиковая в течение сухого сезона, как базовая – в сезон дождей и как электростанции для отслеживания нагрузки – между сезонами. Электростанция с крупным водохранилищем может работать независимо от сезона засух или дождей, или работать на максимальной мощности во время сезона применения систем нагревания или охлаждения.

Когда поставка энергии для электросетей и потребление или нагрузка электросетей уравновешены, частота переменного тока находится на нормальном уровне (от 50 до 60 циклов в секунду). ГЭС могут использоваться для создания дополнительного дохода для электросетей с неустойчивой частотой. Когда она превышает норму (к примеру, индийские электросети превышает показатель в 50 Гц большую часть месяца/дна), дополнительная доступная мощность может быть потреблена за счет добавления нагрузки (например, сельскохозяйственные водяные насосы) на сеть, и эта энергия становится доступной по номинальной цене или бесплатно. Однако это не может быть гарантией непрерывной поставки по той же цене, когда частота тока в сети упадет ниже нормы, которая может затем привести к росту цены.

Для предотвращения падения частоты ниже нормы доступные гидроэлектростанции сохраняются в режиме работы без нагрузки или с номинальной нагрузкой. Нагрузка автоматически поднимается или опускаются в строгом соответствии с частотой электросети (т.е. гидроузлы будут работать при условиях отсутствия нагрузки при частоте свыше 50 Гц, и вырабатывать энергию на полной мощности в случае падения ниже 50 Гц). Таким образом, предприятие может потреблять в 2 и более раз больше энергии от сети за счет загрузки гидроузлов менее чем на половину длительности, и эффективное использование доступной воды более чем вдвое увеличивает обычную пиковую нагрузку.

Угольные электростанции

Крупногабаритные угольные электростанции могут также использоваться, как электростанция для отслеживания нагрузки или электростанция с переменной нагрузкой. Эти электростанции чаще всего являются частью электростанций для отслеживания нагрузки с целью достижения гибкости и экономичности.

1. Режим работы на скользящем давлении: работа парогенератора в данном режиме позволяет электростанции вырабатывать электричество без большого ущерба для топливного КПД при работе с частичной нагрузкой в 75 % от паспортной производительности.
2. Способность к перегрузкам. Электростанции часто разрабатываются для работы на 5-7 % выше от паспортного показателя в течение 5 % от длительности годового цикла.
3. Следящая система управления частотой. Генерация нагрузки может автоматически меняться в соответствии с потребностями частоты в сети.
4. Ежедневная двухсменная работа пять дней в неделю. Необходимые тепло и жар, быстро возрастающие в этих электростанциях, предназначены для того, чтобы меньше времени уходило на переход на полную мощность. Таким образом, эти электростанции не являются базовыми генераторами энергии в классическом понимании.
5. Байпасные паропроводы низкого/высокого давления. Эта особенность позволяет паровым турбогенераторам быстро уменьшить нагрузку и позволяет парогенератору регулировать потребности в нагрузке.

Атомные электростанции

Изменение нагрузки может быть возможностью для электростанции регулировать ее выходные мощности, так как потребность и цена в электричестве колеблются в течение дня. На атомных электростанциях это происходит за счет введения регулирующих стержней в корпусе высокого давления ядерного реактора. Это действие – крайне неэффективно, так как выработка атомной энергии почти полностью состоит из фиксированных и необратимых издержек. Таким образом, понижение выработки энергии сильно не повлияет на цену производства энергии, а электростанция подвергается термомеханическим деформациям. Более старые атомные (и угольные) электростанции могут требовать много часов, если не дней, для достижения стабильного состояния выработки электричества.

Современные АЭС с легководными реакторами разработаны со способностью переносить сильные колебания. АЭС во Франции и германии работают в режиме отслеживания нагрузки, и, таким образом, участвуют в первичной и вторичной регулировке частоты. Некоторые узлы работают в соответствии с режимом переменной нагрузки с двумя крупными изменениями мощности в день. Некоторые концепты позволяют быстро менять уровень мощности относительно расчетной мощности, и эта способность очень полезна для регулирования частоты. Более эффективным решением станет обслуживание первичного контура циркуляции на полной мощности и использование избыточной мощности для когенерации.

Кипящие ядерные реакторы

Кипящие ядерные реакторы (КЯР) может менять скорость рециркуляции воды для быстрого уменьшения уровня мощности до 60 % от номинальной мощности (свыше 10%/миг), делая их полезными в качестве ночной электростанции для отслеживания нагрузки. Также они могут использовать манипуляции с регулирующими стержнями для еще более серьезного уменьшения мощности. Некоторые концепты КЯР не обладают рециркуляционными насосами, и они должны полагаться только на управление регулирующими стержнями в режиме отслеживания нагрузки, что может быть почти идеальным вариантом. На таких рынках, как в Чикаго (штат Илиинойс), где половина всего оборудования предприятий – КЯР, достаточно распространено их использование для отслеживания нагрузки (хотя для этого она может быть не такой экономически выгодной).

Ядерные реакторы с водой под давлением

Ядерные реакторы с водой под давлением использует сочетание химически компенсирующего стержня (как правило – бор), замедлителя/теплоносителя, управления регулирующими стержнями и контроля скорости турбины для изменения уровня мощности. Для подобных ядерных реакторов не подразумевается работа в режиме отслеживания нагрузки, в отличие от КЯР. Однако, современные реакторы с водой под давлением, в основном, разрабатываются для осуществления отслеживания мощной нагрузки. И французские, и немецкие реакторы подобного типа, в частности, исторически были разработаны с несколькими степенями отслеживания нагрузки.

В частности, Франция имеет долгую историю активного использования электростанций для отслеживания нагрузки с ядерными реакторами с водой под давлением, которые способны (и использовались) для первичного и вторичного регулирования частоты, помимо отслеживания нагрузки. Французские реакторы используют «серые» и/или «черные» регулирующие стержни для изменения мощности быстрее, чем при помощи химически компенсирующих стержней или традиционных регулирующих стержней. Эти реакторы способны регулярно менять выработку энергии в диапазоне 30-100 % от номинальной мощности для поднятия или опущения мощности на уровне в 2-5 %/мин во время отслеживания нагрузки, и участвовать в первичном и вторичном регулировании частоты на уровне ±2-3 % (первичное регулирование) и ±3-5 % (вторичное регулирование, от 5 % для реакторов «N4» в режиме «X»). В зависимости от конкретного концепта и режима работы их способность работать на малой мощности или быстро изменять режим может быть частично ограничен на крайних этапах топливного цикла.

Тяжеловодные ядерные реакторы с водой под давлением

Современные концепты канадского тяжеловодного уранового водяного реактора обладают крупными байпасными паропроводами, которые позволяют использовать различные методы отслеживания нагрузки, необязательно подразумевающие изменения в производстве энергии. АЭС «Брюс» использует Канадский ТУВР, который частично применяет свои возможности для использования байпасных паропроводов в качестве конденсаторов в длительные периоды времени, в то время как турбина обеспечивает 300 МВт энергии на узел (в общей сложности 2400 МВт для АЭС на восемь реакторов), а также – для гибкой работы (отслеживания нагрузки). Энергия реактора поддерживается на одном уровне во время работы паропровода, который полностью убирает опасность отравления ксеноном, и другие опасности, связанные с изменением уровня производимой реактором энергии.

Солнечные фотоэлектрические и ветряные электростанции

В странах, которые склоняются к уходу от базовых угольных электростанций к таким периодическим источникам энергии, как ветер и солнце, соответственно выросла потребность в пиковых электростанциях или электростанциях для отслеживания нагрузки и использованию горизонтальных связей.

Варьируемая мощность возобновляемых источников энергии типа солнечных или ветряных электростанциях, могут использоваться впоследствии для нагрузки или стабилизации частоты сети при помощи аккумуляторных электростанций стоимостью 450000 долларов за МВт-ч. Когда частота сети падает ниже желаемого или расчетного значения, энергия вырабатывается (если она имеется) и накопленная в батареях мощность питает сеть для поднятия ее частоты. Если же частота сети – выше желаемого или расчетного значения, энергия вырабатывается для подпитки или передачи избыточной энергии сети (в этом случае – более дешевой) аккумуляторным электростанциям для накопления. Колебания частоты в сети происходят 50-100 раз в день в одну или другую сторону от расчетного значения в зависимости от поступающей нагрузки и типа генерирующих мощностей, подключенных к электросети. Не так давно, стоимость аккумуляторных, солнечных электростанций и так далее, должна сильно пойти вниз ради использования вспомогательного питания для стабилизации сети или создания электрического резерва.

Новые исследования также определяют способность ветряных и солнечных электростанций к быстрому изменению нагрузки. Исследования Геворгяна и других показали способность солнечных электростанций к отслеживанию нагрузки и быстрому формированию резерва на островных энергосистемах типа пуэрто-риканской и крупных энергосистем в Калифорнии.

Солнечные теплоэлектростанции

Солнечные теплоэлектростанции появились, как более дешевые и чистые электростанции для отслеживания нагрузки. Они могут прекрасно удовлетворять потребность в нагрузке и работать, как базовые электростанции, когда полученная в течение дня солнечная энергия оказывалась избыточной. Правильное соотношение солнечных теплоэлектростанций и солнечных фотоэлектрических электростанций может полностью покрыть колебание нагрузки без потребности в дорогостоящих аккумуляторных электростанций.