Основные элементы энергосистемы. Классификация энергогенерирующих установок

Энергетика — одна из ведущих отраслей национальной экономики, охватывающая энергетические ресурсы, выработку, преобразование, передачу и использование различных видов энергии. Основными видами энергии, необходимыми отраслям экономики, являются электрическая и тепловая энергия. Электроэнергия является самым удобным энергоресурсом, именно с рациональным использованием электрической энергии связано ускорение научно-технического прогресса и рост производительности труда.

Предприятия, обеспечивающие экономику электро - и теплоэнергией, образуют отрасль электроэнергетики.

Эта отрасль включает энергогенерирующие, преобразующие и передающие установки.

Энергогенерирующие установки можно классифицировать по ряду основных признаков:

· по виду первичных энергоресурсов;

· по процессам преобразования энергии;

· по видам отпускаемой энергии;

· по количеству и типам обслуживаемых потребителей;

· по режиму работы.

Предприятие, предназначенное для производства электрической энергии, называется электростанцией.

В настоящее время большая часть электроэнергии вырабатывается на тепловых, атомных и гидравлических электростанциях.

Основным назначением тепловой электростанции (ТЭС) является выработка электроэнергии и теплоты за счет преобразования химической энергии топлива (угля, нефти, газа). По виду отпускаемой энергии (энергетическому назначению) различают конденсационные электростанции (КЭС), отпускающие энергию одного вида — электрическую, и теплоэлектроцентрали (ТЭЦ), отпускающие электроэнергию и тепловую энергию с паром и горячей водой.

По типу основного двигателя для привода электрогенератора различают ТЭС с паровыми и газовыми турбинами (паротурбинные и газотурбинные электростанции).

Атомные электростанции (АЭС) преобразуют энергию расщепленияядер атомов тяжелых элементов в электрическую энергию и теплоту. Атомные электростанции, отпускающие потребителям электрическую и тепловую энергию, называют атомными теплоэлектроцентралями (АТЭЦ).

Так же, как ТЭС и ТЭЦ, АЭС являются паротурбинными электростанциями.

Гидроэлектростанции (ГЭС) преобразуют механическую энергию водного потока в электрическую.

Разновидностью ГЭС являются гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС), потребляющие электроэнергию в периоды снижения электрических нагрузок (ночью) и вырабатывающие ее в периоды максимальных нагрузок, и приливные электростанции (ПЭС), использующие энергию приливов и отливов морской воды.

В технологическом аспекте объединение энергогенерирующих установок и потребителей с помощью электрических и тепловых сетей образуют энергосистему.

Комплекс Единой энергетической системы (ЕЭС) России включает в себя около шестисот тепловых и более ста гидроэлектростанций. Он охватывает около 9/10 территории страны.

Тепловые электростанции на органическом топливе делятся в зависимости от вида используемого топлива на работающие на угле, местных видах топлива (сланцы, торф) и газомазутном топливе.

По применяемым процессам преобразования энергии выделяются электростанции, в которых:

· полученная тепловая энергия преобразуется в механическую, а затем в электрическую энергию — ТЭС, АЭС;

· полученная солнечная энергия непосредственно превращается в электрическую с помощью фотоэлементов — солнечные электростанции (СЭС);

· энергия воды и воздуха превращается в механическую энергию, а затем в электрическую — ГЭС, ГАЭС, ПЭС, ВЭС (ветряные электростанции).

По видам отпускаемой энергии различают электростанции, отпускающие только электрическую энергию — ГЭС, ГАЭС, тепловые конденсационные электростанции (КЭС), атомные КЭС; отпускающие электрическую и тепловую энергию — ТЭЦ, атомные ТЭЦ и др.

Теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) кроме электроэнергии вырабатывают тепло. Использование тепла отработавшего пара при комбинированном производстве энергии обеспечивает значительную экономию топлива. Если отработавший пар или горячая вода используется для технологических процессов, отопления и вентиляции промышленных предприятий, то ТЭЦ называются промышленными. При использовании тепла для отопления и горячего водоснабжения жилых и общественных зданий городов ТЭЦ называются коммунальными (отопительными). Промышленно-отопительные ТЭЦ снабжают теплом как промышленные предприятия, так и население.

Одним из наиболее эффективных способов производства электроэнергии является теплофикация.

Под термином «теплофикация» следует понимать одновременное производство электрической и тепловой энергии в комбинированном цикле, т.е. совместную выработку электрической и тепловой энергии водном агрегате (паротурбинном, газотурбинном или поршневом). В комбинированной выработке заключается основное отличие теплофикации от раздельного метода теплоэлектроснабжения, когда электрическая энергия вырабатывается на электростанциях, а тепловая — в котельных.

Для определения комбинированного цикла в настоящее время также используется термин когенерация.

По режиму работы различают базовые, маневренныеили полупиковые, пиковые электростанции. Базовые электростанции работают в течение года с постоянной нагрузкой. Полупиковые могут снижать нагрузку от нескольких часов до нескольких суток. Пиковые электростанции включаются только на период максимума электрической нагрузки.

К первой группе относятся крупные, наиболее экономичные КЭС, атомные КЭС, ТЭЦ, работающие в теплофикационном режиме; ко второй группе — маневренные КЭС и ТЭЦ; к третьей группе — пиковые ГЭС, ГАЭС, газотурбинные установки ГТУ.

Для каждого типа электростанции имеются также внутренние признаки классификации. Например, КЭС и ТЭЦ различаются по начальным параметрам, технологической схеме (блочные и с поперечными связями), единичной мощности блоков и т.п. АЭС классифицируются по типу реакторов (на тепловых и быстрых нейтронах), конструкции реакторов и др.

При решении проблем экономического развития, выбора рациональной организационной схемы необходимо учитывать специфические особенности основных технологий отрасли.

Технологическими особенностями производства электроэнергии и тепла относят являются следующие.

· совпадение во времени процесса производства и потребления энергетической продукции. Ни тепловую, ни электрическую энергию нельзя складировать и запасать. Энергосистемы должны выдавать столько энергии и мощности, сколько требуется в данный момент:

,

где — произведенная электрическая энергия, кВт·ч;

— потребленная электрическая энергия, кВт·ч;

— потери электрической энергии при транспортировке, кВт·ч;

— произведенная тепловая энергия, ГДж;

— потребленная тепловая энергия, ГДж;

— потери тепла при транспортировке, ГДж.

Эта особенность технологии обуславливает высокие требования к надежности работы энергосистем и качеству электроэнергии. Надежность является одним из важнейших требований в энергетике. Для обеспечения надлежащего уровня надежности в энергосистеме используется резервирование, т.е. создание резервов мощности, которые необходимы для замены вышедших из строя агрегатов, проведения ремонта энергосистем и поддержания качества выдаваемой энергии (частота и напряжение в электрической сети), а также резервные запасы топлива, воды и т.д.

· широкая взаимозаменяемость генерирующих установок в энергосистеме. Для производства электроэнергии используются все виды электростанций, а для производства тепла — конденсационные электростанции (КЭС), теплоэлектроцентрали (ТЭЦ), гидростанции (ГЭС), атомные электростанции (АЭС) и др. Для производства тепла используются ТЭЦ, котельные или утилизационные установки. На этих станциях и котельных могут быть установлены агрегаты различных типов, работающие на разных параметрах пара и использующие различные виды топлива.

· Взаимозаменяемость видов продукции, т.е. возможность использования различных энергоносителей в установках, например использование природного газа или электрической энергии в нагревательных печах, использование парового или электрического привода компрессоров и др.

· высокая динамичность энергопотребления, обуславливающая высокие требования к маневренности генерирующих установок, так как в каждый момент времени должно быть произведено такое количество энергии, которое требуется потребителю. Маневренность агрегата должна обеспечить возможность работы энергосистемы по заданному графику.

В связи с тем, что система работает с переменным режимом и в течение суток, и в течение недели, месяца, года, генерирующие установки должны обладать широким диапазоном регулирования нагрузки.

Наилучшими маневренными свойствами обладают ГЭС. Запуск в работу гидроагрегата составляет несколько минут. На тепловых станциях, использующих паротурбинные установки, это более длительный процесс — энергетический котел необходимо нагревать или остужать в течение 15―20 ч.

· необходимость создания энергосистем, включающих генерирующие установки разных типов.

В результате — повышается надежность, уменьшаются резервы, а следовательно, экономятся средства; увеличивается единичная мощность установок; снижаются годовой и удельный расходы топлива; повышается эффективность ремонтных работ; осуществляется более полное и рациональное использование ресурсов.