Оптимизация водно-энергетических режимов приливных электростанций с ортогональными турбинами

Вид материала

Содержание

Общая характеристика работы
Цель работы
Научная новизна работы
Достоверность полученных результатов
Практический выход и внедрение
Положения, которые выносятся на защиту
Апробация работы.
Объем и структура работы
Основное содержание работы
Первая глава
Вторая глава
В третьей главе
В четвертой главе
В Работа ПЭС с пониенной мощностью пятой главе
Основные выводы

Подобный материал:

На правах рукописи

Савченков Данила Степанович

Оптимизация водно-энергетических режимов ПРИЛИВНЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ с ортогональными турбинами

Специальность 05.14.08

Энергоустановки на основе возобновляемых видов энергии

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва 2011

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Московский государственный строительный университет"

Научный руководитель	Д- - доктор технических наук, профессор МуМуравьев Олег Алексеевич
Официальные оппоненты	- доктор технических наук Александровский Алексей Юрьевич - кандидат технических наук Абубакиров Шамиль Игнатьевич
Ведущая организация	- «ОАО Мособлгидропроект»

Защита состоится «27» мая 2011 года в 15 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.157.03 при Московском энергетическом институте (Техническом университете) по адресу:

111250 Москва, Красноказарменная ул., д. 14, аудитория Г-200

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ (ТУ)

Автореферат разослан «___» ____________ 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.157.03

К.т.н., доцент Бердник Е.Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В России и в мире в целом не ослабевает интерес к проектам приливных электростанций. Рост цен на органическое топливо, исчерпание его запасов, экологические проблемы выдвигают развитие проектов по использованию энергии приливов в разряд актуальных.

Проблемы, которые присущи проектам приливных электростанций, такие, как высокая стоимость сооружений, большие объемы строительных работ, необходимость компенсации неравномерной энергоотдачи, требуют решения и решаются по мере совершенствования оборудования, методов производства работ, технологий изготовления строительных конструкций и материалов.

Основной задачей развития проектов ПЭС является повышение экономических показателей и конкурентоспособности по сравнению с альтернативными источниками энергии. Большую роль здесь играет основное энергетическое оборудование. В последние годы в НИИЭС проводятся исследования, модельные и натурные испытания ортогональной турбины. Ортогональные гидротурбины при установке на ПЭС имеют ряд преимуществ: относительная простота конструкции, экономия по объему бетона, весу и стоимости турбинного оборудования; одинаковые энергетические показатели при противоположных направлениях потока; большая пропускная способность при остановленной турбине, позволяющая отказаться от сооружения специальной водопропускной плотины для работы в режимах перепуска.

Ортогональные турбины на ПЭС являются новым оборудованием. Исследование специфических особенностей данного оборудования, оптимизация режимов его работы в условиях ПЭС, решение вопросов компенсации при работе в составе энергокомплекса представляется актуальной задачей, решению которой посвящена эта работа.

Цель работы – развитие теории и практики водно-энергетических расчетов с учетом специфики нового оборудования ПЭС на базе ортогональных гидротурбин.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1. Сравнение энергетических параметров основного оборудования ПЭС на базе ортогональных и поворотно-лопастных турбин

2. Разработка математических моделей водно-энергетических и оптимизационных расчетов ПЭС с учетом специфики ортогональных турбин

3. Разработка диспетчерских правил оптимизированных режимов работы ПЭС с ортогональными турбинами; анализ степени влияния на выработку ПЭС одностороннего и двухстороннего циклов работы, переменной частоты вращения турбины, напоров пуска и останова

4. Анализ суточной, месячной и годовой неравномерности энергоотдачи ПЭС, определение параметров компенсирующей электростанции; оптимизация режимов совместной работы ПЭС и ГАЭС; анализ натурных данных по совместной работе приливной, ветровой и солнечной энергоустановок

Научная новизна работы заключается в следующем:

- разработана методика определения оптимальных по выработке режимов работы агрегатов ПЭС с ортогональными турбинами;

- определена степень влияния на выработку ПЭС с ортогональными агрегатами значений напоров пуска и останова, перехода на переменную частоту вращения, одностороннего и двухстороннего циклов работы;

- выявлены условия, при которых агрегат с ортогональной турбиной обеспечивает выработку, соизмеримую с капсульным равной мощности;

- выполнено обобщение полученных на основании водно-энергетических расчетов характеристик потенциальных створов ПЭС на побережье Баренцева и Белого морей с выходом на параметры, показывающие условия компенсации неравномерной энергоотдачи;

- разработаны режимы совместной работы ПЭС и ГАЭС, обеспечивающие постоянное значение вытесняющей мощности в межсизигийный период и работу в полупиковой части графика нагрузки.

Достоверность полученных результатов подтверждена сопоставлением результатов с данными натурных испытаний и мониторинга, режимов Кислогубской ПЭС, а также с данными известных аналитических решений.

Практический выход и внедрение

Результаты исследований внедрены на опытно-промышленной Кислогубской ПЭС, использованы в проекте Северной ПЭС при оптимизации режимов работы на получение максимальной выработки и при определении условий компенсации неравномерной энергоотдачи Мезенской ПЭС.

Математические модели водно-энергетических расчетов ПЭС с ортогональными агрегатами используется для мониторинга режимов эксплуатации Кислогубской ПЭС.

Положения, которые выносятся на защиту:

1. Радикальным средством повышения мощности и выработки ортогональных турбин является их эксплуатация в оптимуме характеристики при переменной частоте вращения, зависящей от напора.

2. Для ПЭС с ортогональными турбинами оптимальным по выработке является двухсторонний режим работы; односторонний режим имеет преимущество при работе турбины с постоянной частотой вращения, когда кпд увеличивается с ростом напора.

3. Оптимизированные по выработке напоры пуска и останова ортогональных турбин увеличиваются с ростом величины прилива, причем пусковые всегда превышают напоры останова.

4. Обобщение данных водно-энергетических расчетов по ряду створов ПЭС на побережье Баренцева и Белого морей позволило получить характеристики неравномерности энергоотдачи ПЭС и характеристики компенсации суточной, месячной и годовой неравномерности энергоотдачи ПЭС в виде относительных среднесуточных мощностей в характерные периоды работы ПЭС, энергетического эквивалента полезной емкости ГАЭС и необходимой месячной выработки компенсирующей станции в долях от выработки ПЭС.

5. Разработанные режимы совместной работы ПЭС и ГАЭС в переменной части графика нагрузки позволяют обеспечить повышенное значение вытесняющей мощности, одинаковое для периодов сизигии и квадратуры.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и ее отдельные разделы докладывались на международной научно-технической конференции в Московском энергетическом институте, на заседании кафедры использования водной энергии Московского государственного строительного университета, на заседании кафедры нетрадиционных и возобновляемых источников энергии и гидроэнергетики Московского энергетического института (Технического университета).

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов и списка литературы, включающего 134 наименования. Работа изложена на 167 страницах машинописного текста, содержит 63 рисунка и 34 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследований, сформулированы цель и задачи исследований, дана общая характеристика работы, включая научную новизну, практическое значение.

Первая глава посвящена рассмотрению вопросов, которые являются важными при обосновании проектов приливных электростанций в части основного оборудования, водно-энергетических расчетов, условий компенсации неравномерной энергоотдачи.

Приводится обзор работ по проблемам энергетики приливных электростанций. Это труды основателя школы российской приливной энергетики Л.Б.Бернштейна, ведущих российских специалистов - В.Н.Силакова, Б.Л.Эрлихмана, А.В.Некрасова, И.Н.Усачева иностранных ученых Р.Жибра, Х.Андре, С.Бонфия, Ф.Ламперье, Е.Вилсона, Р.Тейлора, Р.Кларка, Дж.Бейкера, Г.Даффа, Р.Тейлора, Р.Шалье.

Одним из направлений совершенствования проектов ПЭС является применение новых типов основного оборудования. Примером является использование на ПЭС ортогональных турбин, разработкой и совершенствованием которых занимаются специалисты НИИЭС под руководством Л.Б.Историка, И.Н.Усачева, Ю.Б.Шполянского. Это основное оборудование, на которое ориентированы проекты Мезенской и Тугурской ПЭС, разработанные в 2006 – 2007 г.г., а также проект первоочередной опытно-промышленной Северной ПЭС. Большой объем натурных испытаний осуществлен на блоке с ортогональной турбиной, установленном на Кислогубской ПЭС.

Обзор энергетических характеристик применяемого на ПЭС турбинного оборудования, позволил определить ту нишу, которую занимают турбины ортогонального типа. Простота конструкции ортогональных гидротурбин, низкая материалоемкость, высокая пропускная способность, возможность отказа от специальных водопропускных сооружений, полная обратимость при изменении направлении расхода выводят это колесо в ряд перспективных для проектов будущих ПЭС.

Органически присущая ПЭС неравномерность требует рассмотрения ее работы в составе энергокомплекса с компенсирующими электростанциями. Теоретические основы совместной работы в составе энергокомплексов энергоустановок на основе возобновляющихся видов энергии разработаны в работах В.И.Виссарионова, докторских диссертациях и публикациях М.П.Федорова, В.В.Елистратова. В них рассматриваются методика моделирования поступления энергоресурсов, их преобразования, обоснования параметров, входящих в энергокомплекс электростанций, с учетом ограничений системного и режимного характера.

Выполненные в главе 1 обзоры позволили сформулировать основные задачи исследований ПЭС с ортогональными турбинами, направленные на оптимизацию режимов работы и определение условий компенсации неравномерной энергоотдачи.

Вторая глава посвящена разработке математических моделей для выполнения водно-энергетических расчетов и оптимизации режимов ПЭС с ортогональными и осевыми турбинами.

Модели базируются на общих принципах выполнения водно-энергетических расчетов, разработанных в работах А.Е.Асарина, А.Ю.Александровского, Н.К.Малинина, В.И.Обрезкова, М.Г.Тягунова, Е.В.Цветкова.

Водно-энергетическими и оптимизационными расчетами для проектов отечественных ПЭС с поворотнолопастными насос-турбинами занимались В.Н.Силаков, Н.А.Картвелишвили. Оптимизация выполнялась с использованием методов динамического программирования. Решено много практических задач, связанных с работой обратимых капсульных гидроагрегатов, в том числе циклы, обеспечивающие за счет подкачки работу в переменной части графика нагрузки энергосистемы.

Для исследований водно-энергетических режимов работы ПЭС разработаны, компьютерные модели на олсновании водно-балансовые расчетов. В качестве граничного условия со стороны моря используются мареограммы прилива в естественных условиях. Пропуск воды через сооружения и оборудование определяются диспетчерскими правилами работы ПЭС. Эти правила, связанные с меняющимися на напорами, учитывают специфику одностороннего и двухстороннего циклов работы. Расходы воды, проходящие через створ, вычисляются на основе действующих на ПЭС переменных во времени напоров в соответствии с напорно-расходными характеристиками турбин, в том числе при холостом пропуске. Помимо расходов, проходящих через сооружения ПЭС, в водно-энергетических расчетах может учитываться расходы, проходящие через проран в строительный период, а также приточность в бассейн.

Логический блок, обеспечивает автоматический выбор режима работы сооружений и оборудования ПЭС по иерархии условий и критериев, в число которых входят уровни в бассейне и море, расходы через сооружения и оборудование ПЭС, напоры пуска и останова турбин (рис. 1).

Рис. 1. Логический блок, обеспечивающий автоматический выбор режима ПЭС для 2-х стороннего цикла работы и различных напоров пуска и останова

При сравнении режимов работы осевых и ортогональных турбин использованы математические модели, реализующие метод динамического программирования. Использован классический подход, в котором учтена специфика приливных циклов и особенности турбинного оборудования. Осуществляется одновременный расчет всех возможных в данном цикле режимов работы данного количества турбин, с отбором на каждом расчетном шаге оптимальной выработки для каждого из возможных положений уровня в бассейне.

В третьей главе представлены исследования и оптимизация режимов работы ПЭС с ортогональными турбинами, а также сравнение ортогональных и капсульных турбин по энергетическим показателям.

Ортогональные турбины имеют вдвое меньшие значения максимального приведенного расхода по сравнению с ПЛК насос-турбинами и шахтными насос-турбинами. Тем не менее, ортогональные турбины могут обеспечивать работу с расходами равными и большими расходами за счет увеличения длины лопастей. В формуле пересчета

, (1)

k – коэффициент, равный отношению длины лопасти к диаметру колеса. Для конструкции, реализуемой в проектах Северной и Мезенской ПЭС этот коэффициент равен 3,0, то есть ортогональная турбина может давать в генераторном режиме расход в 1,5 раза больше, а в режиме холостого пропуска – в 2 раза больше, чем осевая турбина равного диаметра.

На рис. 2 представлено семейство эксплуатационных характеристик ортогональных турбин диаметром 5 м на напоры до 4 м. Храктеристики базируются на данных натурных испытаний ортогональной турбины Кислогубской ПЭС при переменной частоте вращения, обеспечивающей работу в оптимуме характеристики при изменении напора. Натурные испытания подтвердили возможность работы ортогональной турбины в оптимуме при комбинаторной зависимости частоты вращения от напора (см. рис. 1) в диапазоне частот 1,0 … 0,6 от номинальной.

Рис. 2. Семейство эксплуатационных характеристик ортогональных турбин D=5 м при переменной частоте вращения

Проведено сравнение по выработке ортогонального и капсульного агрегатов для условий Кислогубской ПЭС. Если не вводить ограничения мощности по напору, то установленный первоначально на Кислогубской ПЭС агрегат ПЛК и ортогональный агрегат ОГА-5 при переменной частоте вращения имеют близкие мощностные характеристики (рис. 3).

Водно-энергетические расчеты проведены для одностороннего цикла по разработанным оптимизационным программам, описание которых дано в главе 2. Для капсульного агрегата рассмотрены три режима работы:

- режим Жибра, дающий максимум выработки (при оптимальном пусковом напоре и работе на линии максимального кпд с переходом на линию максимальной мощности после прохода точки максимального напора);

- режим при оптимальном пусковом напоре и работе только на линии максимальной мощности;

- режим при пусковом напоре холостого хода и работе на линии максимальной мощности.

Рис. 3. Соотношение эксплуатационных характеристик ПЛК и ортогональной турбин Кислогубской ПЭС

Оптимизационные расчеты ПЛК и ортогональной турбин подтвердили положения аналитических расчетов Жибра с использованием методик вариационного исчисления, согласно которым капсульная турбина при нарастании напора работает на линии максимальных кпд, а после достижения максимального напора переходит на линию максимальной мощности, вдоль которой работает до достижения напора холостого хода (рис.6). Для рассмотренных условий работа капсульной поворотно-лопастной турбины по одностороннему циклу Жибра позволила получить для всех рассмотренных величин приливов выигрыш в выработке около 4% по сравнению с работой на линии максимальной мощности при оптимальном пусковом напоре и выигрыш 10% по сравнению с работой на линии максимальной мощности от напора холостого хода;

В табл. 1 дано соотношение между относительными значениями выработки для рассмотренных режимов.

Проведенное сравнение энергетических показателей ортогональной и ПЛК турбин для условий Кислогубской ПЭС показало:

- при отсутствии ограничения мощности по напору агрегат с ортогональной турбиной дал выигрыш в выработке по сравнению с капсульным по циклу Жибра на 4 - 8% за счет более высокого средневзвешенного кпд;

- при введении ограничения мощности ортогональной турбины по напору, которое достигается за счет снижения кпд (рис. 4), преимущество в выработке переходит к ПЛ турбине.

Таблица 1 - Сравнение по выработке (о. е.) ПЛК и ортогональной турбин в прямом турбинном режиме без ограничения мощности по напору

	ПЛК			ОГА
Х-ка прилива	Оптимальный по Жибра	На линии максим мощности	На линии максим мощности от ХХ
Сизигия	0.98	0.94	0.88	1.00
Средний	0.96	0.93	0.88	1.00
Квадратура	0.92	0.89	0.78	1.00

а)

б)

Рис. 4. Области использования в прямом (а) и обратном (б) режимах характеристик ортогональной турбины и ПЛ турбины по оптимальному циклу Жибра

Выполнена разработка диспетчерских правил оптимизированных по выработке режимов работы ПЭС с ортогональными турбинами. Варьируемыми параметрами были односторонний или двухсторонний циклы работы, постоянная или переменная частота вращения, значения напоров пуска и останова.

Результаты водно-энергетических расчетов представлялись в виде зависимостей выработки, а также стока через ПЭС, средневзвешенных напора ПЭС и кпд от напоров пуска и останова для периодов сизигии, среднего прилива и квадратуры. В табл.1 представлены в относительном виде параметры, дающие максимум выработки в условиях различной величины прилива.

Таблица 2. Относительные параметры Кислогубской ПЭС в характерные периоды в зависимости от режима эксплуатации

Двойная амплитуда прилива, М	Односторонний режим работы		Двухсторонний режим работы
Двойная амплитуда прилива, М	Постоянная частота Вращения	Переменная частота вращения	Постоянная частота вращения	Переменная частота вращения
Суточная выработка (о.е.)
4,0	0,82	1,0	0,57	1
3,0	0,45	0,6	0,22	0.6
2,0	0,12	0,3	0	0.28
Суточный сток через турбины ПЭС (о.е.)
4,0	0,78	0,91	0,64	0,96
3,0	0,55	0,7	0,37	0,79
2,0	0,35	0,55	0	0,6
Средне-взвешенный напор (о.е.)
4,0	0,93	0,9	0,87	0,77
3,0	0,79	0,7	0,71	0,6
2,0	0,56	0,45	0	0,42
Средневзвешенный кпд (о.е.)
4,0	0,92	1	0,78	0,93
3,0	0,82	0,98	0,53	0,87
2,0	0,51	0,95	0	0,78

Выполнена оценка влияния на выработку режима работы ортогональной турбины с переменной или постоянной частотой вращения. Переход на переменную частоту вращения дал рост выработки до 18% и до 43% соответственно при одностороннем и двухстооннем циклах ПЭС; прирост выработки достигнут за счет роста средневзвешенного кпд турбины и стока через ПЭС.

Дана оценка влияния на выработку, работы ПЭС в одностороннем или двухстороннем циклах. Показано, что:

- для ПЭС с ортогональными турбинами большую выработку дает двухсторонний режим работы; исключением являются случаи существенного влияния кпд турбины;

- при увеличении кпд с ростом напора преимущество имеет односторонний режим с более высокими значениями средневзвешенного напора и кпд;

- работа с переменной частотой вращения в большей степени влияет выработку двухстороннего режима, чем одностороннего.

Для турбин ПЭС важным фактором, оптимизирующим работу, являются напоры пуска и останова. На рис. 5 приведены полученные в результате оптимизации зависимости, связывающие между собой двойную амплитуду прилива и характеристики соответствующего диспетчерского режима работы ПЭС (максимальный статический напор, пусковой напор и напор останова), обеспечивающие выработку ПЭС с отклонением от максимальной не более, чем на 1%.

Полученные зависимости использованы на Кислогубской ПЭС и в проекте Северной ПЭС при назначении оптимальных условий эксплуатации турбин в зависимости от величины прилива. За счет оптимизации напоров пуска и останова месячная выработка Северной ПЭС выросла на 5 %, Кислогубской ПЭС – на 10%.

односторонний двухсторонний

Рис. 5. Анализирующие графики напоров пуска и останова Северной ПЭС в зависимости от величины прилива; 1 - двойная амплитуда прилива, 2 - максимальный статический напор, 3 - диапазон оптимизированных напоров пуска, 4 - диапазон оптимизированных напоров останова

В четвертой главе представлены результаты исследований режимов энергокомплексов, в состав которых входят ПЭС, а также регулирующие ГЭС и ГАЭС.

Выполнен анализ результатов водно-энергетических расчетов по ряду створов на побережье Баренцева и Белого морей для годичного периода. Основное внимание уделено оценке неравномерности энергоотдачи ПЭС и определению параметров компенсирующих электростанций. На рис 6. дана количественная оценка суточной, месячной и годовой неравномерности, характеризуемая отношением соответственно максимальных текущих значений мощности, среднесуточных мощностей и среднемесячных мощностей к среднегодовому значению. Показано, как связаны суточная выработка ПЭС и энергетический эквивалент полезного объема ГАЭС, месячная выработка ПЭС и выработка регулирующей электростанции, компенсирующей месячную и годовую неравномерность.

Рис. 6. Параметры суточной, месячной и годовой неравномерности энергоотдачи ПЭС (а) и параметры компенсирующих электростанций (б)

Когда речь идет о крупных ПЭС типа Мезенской или Тугурской, в компенсации могут участвовать несколько ГЭС и ГАЭС. Специальный анализ и комплекс водно-энергетических расчетов показал, как обеспечивается компенсация неравномерности Мезенской ПЭС 8000 МВт за счет трех Нижневолжских ГЭС суммарной мощностью 5600 МВт и Переволокской ГАЭС. При анализе использованы следующие предпосылки:

- в течение года обеспечивается базисный итоговый режим работы энергокомплекса ПЭС-ГЭС-ГАЭС;

- режимы работы Нижневолжских ГЭС определены через среднемесячные мощности с учетом ограничений по минимальной базисной мощности 1080 МВт и максимальной мощности 5600 МВт;

- ГАЭС осуществляет месячное и суточное регулирование, ее параметры определены расчетом по месячному балансу закачанного и сработанного объемов воды.

В табл. 3 представлены сводные результаты расчета по выработке электроэнергии станциями энергокомплекса для характерных периодов года.

Таблица 3 - Выработка* по энергокомплексу за периоды года

Мощность ГЭС по водотоку	Кол-во месяцев	Выработка ПЭС	Выработка ГЭС	Выработка ГАЭС	Потребление ГАЭС	Выработка комплекса
МВт		МВт ч	МВт ч	МВт ч	МВт ч	МВт ч
2000	3	9 712 612	4 412 587	1 411 232	-1 885 332	13 651 098
2500	3	9 712 612	5 400 000	1 003 231	-1 340 419	14 775 423
3000	4	12 950 149	8 640 000	1 509 371	-2 000 541	21 098 979
4850	2	0	6 984 000	2 289 600	0	9 273 600
ЗА ГОД		32 375 373	25 436 587	6 213 433	-5 226 292	58 799 100
В % от выработки комплекса		55	43	10,6	-8,9	100

В результате получены параметры и режимы работы ГАЭС генераторном режиме 1800 МВт и в насосном режиме - 1950 МВт.

Выполненные расчеты по энергокомплексу в составе ПЭС, ГЭС и ГАЭС показали:

- высокая доля выработки ГЭС (82% от выработки ПЭС) обеспечивает выравнивание не только суточной, но и месячной неравномерности ПЭС;

- номинальная мощность турбинного и насосного режимов ГАЭС определяются по работке энергокомплекса в период сизигии при минимальной среднемесячной мощности ГЭС.

Экономические расчеты по выбору параметров ПЭС и компенсирующей ГАЭС сводятся к сопоставлению вариантов их параметров по критериям экономической (общественной) эффективности. Обязательному учету подлежат внешние (сопутствующие) затраты, включающие стоимость схемы выдачи мощности ПЭС, а также ГАЭС, выравнивающей суточную неравномерность ПЭС. Водно-энергетические расчеты дают исходную информацию в виде зависимостей годовой выработки, установленной и гарантированной мощности от количества агрегатов и расчетного напора турбин (рис. 7).

В работе показано существенное влияние расчетного напора турбин на параметры ПЭС и неравномерность энергоотдачи. Уменьшение расчетного напора значительно снижает установленную мощность на фоне незначительного уменьшения выработки (рис. 7,а). При этом увеличивается обеспеченность максимальных мощностей ПЭС, уменьшается суточная и месячная неравномерность выработки (рис. 7,б), сокращаются затраты на схему выдачи ПЭС и компенсирующую ГАЭС. Для проектов Мезенской и Тугурской ПЭС с ортогональными турбинами по критериям экономической (общественной) эффективности обосновано значение расчетного напора, равное 2,5 м.

а) б)

Рис.7. Меенская ПЭС а – влияние расчетного напора на мощность и выра-ботку б - кривые обеспеченности мощностей при различных значениях расчетного напора

Таблица 4. Параметры энергокомплекса ПЭС-ГАЭС для вариантов установленной мощности Мезенской ПЭС

Показатели	Установленная мощность ПЭС, МВт
	4000	6000	8000			10000
Годовая выработка ПЭС, млрд. кВтч - на шинах ПЭС - за вычетом потерь в ЛЭП
	20,4 18,0	30,4 26,7		39,5 34,7	47,0 41,4
- полезная выработка за вычетом потерь на ГАЭС	16,2	24,1		31,3	37,3
Установленная мощность ГАЭС, МВт	2220	3340		4440	5440
Гарантированная мощность ПЭС-ГАЭС, МВт	1450	2120		2650	3030

Обобщение результатов расчетов параметров регулирующей ГАЭС для двухстороннего режима Мезенской ПЭС (см. табл. 4), а также ряда створов на побережье Баренцева и Белого морей показали:

- необходимая для полного выравнивания энергоотдачи ПЭС в суточном разрезе установленная (генераторная) мощность целевой ГАЭС составляет 45-55% установленной мощности ПЭС;

- вытесняющая мощность комплекса ПЭС+ГАЭС при работе в базисе графика нагрузки определяется для периода квадратурного прилива и составляет 30-35% установленной мощности ПЭС

- потери на заряд-разряд ГАЭС составляют 8 – 12% от выработки ПЭС.

Г
Работа ПЭС

с пониженной

мощностью
арантированная (вытесняющая) мощность комплекса ПЭС-ГАЭС является важным фактором в экономических расчетах. В условиях энергокомплекса ПЭС-ГАЭС можно повысить гарантированную мощность за счет предложенного режима работы в полупиковой зоне графика нагрузки с плавным изменением времени работы от 24 до 12 часов в сутки по мере уменьшения прилива от сизигийного до квадратурного.

Данный режим совместной работы ПЭС и ГАЭС характеризуется следующими особенностями (рис. 8):

- в течение всего периода, охватывающего как сизигийные, так и квадратурные приливы энергокомплекс обеспечивает постоянное значение вытесняющей мощности, равное установленной мощности компенсирующей ГАЭС;

- на ПЭС имеет место недовыработка электроэнергии за счет работы в ночные часы с пониженной мощностью.

Д

ля оценки эффективности перевода энергокомплекса ПЭС-ГАЭС в полупиковый режим работы проведены специальные водно-энергетические и энерго-экономические расчеты для условий Мезенской ПЭС и Центральной ГАЭС.

В

табл. 5 даны сводные данные по энергетическим показателям энергокомплекса, участвующих в экономических расчетах. Общая выработка энергокомплекса уменьшилась в 1,02 раза, а вытесняющая мощность увеличилась в 1,7 раза. Рост вытесняющей мощности энергокомплекса существенно повысил его экономические показатели.

Рис. 8. Полупиковый режим работы энергокомплекса ПЭС-ГАЭС в период квадратуры

Таблица 5. Сводные данные по энергокомплексу ПЭС - ГАЭС

	Базисный режим	Полупиковый режим
Выработка на шинах ПЭС, млн. кВтч/год	39 460	38 350
Выработка на шинах ГАЭС, млн. кВтч/год	9 130	8 425
Потребление ГАЭС, млн. кВтч/год	12 300	11 858
Полезная выработка комплекса, млн. кВтч/год	31 300	30 515
Установленная мощность комплекса, МВт	4400	4440
Гарантированная мощность комплекса, МВт	2650	4440

В
Работа ПЭС

с пониенной

мощностью
пятой главе выполнен анализ натурных данных по параметрам энергокомплекса в составе ПЭС, ветровой (ВЭУ) и фотоэлектрической (ФЭУ) установок, полученные на площадке Кислогубской ПЭС.

Показано, какая из рассматриваемых установок дает наибольшую неравномерность энергоотдачи в суточном, месячном и годовом разрезах. Определено как совместная комбинация режимов ПЭС, ФЭС и ВЭУ изменяет эту неравномерность и параметры компенсирующих электростанций, обеспечивающих выравнивание неравномерности станцийэнергоотдачи.

Каждый из трех рассмотренных видов возобновляющихся энергоресурсов имеет свои специфические особенности, определяющие его изменчивость. Сопоставимость полученных данных по изменению мощности рассмотренных энергетических установок определяется тем, что все они имеют одинаковое значение номинальной мощности.

На рис. 9 показаны кривые обеспеченности характеризующие годовую, месячную и суточную неравномерность каждой энергоустановки.

Рис. 9. Кривые обеспеченности мощности ПЭС, ВЭУ и ФЭУ

В табл. 7 даны параметры энергокомплекса в составе рассмотренных энергоустановок на основе возобновляющихся видов энергии и регулирующих электростанций, обеспечивающих базисный результирующий режим с постоянной в течение года мощностью.

Анализ изменчивости мощности энергокомплекса при совместной работе ПЭС, ВЭУ и ФЭУ показал, что она меньше, чем у отдельно взятых его составляющих, так как переменные энергоресурсы складываются случайным образом, при этом их максимумы, имеющие малую обеспеченность, практически не совпадают, а область малых и средних значений становится более равномерной. Следствием является то, что необходимая мощность дублирующей электростанции практически не увеличиваются, но значительно сокращаются ее выработка. Для конкретных условий Кислогубского створа при мощности компенсатора втрое меньшей, чем суммарная номинальная мощность составляющих энергоустановок, доля невыровненной энергоотдачи составила 9%, а выработка компенсирующей электростанции сократилась на 20%, по сравнению с выравниванием только неравномерности ПЭС.

Таблица 7. Параметры регулирующих станций, компенсирующих неравномерность энергоотдачи ПЭС и энергокомплекса ПЭС,ВЭУ и ФЭУ

Показатель
Показатель	Для ПЭС	Для ПЭС, ВЭУ и ФЭУ
Номинальная мощность, о.е.	1,0	1,0
Годовая выработка электроэнергии, о.е.	0,83	0,63
Максимальная / минимальная текущая мощность, о.е.	1,0/ 0	1,0/ 0
Выровненная выработка, о.е.	0,88	0,91

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Ортогональные турбины являются новым оборудованием ПЭС, обладающим специфическими особенностями, что потребовало исследований водно-энергетических режимов, включая односторонний и двухсторонний циклы работы, условия пуска и останова, работу с постоянной и переменной частотами вращения, условий неравномерности энергоотдачи и ее компенсации.

2. Разработаны диспетчерские правила оптимального управления режимами ПЭС с ортогональными турбинами с учетом системы ограничений, отвечающих одностороннему и двухстороннему циклам работы ПЭС. Показ ано, что напоры пуска всегда выше напоров останова. Указанные напоры растут с ростом величины прилива, а отклонения от их оптимальных значений не приводят к существенному снижению выработки.

3. Радикальным средством повышения энергетических показателей ортогональной турбины является ее эксплуатация с переменной частотой вращения, в соответствии с комбинаторной зависимостью, оптимизированной по кпд. Переход на переменную частоту вращения позволяет увеличить выработку при одностороннем режиме на 5 … 18%, в двухстороннем – на 30 … 40%. Прирост выработки достигается за счет увеличения стока через ПЭС, повышения средневзвешенного кпд турбины и сокращения времени простоя в режиме выдержки.

4. На ПЭС с ортогональными турбинами двухсторонний режим дает большую выработку, по сравнению с односторонним, за счет увеличения объема стока при меньших средневзвешенных значениях напора и кпд. При этом работа с переменной частотой вращения в большей степени повышает выработку двухстороннего режима по сравнению с односторонним.

5. Работа ПЭС без ограничения мощности по напору приводит к высокой неравномерности суточного изменения мощности в период сизигии. В то же время обеспеченность высоких значений мощности близка к нулю. Ограничить максимальную мощность ПЭС можно уменьшением расчетного напора турбин. В условиях принятого количества и типоразмеров турбин это снижает установленную мощность ПЭС на фоне незначительного уменьшения выработки. При этом растет обеспеченность максимальных мощностей ПЭС, уменьшается суточная и месячная неравномерность выработки, сокращаются затраты на схему выдачи ПЭС и компенсирующую ГАЭС.

6. Для крупной ПЭС должна рассматриваться работа совместно со специально выделенной ГАЭС, обеспечивающей компенсацию суточной неравномерности. При двухсторонних циклах ПЭС доля ГАЭС составляет по турбинной и насосной мощности соответственно 45–50% и 48-55%. Потери на гидроаккумулирование не превышают 10% от выработки ПЭС, энергетический эквивалент полезного объема верхнего бассейна ГАЭС составляет 12-22% от суточной выработки ПЭС.

7. Предложенный полупиковый режим работы энергокомплекса в составе ПЭС и ГАЭС позволяет получить постоянное значение вытесняющей мощности, равное турбинной мощности ГАЭС, и повысить его экономические показатели. Дополнительные потери выработки при реализации такого режима не превышают 2% от выработки ПЭС.

8. Предложенная система критериев позволила выполнить обобщенную оценку суточной, месячной и годовой неравномерности энергоотдачи для ряда створов ПЭС на побережье Баренцева и Белого морей, а также параметров компенсирующих электростанций. Полученные результаты использованы при повышении эффективности эксплуатации Кислогубской ПЭС, а также в процессе проектирования Северной и Мезенской ПЭС.

Публикации по теме диссертации.