Гидроаккумулирующие (ГАЭС) и приливные электростанции (ПЭС): принципиальные схемы и общая характеристика

• суточного,
• недельного,
• сезонного аккумулирования.

По  схеме основного  гидросилового оборудования:  

1. четырех машинная схема, имеющая отдельные насосный и турбинный агрегаты, т. е. четыре машины (двигатель, насос, турбина и  генератор);
2. трехмашинная схема (двигатель-генератор, насос и турбина);
3. двухмашинная схема (двигатель-генератор и обратимая гидромашина).

ГАЭС предназначены  для работы в составе энергосистемы  совместно с другими гидроэлектростанциями  или совместив с одной-двумя  ТЭС или АЭС. На рисунке показано, что при отсутствии ГЭС или ГАЭС суммарные колебания нагрузок ТЭС и АЭС ( NТЭС +АЭС) энергосистемы достигают 40-50 % максимальной нагрузки (N) и с ростом бытовых нагрузок имеют тенденцию к дополнительному относительному росту.

Работа ГЭС  и ГАЭС в графике суточной нагрузки. 
 

Колебания нагрузок агрегатов ТЭС и АЭС вызывают повышение удельных затрат топлива, ускорение износа и сокращение сроков амортизации их оборудования, увеличение издержек и затрат времени на ремонт. Видно, что покрытие пиковой части графиков суточных нагрузок с помощью ГЭС уменьшает колебания NТЭС +АЭС. За счет работы ГАЭС в турбинном режиме также обеспечивается покрытие пиков графика, а в часы минимальных нагрузок ГАЭС работают в насосном режиме и потребляют энергию ТЭС или АЭС, повышают их загрузку и тем самым дополнительно уменьшают колебания нагрузки NТЭС +АЭС. Это улучшает условия эксплуатации ТЭС и АЭС и снижает суммарные затраты топлива в энергосистеме.  

Исключительной  особенностью ГАЭС, которой не обладает никакой другой тип электростанций, является именно повышение нагрузок ТЭС и АЭС в часы минимумов ("провалов") нагрузок. ГАЭС могут быть использованы также в полупиковой части графика суточных нагрузок, если верхняя, самая острая часть пика графика обеспечивается за счет работы каких-либо других электростанций. В самой верхней части графика использование мощности ГАЭС в течение отдельных суток имеет место примерно в течение 1,5-3 ч, в полупиковой части графика 5-8 ч (соответственно употребляется термин: трехчасовая зона, пяти-, восьмичасовая зона и т. д.).  

        Во многих случаях при решении  вопроса о строительстве АЭС  возможность ее аварийно-резервного  использования является решающим  фактором. Опыт показал, что при  эксплуатации энергосистем не  удается полностью устранить  возникновение аварийных ситуаций, приводящих к нарушениям и даже прекращению энергоснабжения. В зарубежных энергосистемах предусматриваются дополнительные запасы воды в верхних бассейнах ГАЭС, рассчитанные на аварийное кратковременное использование ГАЭС в течение 1,5-3 ч. При возникновении аварийных ситуаций ГАЭС включается на полную мощность в течение нескольких десятков секунд и обеспечивает непрерывность энергоснабжения и возможность проведения работ по устранению последствий аварии. Очевидно, что такое использование ГАЭС имеет очень большое значение, так как устраняет необходимость создания других резервных пиковых электростанций.

        Из приведенных схем может  сложиться впечатление, что строительство  ГАЭС осуществимо только на  местности, обладающей некоторым  перепадом высот, необходимым для для создания напора. Однако это не так. ГАЭС сооружают и на совершенно ровной территории, размещая машинный зал станции и нижний бассейн под землей, например, как изображено на следующем рисунке: 
 
 
 

ГАЭС с подземными машинным залом и нижним бассейном. 

Важная роль, которую играют ГАЭС в энергосистемах, является причиной быстрого роста количества и мощности таких станций. Во второй половине 70-х годов в 30 странах  мира насчитывалось в эксплуатации и строительстве около 250 ГАЭС суммарной  мощностью более 68 млн. кВт. По имеющимся данным, к 1990 г. мощность всех ГАЭС в мире достигнет примерно 100 млн. кВт при их доле в энергосистемах до 5,6 % в США и 4 % в Западной Европе.

        Единичные мощности построенных  и строящихся ГАЭС достигают  1500-2000 МВт, проектируются ГАЭС мощностью 3000- 3500 МВт. Большинство ГАЭС используют напоры 100-300 м отдельных случаях 800-900 м, а для ГАЭС с подземными бассейнами напоры могут достигать 1200-1500 м. 

     Приливные электростанции. 

     Веками  люди размышляли над причиной морских приливов и отливов. Сегодня мы достоверно знаем, что могучее природное явление – ритмичное движение морских вод вызывают силы притяжения Луны и Солнца. Приливные волны таят в себе огромный энергетический потенциал – 3 млрд. кВт.

     Идея  использования энергии приливов появилась у наших предков добрую тысячу лет назад. Правда, строили они тогда не ПЭС, а приливные мельницы. Одна из таких мельниц, упоминаемая еще в документах 1086 года, сохранилась в местечке Илинг, на юге Англии. В России первая приливная мельница появилась на Беломорье в XVII веке.

     В ХХ веке ученые задумались над использованием потенциала приливов в электроэнергетике. Достоинства приливной энергии  неоспоримы. Приливные станции можно  строить в труднодоступных местах в прибрежной зоне, они не загрязняют атмосферу вредными выбросами в отличие от тепловых станций, не затапливают земель в отличие от гидроэлектростанций и не представляют потенциальной опасности в отличие от атомных станций. 

     Приливная электростанция (ПЭС) – электростанция, преобразующая энергию морских приливов в электрическую. ПЭС использует перепад уровней «полной» и «малой» воды во время прилива и отлива. Перекрыв плотиной, залив или устье впадающей с море (океан) реки (образовав водоём, называют бассейном ПЭС), можно при достаточно высокой амплитуде прилива (> 4 м) создать напор, достаточный для вращения гидротурбин и соединённых с ними гидрогенераторов, размещенных в теле плотины. При одном бассейне и правильном полусуточном цикле приливов ПЭС может вырабатывать электроэнергию непрерывно в течение 4—5 ч с перерывами соответственно 2—1 ч четырежды за сутки (такая ПЭС называется однобассейновой двустороннего действия).  
 
 
 

     Принцип работы ПЭС. 

     Принцип работы ПЭС рассмотрим на наиболее простой схеме, когда бассейн  отгорожен от моря плотиной, имеющей водопропускные отверстия, и зданием ПЭС, в котором установлены турбины, способные работать только при течении воды бассейна в море:

     Схемы приливных электростанций с односторонней (а) и с двусторонней работой (б). 

      На следующем рисунке показано изменение уровня моря в результате приливов и отливов, имеющее характер, близкий к синусоиде. 

     Циклы работы однобассейновой ПЭС одностороннего действия.

        В момент времени, соответствующий  точке А, водопропускные отверстия  открываются, вода из моря поступает в бассейн, турбины останавливаются. В точке Б, когда отлив уже начался, уровни воды в море и в бассейне сравниваются. В этот момент затворы водопропускных отверстий закрываются, поэтому уровень в бассейне сохраняется неизменным. Турбины ПЭС могут быть пущены в момент времени, соответствующий точке В, когда благодаря понижению уровня моря будет достигнут напор Hмин . В период времени В-Г агрегаты ПЭС работают, уровень в бассейне постепенно понижается, водопропускные отверстия остаются закрытыми. Когда напор опять понизится до технического минимума (точка Г), турбины останавливаются, уровень воды в бассейне опять сохраняется постоянным. В точке А1 уровень воды в бассейне вновь сравнивается с уровнем моря и работа ПЭС продолжается в той же последовательности.

             Рассмотренная ПЭС получила название  однобассейновой ПЭС одностороннего  действия, рабочий процесс которой  состоит из следующих характерных  циклов: А-Б-наполнение; Б-В ожидание; В-Г-выработка электроэнергии; Г-А1-ожидание.

             Существенным недостатком ПЭС  такого типа является то, что  выработка электроэнергии происходит  лишь в течение ограниченного  времени и период прилива не  используется для ее производства.

             Этого недостатка лишены однобассейновые  ПЭС двустороннего действия, на которых выработка электрической энергии возможна как при пропуске воды из бассейна в море (отлив), так и в обратном направлении (прилив).

     Увеличение  выработки электроэнергии на ПЭС  также может быть достигнуто за счет насосной подкачки воды в определенные циклы работы станции из моря в бассейн и из бассейна в море. (Разумеется, реализация этой идеи возможна только при работе ПЭС в одной энергосистеме с другими источниками электроэнергии.

             Включение в состав сооружений  ПЭС специальных насосных станций неэкономично, и поэтому насосная подкачка возможна лишь в том случае, если агрегаты ПЭС являются не только двусторонними, но и обратимыми, т. е. допускают работу как в турбинном, так и в насосном режиме. 
 
 

     Появление и развитие ПЭС. 

     В 1966 г. во Франции на реке Ранс построена  первая в мире приливная электростанция. Система использует двадцать четыре 10- мегаваттных турбины, обладает проектной  мощностью 240 МВт и ежегодно производит около 50 ГВт*ч электроэнергии. Для  этой станции разработан приливный капсульный агрегат, позволяющий осуществлять три прямых и три обратных режима работы: как генератор, как насос и как водопропускное отверстие, что обеспечивает эффективную эксплуатацию ПЭС. По оценкам специалистов, ПЭС Ранс экономически оправдана. Годовые издержки эксплуатации ниже, чем на гидроэлектростанциях, и составляют 4% капитальных вложений. Другая крупная приливная электростанция мощностью 20 МВт расположена в Аннаполис-Ройал, в заливе Фанди (провинция Новая Шотландия, Канада). Она была официально открыта в сентябре 1984 г. Система смонтирована на о. Хогс в устье р. Аннаполис на основе уже существующей дамбы, защищающей плодородные земли от затопления морской водой в период штормов. Амплитуда прилива колеблется от 4,4 до 8,7 м.

     В 1968 г. на побережье Баренцева моря в Кислой губе сооружена первая в нашей стране опытно-промышленная ПЭС. В здании электростанции размещено 2 гидроагрегата мощностью 400 кВт. Основоположниками этого проекта были советские ученые Лев Бернштейн и Игорь Усачев. Впервые в мировой практике гидротехнического строительства станция была возведена наплавным способом, который потом широко стал использоваться при строительстве подводных туннелей, нефтегазовых платформ, прибрежных ГЭС, ТЭС, АЭС и защитных гидротехнических комплексов.

     В отличие от гидроэнергии рек, средняя  величина приливной энергии мало меняется от сезона к сезону, что  позволяет приливным электростанциям  более равномерно обеспечивать энергией промышленные предприятия.

     За  рубежом разрабатываются проекты приливных электростанций в заливе Фанди (Канада) и в устье реки Северн (Англия) мощностью соответственно в 4 и 10 млн киловатт, работают небольшие приливные электростанции в Китае.

     Пока  энергия приливных электростанций обходится дороже энергии тепловых электростанций, но при более рациональном осуществлении строительства гидросооружений этих станций стоимость вырабатываемой ими энергии вполне можно снизить до стоимости энергии речных электростанций. Поскольку запасы приливной энергии планеты значительно превосходят полную величину гидроэнергии рек, можно полагать, что приливная энергия будет играть заметную роль в дальнейшем прогрессе человеческого общества.

     Мировое сообщество предполагает лидирующее использование  в XXI веке экологически чистой и возобновляемой энергии морских приливов. Ее запасы могут обеспечить до 15 % современного энергопотребления. 

     Преимущества  и недостатки.

     33-летний  опыт эксплуатации первых в  мире ПЭС - Ранс во Франции  и Кислогубской в России - доказали, что приливные электростанции:

• устойчиво работают в энергосистемах как в базе так и в пике графика нагрузок при гарантированной постоянной месячной выработке электроэнергии
• не загрязняют атмосферу вредными выбросами в отличие от тепловых станций
• не затапливают земель в отличие от гидроэлектростанций
• не представляют потенциальной опасности в отличие от атомных станций
• капитальные вложения на сооружения ПЭС не превышают затрат на ГЭС благодаря апробированному в России наплавному способу строительства (без перемычек) и применению нового технологичного ортогонального гидроагрегата
• стоимость электроэнергии самая дешевая в энергосистеме (доказано за 35 лет на ПЭС Ранс - Франция).

В России выполнены  проекты Тугурской ПЭС мощностью 8,0 ГВт и Пенжинской ПЭС мощностью 87 ГВт на Охотском море, энергия которых может быть передана в энергодефицитные районы Юго-Восточной Азии. На Белом море проектируется Мезенская ПЭС мощностью 11,4 ГВт, энергию которой предполагается направить в Западную Европу по объединенной энергосистеме " Восток-Запад". Наплавная "российская" технология строительства ПЭС позволяет на треть снизить капитальные затраты по сравнению с классическим способом строительства гидротехнических сооружений за перемычками.