2.4.3. Гидроаккумулирующие электростанции (гаэс)

Производство электроэнергии на электрических стан­циях и ее потребление пред­ставляют собой процессы, взаимосвязанные таким обра­зом, что в силу физических закономерностей мощность потребления электроэнергии в любой момент време­ни должна быть равна генерируемой мощности.

Хорошо известно, что крупные тепловые и атомные электростанции должны работать в так называемом базовом режиме, т.е. с постоянной нагрузкой достаточно длительное время. В этом случае они имеют максимальную эффективность. С другой стороны потребляемая нагрузка изменяется в течение суток и недели. График нагрузки некоторого района или города, пред­ставляющий собой изменение во времени суммарной мощ­ности всех потребителей, имеет провалы и максимумы. Число электростанций и их мощность определяются относитель­но непродолжительным максимумом нагрузки потребите­лей. Это приводит к недоиспользованию оборудования и удорожанию энергосистем и увеличению себестоимости электричества. Периодические включения и отключения ТЭС не по­зволяют решить задачу регулирования мощности из-за большой продолжительности этих процессов. Для урегулирования этого противоречия необходимы мобильные регуляторы нагрузки, одним из вариантов которых являются гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС).

Технологическая схема ГАЭС показана на рис. 2.24. Принцип ее действия заключается в следующем. В период спада нагрузки в энергосистеме ГАЭС работает в насосном режиме и перекачивает воду из нижнего бассейна в верхний. При этом она потребляет избыток электрической мощности, тем самым, позволяя КЭС и АЭС работать с постоянной нагрузкой. В периоды максимальных нагрузок ГАЭС переходит в генераторный режим, срабатывая накопленную воду верхнего бассейна. Выдаваемая в этом режиме в сеть электрическая мощность обеспечивает постоянство нагрузки КЭС и АЭС, срезая, как говорят, пики нагрузок.

ГАЭС выполняют в современных энергосистемах роль маневренной мощности, мобильного резерва, способствуют повышению надёжности электроснабжения и экономии органического топлива. Они используются для покрытия пиковой части графиков электрической нагрузки, для участия в регулировании частоты и мощности, для улучшения режимов работы ТЭС и АЭС. В частности, ГАЭС очень хорошо сочетаются по режиму своей работы с ГРЭС и АЭС, которые неэкономично, технически невозможно и бессмысленно останавливать ночью в период значительного спада электрической нагрузки. Избыточная ночная мощность ГРЭС и АЭС как раз и может быть использована для закачивания воды в верхние бассейны ГАЭС.

Условие эффективности использования ГАЭС зависит от соотношения потерь, а именно:

ΔW_ГАЭС < ΔW_{КЭС+АЭС}.

В формуле слева потери ГАЭС, в основном зависящие от ее КПД, справа — сумма потерь на КЭС и АЭС за счет регулирования их нагрузки. Несмотря на то, что КПД ГАЭС невелик (75…82 %) использование ГАЭС получается весьма эффективным.

ГАЭС оказываются наиболее эффективными, когда ее генераторы способны работать в двигательном режиме и дополнительная установка двигателей для насосов не требуется. Это требует внесения существенных поправок в конструкцию турбинного оборудования. Турбины должны работать в реверсивном режиме — чисто турбинном и насосном. При использовании поворотно-лопастных турбин это возможно осуществить соответствующим разворотом лопастей. При использовании радиально-осевых турбин необходимо изменять направление вращения, с соответствующим переключением порядка чередования фаз генератора.

Различают ГАЭС чистого аккумулирования и смешанного типа. У ГАЭС чистого или простого аккумулирования верхний бассейн не имеет притока воды. Работа происходит на одном и том же объеме воды, перекачиваемом из нижнего бассейна и сливаемом в турбинном режиме из верхнего в нижний бассейн. Лишь небольшие потери воды происходят в результате испарения и инфильтрации. У ГАЭС смешанного типа в верхний бассейн имеется приток воды, и станция может работать в турбинном режиме не только за счёт насосной подачи, но и на естественном стоке.

В настоящее время построены и проектируется достаточно мощные ГАЭС: 2400 МВт в ФРГ, 2000 МВт в США, 1200 МВт в России (Загорская ГАЭС) и др.

По этому же принципу работают газоаккумулирующие электростанции. В них рабочим телом является инертный газ, закачиваемый (аккумулируемый) под большим давлением в емкость (обычно, подземные естественные полости). Запасенный таким образом газ работает в газовых турбинах. Наиболее мощная электростанция такого типа построена в США — 220 МВт.