Кольская энергосистема: состояние и перспективы развития

ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ И ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ

УДК 629.9

В.А.Минин

КОЛЬСКАЯ ЭНЕРГОСИСТЕМА: СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ Аннотация

Рассмотрено современное состояние Кольской электроэнергетической системы. Показаны основные показатели работы действующих электростанций (Кольской АЭС, Апатитской и Мурманской ТЭЦ, 17 гидроэлектростанций). Дана характеристика электросетевого хозяйства энергосистемы. Представлены направления возможного развития энергосистемы на перспективу.

Ключевые слова:

Кольская энергосистема, АЭС, ТЭЦ, ГЭС, электросетевое хозяйство, перспективы развития.

V.A.Minin

KOLA ENERGY SYSTEM: STATE AND PROSPECTS

Abstract

The article deals with the present state of the Kola power system. The basic performance of existing power plants (NPPs Kola, Murmansk and Apatity CHP, 17 hydropower plants) is given. Electric grid power system characterization is presented. The directions of possible power system development are predicted.

Keywords:

Ко1а power system, nuclear power plants, power plants, hydropower plants, electric grids, development prospects.

Кольская электроэнергетическая система находится на крайнем северо-западе России, обеспечивает электроэнергией Мурманскую область и частично Карелию. Энергосистема уникальна по своей структуре: в ее составе работают 17 гидроэлектростанций, 2 тепловых электростанции, Кольская атомная электростанция и единственная в России приливная электростанция. Суммарная установленная мощность энергосистемы составляет 3633 МВт. Высоковольтная сеть (рис. 1) объединяет все электростанции для работы под единым диспетчерским управлением. Кольская энергосистема связана по ЛЭП с Карелией и через нее с ОЭС Северо-Запада России. Имеются также выходы в энергосистемы Норвегии и Финляндии.

По состоянию на начало 2015 года на территории Мурманской области находятся в эксплуатации следующие субъекты

электроэнергетики, осуществляющие производство электроэнергии: ОАО «Концерн Росэнергоатом», ОАО «ТГК-1» (филиал Кольский),

ОАО «Ленинградская ГАЭС» (в части административно подчиненной к ней Кислогубской приливной электростанции). Основным производителем электроэнергии в Мурманской области является Кольская атомная электростанция, которая входит в ОАО «Концерн Росэнергоатом» и имеет в своем составе четыре энергоблока по 440 МВт. Суммарная электрическая мощность станции составляет 1760 МВт, годовая выработка энергии около 10 млрд кВтч.

7

Рис.1. Схема электрических сетей Кольской энергосистемы и каскады ГЭС:

I-III - Нивский; IV-VIII - Пазский; IX-XI - Ковдинский; XII-XIII - Туломский; XV-XVI - Серебрянский; XVII-XVIII - Териберский каскад

Динамика выработки и потребления электрической энергии в Мурманской области приведена в табл. 1. Видно, что за последние годы производство электроэнергии довольно стабильно, отклонение от среднего не превышает 5%. Столь же стабильными остаются внутреннее потребление области и экспорт энергии за пределы региона.

Тепловые электростанции энергосистемы. На территории Мурманской области расположены две ТЭЦ, которые входят в состав филиала «Кольский» ОАО «ТГК-1». Это, в первую очередь, Апатитская ТЭЦ, работающая на угле. Ее электрическая мощность составляет 266 МВт (табл. 2), установленная тепловая мощность - 590 Гкал/ч. В 2013 году выработка электроэнергии на этой ТЭЦ составила 0.373 млрд кВтч, отпуск тепловой энергии - 1.170 млн Гкал. Вторым подобным источником электрической энергии является Мурманская ТЭЦ. Она также входит в состав филиала «Кольский» ОАО «ТГК-1» и служит основным источником теплоснабжения города Мурманска. Установленная электрическая мощность Мурманской ТЭЦ составляет 12 МВт, тепловая мощность - 1111 Гкал/ч. Используемое топливо - мазут.

Таблица 1

Показатели производства, потребления и экспорта электроэнергии в Мурманской области, млрд кВтч

Показатель Год

2008 2009 2010 2011 2012 2013

Производство электроэнергии 17.9 18.0 18.6 18.3 17.9 17.0

Потребление 13.0 13.1 13.3 13.1 13.2 12.3

Экспорт 4.9 4.9 5.3 5.2 4.7 4.7

8

Таблица 2

Основные технико-экономические показатели тепловых электростанций

Мурманской области

Наименование ТЭС Установленная мощность, МВт Единичная мощность агрегатов х число агрегатов Среднегодовая выработка эл. энергии, млн кВт-ч

Апатитская ТЭЦ 266 36х1, 28х2, 21х1, 85х1, 68х1 373*

Мурманская ТЭЦ 12 6х1, 6х1 16*

Кольская АЭС 1760 220х 8 10285**

Итого 2038 - 10674

* - данные 2013 года.

- среднее за 2009-2013 годы.

До недавнего времени в состав Кольской энергосистемы входили еще три ведомственных ТЭЦ: в Ковдоре (8 МВт), Мончегорске

(18 МВт) и Заполярном (18 МВт). В последние годы эти ТЭЦ в связи с избыточностью мощностей в энергосистеме неуклонно снижали объемы выработки (рис. 2). В 2008 году в Мончегорске и Заполярном, а в 2013 году и в Ковдоре местные ТЭЦ прекратили вырабатывать электроэнергию и фактически перешли в разряд ведомственных котельных.

Рис.2. Годовая выработка электрической энергии блок-станциями Кольской энергосистемы

Основные технико-экономические параметры действующих тепловых электростанций области сведены в табл. 3, из которой видно, что самым значимым источником электрической энергии в регионе является Кольская АЭС. В 2013 году ее доля в балансе мощности Кольской энергосистемы составила 48%, а в балансе выработки 60%.

9

Начиная с 1990-х годов, когда страна и регион перешли на новую систему хозяйствования и рыночные экономические отношения, в Мурманской области наблюдалось снижение объемов промышленного производства, особенно в добывающих отраслях. Из-за снижения энергопотребления появился избыток установленных мощностей. Это, в свою очередь, привело к систематической недогрузке Кольской АЭС, выполняющей в энергосистеме функцию замыкающей электростанции.

Гидроэлектростанции. В состав Кольской энергосистемы входят 17 гидроэлектростанций, расположенных на реках Нива, Паз, Ковда, Тулома, Воронья, Териберка (табл. 3). Они объединены в 6 каскадов. Суммарная установленная мощность ГЭС составляет 1594 МВт или около 44% от мощности энергосистемы. Доля гидроэлектростанций в годовой выработке энергосистемы не постоянна и зависит от водности года. В среднем она составляет около 35-40%.

Большинство ГЭС Кольской энергосистемы являются станциями плотинно-деривационного типа. Семь гидростанций построены с безнапорной деривацией каналами разной длины. Это станции Нива-1, Нива-2, Княжегубская, Иовская, Кумская, Серебрянская-1 и Серебрянская-2. Три подземные ГЭС имеют тоннельную напорную деривацию: Нива-3, Верхне-Туломская и Борисоглебская. Шесть ГЭС являются низконапорными станциями приплотинного типа: Кайтакоски, Янискоски, Хевоскоски, Нижне-Туломская и Нижне-Териберская. Одна станция плотинно-деривационного типа с напорной деривацией трубопровода - Верхне-Териберская ГЭС. Основные энергетические показатели перечисленных ГЭС приведены в табл. 3.

Гидроэлектростанции Кольской энергосистемы в основном являются низко- и средненапорными и оборудованы, как правило, турбинами поворотно-лопастного типа. Только три ГЭС имеют напор выше семидесяти метров: ГЭС Нива-3, Серебрянская ГЭС-1 и Верхне-Териберская ГЭС.

Электросетевое хозяйство. Энергосистема Мурманской области имеет электрические связи с энергосистемой Карелии (две воздушные линии 330 кВ от подстанции Княжегубской ГЭС до подстанции Лоухи и воздушная линия 110 кВ Княжегубская ГЭС 11 - подстанция Лоухи), с энергосистемами Финляндии (ВЛ 110 кВ ГЭС Кайтакоски - ПС Ивало) и Норвегии (ВЛ 150 кВ Борисоглебская ГЭС - ПС Киркенес). Крупнейшей распределительной сетевой компанией Мурманской области является филиал ОАО «МРСК Северо-Запада» «Колэнерго». Суммарная протяженность воздушных линий напряжением 110-150 кВ составляет 4686 км.

Системообразующие воздушные линии энергосистемы Мурманской области выполнены на напряжение 330 кВ. По ним обеспечивается передача мощности от Кольской АЭС (1760 МВт) в центральные и северные районы области, а также на юг в энергосистему Карелии. Сети 330 кВ Кольской энергосистемы принадлежат Предприятию магистральных электрических сетей.

В настоящее время переток мощности за пределы Мурманской области в направлении Республики Карелия составляет около 600 МВт. С целью повышения пропускной способности и надежности работы сети 330 кВ на транзите Колэнерго - Карелэнерго - Ленэнерго в настоящее время по заданию МЭС Северо-Запада выполнен проект строительства второй ВЛ 330 кВ Кольская АЭС - ПС 330 кВ Княжегубская - ПС 330 кВ Лоухи - ПС 330 кВ Путкинская - ПС 330 кВ Онда - ПС 330 кВ Петрозаводская, а также ПС 330 кВ Петрозаводская - ПС 330 кВ Сясь - ПС 330 кВ Тихвин.

10

Основные показатели действующих гидроэлектростанций Кольской энергосистемы

Таблица 3

Название ГЭС Река Установленная мощность ГЭС, МВт Количество турбин Расчетный напор, м Расчетный расход, м3/с Вид регулирования Среднегодовая выработка энергии, млн кВт-ч

Нива-1 Нива 26.0 2 11.5 276 Многолетнее 129

Нива-2 Тоже 60.0 4 36.0 200 Недельное 410

Нива-3 » 155.5 4 74.0 250 Суточное 850

Кайтакоски Паз 11.2 2 7.0 180 Многолетнее 70

Янискоски Тоже 30.5 2 21.5 166 Суточное 210

Раякоски » 43.2 3 20.5 255 Тоже 220

Хевоскоски » 47.0 2 16.8 325 » 213

Борисоглебская » 56.0 2 19.3 348 » 275

Кумекая Кума 80.0 2 32.0 350 Многолетнее 346

Иовская Иова 96.0 2 36.0 350 Сезонное 536

Княжегубская Ковда 152.0 4 34.0 460 То же 706

Верхне-Туломская Тулома 268.0 4 58.5 480 Многолетнее 800

Нижне-Туломская Тоже 57.2 4 17.5 360 Суточное 250

Серебрянская-1 Воронья 204.9 3 75.0 303 Многолетнее 550

Серебрянская-2 Тоже 150.0 3 62.5 276 Сезонное 519

Верхне-Т ериберская Териберка 130.0 1 111.0 133 Тоже 236

Нижне-Териберская Тоже 26.5 1 21.4 139 » 54

Итого: - 1594 - - - - 6374

В 2006-2007 годах выполнено строительство второй ВЛ 330 кВ на участке Кольская АЭС - ПС Княжегубская длиной 79 км и новой ПС 330/150 кВ Княжегубская с автотрансформатором мощностью 250 МВ А. В 2009 году завершено строительство и введена в эксплуатацию вторая ВЛ 330 кВ ПС Княжегубская - ПС 330 кВ Лоухи (106.8 км) и новая ПС 330 кВ Лоухи (АТ 330/110 кВ, 2х125 МВА). К 20l6 году намечается ввод второй ВЛ 330 кВ транзита Колэнерго - Карелэнерго - Ленэнерго от ПС Лоухи до ПС Петрозаводская.

Распределительные сети Кольской энергосистемы на напряжение 35-110-150 кВ обеспечивают электроснабжение всех потребителей Мурманской области, включая крупные промышленные объединения, объекты Октябрьской железной дороги, города, поселки, отдельных сельскохозяйственных потребителей.

Перспективы развития электроэнергетического комплекса Мурманской области. Они связаны, в первую очередь, с развитием атомной энергетики. Существенное значение может иметь дальнейшее развитие гидроэнергетики, а также возможная газификация региона в случае начала освоения Штокмановского газоконденсатного месторождения на шельфе Баренцева моря. Нельзя сбрасывать со счетов и возможности развития возобновляемой энергетики (малой гидроэнергетики, ветроэнергетики и приливной энергетики).

Развитие атомной энергетики на территории области связывается с продлением на 15 лет срока эксплуатации энергоблоков Кольской АЭС. Кроме того, на АЭС разработаны мероприятия по возможному повышению мощности этих энергоблоков с 440 до 470 МВт. Продленные сроки эксплуатации первого и второго блоков КАЭС заканчиваются в 2018 и 2019 годах. Решения о выводе их из эксплуатации в намеченные сроки пока не принималось. Более того, в 2013 году был рассмотрен вопрос о возможном повторном продлении сроков их эксплуатации еще на 15 лет. Это означает, что в этом случае конечный срок эксплуатации блоков достигнет 60 лет. Можно отметить, что именно такой срок эксплуатации блоков АЭС закладывается и в России, и за рубежом применительно к вновь проектируемым и строящимся АЭС. Вполне возможно, что предложение о повторном продлении первых двух блоков будет принято окончательно. По крайней мере, вопрос о начале строительства Кольской АЭС-2 как альтернативе продления сроков эксплуатации в практическую плоскость пока не ставился.

Что касается гидроэнергетики, то следует отметить, что наиболее эффективные гидроресурсы Мурманской области уже освоены (58%). Имеющиеся проекты сооружения ГЭС на реках восточной части Кольского полуострова, разработанные в 1980-х годах, пока не реализуются из экологических соображений (возможного негативного воздействия на окружающую среду). На сегодня развитие гидроэнергетики в Мурманской области компания «ТГК-1» связывает с поддержкой на должном техническом уровне функционирования всех действующих ГЭС.

В Мурманской области может получить развитие малая гидроэнергетика [1, 2]. В регионе имеются благоприятные створы как для сооружения системных малых ГЭС, работающих в составе энергосистемы, так и автономных малых ГЭС, работающих в интересах удаленных децентрализованных потребителей. За счет сооружения 11 системных ГЭС на реках Пиренга, Тумча, Умба, Лотта, Ура, Рында, Титовка и Большая Оленка установленная мощность гидроэлектростанций Кольской энергосистемы может быть увеличена на 67 МВт, а выработка - на 320 млн кВт ч. За счет строительства малых

12

автономных ГЭС на Ельреке и Чаваньге эти показатели могут быть дополнительно подняты соответственно на 1.7 МВт и 8 млн кВтч.

Кольский полуостров располагает огромным потенциалом ветровой энергии, сосредоточенным главным образом в прибрежных районах Баренцева и Белого морей [3]. Здесь может получить развитие как системная, так и автономная ветроэнергетика [4]. Системной ветроэнергетике (сооружению ветропарков) может быть положено начало на пяти первоочередных площадках, выбранных вблизи северного побережья Кольского полуострова. Все они находятся сравнительно недалеко от гидроэлектростанций, способных компенсировать непостоянство ветра, и это облегчит вписывание энергии от ветропарков в график электрической нагрузки энергосистемы. Мощность ветропарков может составить: 10 МВт на площадке вблизи пос. Лодейное, 10-15 МВт на берегу Верхне-Териберского водохранилища, 50 МВт - около Серебрянской ГЭС-2, 100 МВт - в районе Лиинахамари на крайнем северо-западе региона, 200 МВт - на площадке вблизи 81-го км автодороги Мурманск - Териберка (развилка на Туманный). Суммарная мощность этих ветропарков составит около 375 МВт, годовая выработка энергии - свыше 1 млрд кВтч.

В связи с вышесказанным представляет интерес характеристика водохранилищ ГЭС Мурманской области с точки зрения их использования в интересах ветроэнергетики. У пяти из шести каскадов ГЭС АО «Колэнерго» верхнее водохранилище обладает емкостью, достаточной для ведения многолетнего регулирования (табл. 4).

Туломский каскад, состоящий из двух ГЭС, обладает вторым по полезной емкости водохранилищем (табл. 4). К числу других положительных качеств этого каскада относятся: высокий напор

Верхне-Туломской ГЭС - 55 м, близость к промышленным узлам,

наличие транспортной и строительной инфраструктуры. При проведении расчетов, направленных на выявление перспектив совместной эксплуатации крупных парков ВЭУ и ГЭС, Туломское водохранилище может рассматриваться как один из крупнейших резервуаров

для аккумулирования гидроэнергии на Кольском полуострове, обладающих достаточно высокой энергетической эффективностью.

Весьма благоприятными возможностями для аккумулирования

энергии характеризуются водохранилища Серебрянских

и Териберских ГЭС. Водохранилище Верхне-Териберской ГЭС сезонного регулирования расположено в 13 км от моря, а водохранилище годичного регулирования Серебрянской ГЭС-1 расположено в 50 км от моря. Верхние электростанции обоих каскадов являются регулирующими и самыми высоконапорными в энергосистеме (111 м и 75 м), что делает каждый сэкономленный кубометр воды весьма энергоэффективным. В створах Серебрянских ГЭС имеются возможности для расширения станций, заложенные при проектировании и строительстве. Рельеф местности в районе Серебрянских и Териберских ГЭС не сильно расчленен, что облегчает транспорт, строительство, монтаж и обслуживание парков ВЭУ.

Максимальными аккумулирующими возможностями по объему воды обладают Нивский и Ковдинский каскады ГЭС. Суммарная полезная емкость водохранилищ многолетнего регулирования превышает 12 км3. Водохранилища этих каскадов могут служить аккумуляторами энергии ветропарков, расположенных на побережье Белого моря.

13

Основные данные по водохранилищам действующих гидроэлектростанций АО «Колэнерго»

Таблица 4

Название водохранилища Река Полезный объем, км3 Площадь зеркала, км2 Норм. подпорн. уровень, м Вид регулирования

Нивский каскад ГЭС

Пиренгское Пиренга 0.87 227 137.0 Многолетнее

Имандровское Нива 2.83 876 127.5 То же

Пинозерское То же 0.04 17.6 115.0 Недельное

Плесозерское » 0.002 1.6 78.5 Суточное

Пазский каскад ГЭС

Кайтакоски Паз 2.45 1100 118.0 Многолетнее

Янискоски То же 0.004 6.3 110.7 Суточное

Раякоски » 0.008 7.1 89.7 То же

Хевоскоски » 0.006 16.0 70.3 »

Борисоглебское » 0.028 56.0 21.0 »

Ковдинский каскад ГЭС

Кумское Кума 8.68 1969 109.5 Многолетнее

Иовское Иова 0.548 294 72.0 Сезонное

Ковдозерское Ковда 1.93 610 37.2 То же

Туломский каскад ГЭС

В.-Туломское Тулома 3.86 745 80.0 Многолетнее

Н.-Туломское То же 0.04 38.5 17.7 Суточное

Серебрянский каскад ГЭС

Серебрянское Воронья 1.68 531 154.0 Годичное

Падунское То же 0.005 25.5 74.0 Суточное

Териберский каскад ГЭС

В.-Териберское Териберка 0.290 31.1 145.0 Годичное

Н.-Териберское То же 0.003 1.42 25.0 Суточное

Автономная ветроэнергетика может быть ориентирована на энергоснабжение удаленных децентрализованных потребителей. К их числу относятся прибрежные метеостанции, маяки, пограничные заставы, рыболовецкие колхозы, объекты Северного флота и др. Внедрение ветроэнергетических установок в местные системы электро- и теплоснабжения (дизельные электростанции, котельные) может способствовать экономии до 30-50% привозного органического топлива.

Говоря о приливной энергетике, следует отметить, что ОАО «РусГидро» на площадке Кислогубской приливной электростанции в 2006 году испытало изготовленное на «Севмаше» в Северодвинске ортогональное рабочее колесо гидроагрегата диаметром 5 м мощностью 1.1 МВт. Успешная реализация этого проекта позволила осуществить проектирование Северной ПЭС в Мурманской области и Мезенской ПЭС в Архангельской области. Первая располагается в створе губы Долгой (в 6 км западнее Териберки) на северном побережье Кольского полуострова, вторая - в Мезенской губе Белого моря (Архангельская область). Мощность Северной ПЭС составит 12 МВт, а Мезенской ПЭС - 8000 МВт. Северная ПЭС явится прямым прототипом для Мезенской ПЭС, она позволит обосновать практическое осуществление этой крупной ПЭС и показать ее экономическую целесообразность.

14

Подводя итог изложенному выше, можно сделать следующие выводы:

1. Кольская электроэнергетическая система уникальна по своей структуре, она имеет в своем составе одну АЭС, две ТЭЦ, семнадцать ГЭС, одну приливную электростанцию. Большое количество высокоманевренных гидроэлектростанций позволяет успешно покрывать реальный переменный график электрической нагрузки и служит основой для освоения в перспективе высокопотенциальных ветроэнергоресурсов региона.

2. Энергосистема вырабатывает в год около 17-18 млрд кВтч электроэнергии, является энергоизбыточной, способной производить на 2-3 млрд кВтч больше. Из всей вырабатываемой энергии около 13 млрд кВтч потребляется внутри Мурманской области, 4.0-4.5 млрд кВт ч передается в Карелию и далее в ОЭС Северо-Запада,

0. 6.0.8 млрд кВтч экспортируется за рубеж, в Финляндию и Норвегию.

3. Энергосистема располагает развитым электросетевым хозяйством, включающим магистральные системообразующие линии электропередачи напряжением 330 кВ и распределительные сети на напряжение 35-110-150 кВ. Продолжаются работы, направленные на увеличение возможностей транзита энергии в Республику Карелия и далее в ОЭС Северо-Запада.

4. Перспективы развития Кольской энергосистемы связываются с продлением сроков эксплуатации всех четырех блоков Кольской АЭС, поддержанием на должном уровне функционирования всех действующих гидроэлектростанций, дальнейшим развитием приливной энергетики (сооружением Северной ПЭС мощностью 12 МВт), началом освоения высокопотенциальных ветроэнергоресурсов (сооружением ветропарков) в прибрежной зоне Кольского полуострова.

Литература

1. Минин В.А., Дмитриев Г.С. Перспективы использования энергии

ветра малых ГЭС в удаленных районах Мурманской области. - Апатиты: КНЦ РАН, 2007. - 97 с.

2. Минин В.А. Перспективы развития возобновляемой энергетики

в зонах децентрализованного энергоснабжения Мурманской области //

Труды КНЦ РАН. Серия Энергетика. Вып. 4, №1/2012(8). - Апатиты: КНЦ РАН, 2012. - С. 110-122.

3. Энергия ветра - перспективный возобновляемый энергоресурс Мурманской области: препринт / В.А.Минин, Г.С.Дмитриев, Е.А.Иванова, Т.Н.Морошкина, Г.В.Никифорова, А.В.Бежан. - Апатиты: КНЦ РАН, 2006. - 73 с.

4. Минин В.А. Перспективы внедрения возобновляемых источников

энергии в топливно-энергетический баланс Мурманской области // Труды КНЦ РАН. Серия Энергетика. Вып. 5, №3/2012(10). - Апатиты: КНЦ РАН, 2012. - С. 105-111.

Сведения об авторе

Минин Валерий Андреевич,

заведующий лабораторией энергосбережения и возобновляемых источников энергии Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН, к.т.н.

Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А Эл. почта: minin@ien.kolasc.net.ru

15