Водно-энергетические аспекты работы приливных электростанций в составе энергокомплексов

ВЕСТНИК 4/2010

ВОДНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ РАБОТЫ ПРИЛИВНЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ В СОСТАВЕ ЭНЕРГОКОМПЛЕКСОВ

О.А.Муравьев, В.В.Берлин, Д.С.Савченков

МГСУ

Рассматриваются результаты анализа водно-энергетических и экономических расчетов по обоснованию параметров приливных электростанций и компенсации их неравномерной энергоотдачи.

Results of the analysis of water-power and economic calculations on a substantiation of parameters of tidal power stations and indemnification of their non-uniform power return are considered.

В последние годы возродился интерес к проектам отечественных приливных электростанций. Новый импульс к разработке проектов ПЭС дал продолжающийся рост цен на органическое топливо, а также на строительство объектов тепловой генерации, отвечающих современным технологическим и экологическим нормам.

Основной потенциал приливной энергии на территории России сосредоточен на побережье Баренцева, Белого и Охотского морей. Приливы здесь носят полусуточный характер с двумя высокими и двумя низкими уровнями в течение суток. Величина прилива увеличивается при движении вдоль Кольского побережья с запада на восток. Самая малая величина прилива имеет место в губе Долгая, самая большая - в Мезенском заливе. Высокое значение прилива наблюдается в Тугурском заливе и Пенжин-ской губе Охотского моря.

В табл. 1 показаны характеристики створов и параметры ПЭС, рассмотренных в рамках выполненных проектных работ. Критериями отбора створов были средняя величина прилива более 2,5 м, площадь бассейна ПЭС не менее 3...4 км2, глубина в створе гидросооружений от наинизшего теоретического уровня (НТУ) не менее 8 м, а также исключение необходимости скальной выемки при дноуглублении под здание ПЭС.

Водно-энергетические расчеты для проектов выполнялись по специализированным программам, имитирующим работу ПЭС во времени по заданным естественным мареограммам прилива в створе и статическим батиграфическим характеристикам отсекаемого бассейна (бассейнов).

Такие связанные с эксплуатацией ПЭС вопросы, как последовательность режимов работы ПЭС (выдержка, генераторная работа, перепуск при малых напорах), использование расходных характеристик турбин, водопропускных отверстий, прорана незакрытого напорного фронта, решены при математическом моделировании с максимальной степенью детализации, необходимой для обеспечения надежности инженерных решений и экономических обоснований.

Экономические аспекты водно-энергетических расчетов. Водно-энергетические расчеты являются базой для экономического обоснования параметров ПЭС и принимаемых конструктивных решений.

4/2010 М1 ВЕСТНИК

Таблица 1 - Параметры площадок перспективных ПЭС.

Расположение Средняя Площадь Установ- Годовая Использ.

площадки величина прилива, м щадь-бассейна, км2 ленная мощность, МВт выработка, млн. кВтч установл. мощн., час/год

Баренцево море

Губа Долгая 2,5 4,5 12 24 1983

Губа Дроздовка, Нокуевский залив 3,3 3,9 13,5 31 2296

Губа Ивановка, Но- 3,3 21,8 66 157 2379

куевскии залив

Гремиха, Святонос- 3,7 3,1 10,6 27 2547

скии залив

Иоканьга, Свято- 3,7 3,0 11,3 30 2611

носскии залив

Лумбовский залив 4,4 56,5 320 912 2850

Белое море

Мезенскаая ПЭС 5,7 2560 8000 38 900 4862

Охотское море

Тугурский залив 6,8 1120 3640 13 800 3791

При оптимизации установленной мощности и выработки ПЭС в условиях конкретного створа варьируемыми параметрами являются: количество гидроагрегатов данного типоразмера, значение расчетного и минимального напора турбин, наличие или отсутствие оперативных затворов для обеспечения режима выдержки при нулевом расходе, постоянная или переменная частота вращения турбин.

Для выполнения экономических расчетов используются зависимости между установленной мощностью и выработкой ПЭС, значения минимальной квадратурной и максимальной сизигийной суточной выработки электроэнергии, суточные графики мощности ПЭС в периоды сизигии и квадратуры для определения параметров компенсирующей ГАЭС, ГЭС или ТЭС, совместные базисные режимы энергокомплекса в период квадратуры, показывающие мощность вытесняемых тепловых электростанций.

Характеристики основного оборудования ПЭС. Выполненные в последние годы проекты ПЭС ориентированы на использование вертикальных ортогональных гидротурбин с диаметром рабочего колеса 5 м в одноярусном, двухъярусном и трехъярусном исполнении. Турбина агрегирована мультипликатором и синхронным генератором. Для повышения энергетических показателей гидроагрегата на нем устанавливается преобразователь частоты, обеспечивающий работу в оптимуме характеристики за счет изменения частоты вращения при колебаниях напора. К отличительным особенностям ортогональных турбин относятся постоянное направление вращения при противоположных направлениях потока и высокая пропускная способность заторможенного рабочего колеса. Последнее свойство позволяет использовать турбину для перепуска расхода при низких напорах и отказаться от сооружения водопропускной плотины.

ВЕСТНИК 4/2010

В выполненных проектах обоснованы следующие конструктивные особенности гидроагрегата ПЭС с ортогональной турбиной: диаметр рабочего колеса 5 м, режим работы двухсторонний, частота вращения переменная, зависящая от напора, наличие оперативного затвора, закрывающего турбину в режиме выдержки при напорах, близких к нулю, ограничение мощности турбины при напорах более расчетного за счет увеличения частоты вращения.

Циклы работы ПЭС. В условиях полусуточного прилива, характерного для рассмотренных створов, двухсторонний режим работы ПЭС дает существенно большую выработку по сравнению с односторонним (рис. 1). При мощностях, составляющих менее 30% от максимально возможной, выработка станции в одностороннем и двухстороннем режимах работы сближается, что является следствием уменьшенных расходов ПЭС и их меньшего влияния на колебания уровня в бассейне.

-о—д е-, ) ст0(в| ii1 ц11.п — -о-ыкшни! 1ш л

а о.1 ол м ол 1 .1.1

м-'щнлть.

Рис. 1. Зависимости выработки ПЭС от значения установленной мощности для условий Мезенской ПЭС

Зависимость годовой выработки ПЭС от установленной мощности для двухстороннего и одностороннего циклов работы ПЭС нелинейная. Она имеет максимум, обусловленный снижением средневзвешенного напора турбин (см. рис. 1). Опыт показывает, что оптимальные значения установленной мощности и выработки лежат на левой ветви, где зависимость выработки от мощности еще близка к линейной.

Неравномерность энергоотдачи ПЭС и ее компенсация. Особенностью приливных электростанций являются колебания энергоотдачи в течение суток, месяца и года. Неравномерность режимов определяется мареограммой прилива и условиями эксплуатации станции.

Годовая неравномерность связана с гидрометеорологическими причинами (лед, сток рек, впадающих в акваторию, ветер, атмосферное давление). Характеризуется изменением месячной выработки в течение года. Эта неравномерность невелика. Минимальная месячная выработка составляет 90 - 95% от максимальной (рис. 2,6).

Месячная неравномерность связана с изменением амплитуды прилива в продолжение лунного месяца от максимальной в период сизигийного прилива до минимальной в период квадратурного прилива (рис. 2,а). Неравномерность выражается в виде изменения суточной выработки электроэнергии в течение месяца. По результатам выполненных расчетов для Мезенской и Тугурской ПЭС минимальная суточная выработка составляет 50 - 70 % от максимальной.

4/2010

ВЕСТНИК _МГСУ

Суточная неравномерность самая интенсивная. Она обусловлена колебаниями напора ПЭС и его переходом через нулевое значение. Мощность может изменяться от максимальной до нуля. В течение суток при двухстороннем цикле ПЭС наблюдаются четыре импульса (пика) изменения мощности и четыре периода нулевой мощности.

I * 5 7 - II 1-3 I" |Т Л : йрамя, сут

г  а и .Л о

си

I -г з ». д б : в.а. пЛ чз Время, мае

Рис. 2. Неравномерность энергоотдачи Мезенской ПЭС; а - месячная, б - годовая

Общее время нерабочих режимов для условий Мезенской ПЭС изменяется от 4-5 час в сутки в период сизигии до 6-7 час в период квадратуры (рис. 3,а).

По данным института Энергосетьпроект компенсация неравномерной энергоотдачи ПЭС возможна за счет регулирования всех электростанций энергосистемы, если доля ПЭС по мощности не превышает 5%. Неравномерность мощности крупной ПЭС может выравниваться за счет разгрузки ТЭС энергосистемы, за счет переменного режима работы ГЭС, за счет заряда и разряда ГАЭС, а также комбинацией этих спосо-

Результатом выравнивания неравномерности ПЭС может являться базисный режим, мощность которого изменяется в течение месяца, следуя за месячной неравномерностью энергоотдачи ПЭС. При совместной работе ПЭС и ГАЭС можно получить полупиковый результирующий режим работы, длительность которого уменьшается с 24 час в максимальную сизигию до 12 - 14 час в период минимальной квадратуры.

Если компенсация суточной неравномерности ПЭС обеспечивается за счет ГЭС, то ГЭС должна быть более мощной, чем ПЭС. Для проектов крупных ПЭС это должны быть одна или несколько ГЭС суммарной мощностью по 3500-7000 МВт. Компенсирующие ГЭС должны иметь водохранилища многолетнего регулирования.

Мощность турбинного режима компенсирующей ГАЭС определяется по совместной работе в период сизигии, насосного - в период квадратуры (рис. 3,6).

Использование ГАЭС для компенсации месячной неравномерности энергоотдачи требует увеличения емкости бассейна в 5-6 раз, что возможно только в условиях ГЭС-ГАЭС с водохранилищем сезонного регулирования.

Режимы совместной работы комплекса ПЭС-ГАЭС показаны на рис. 3,в. От ГАЭС требуется обеспечить реверсивный переток с 8-ю пиками изменения мощности в сутки. Специфика работы ГАЭС состоит в том, что она пропускает через себя меньше половины энергии, вырабатываемой ПЭС. В этих условиях потери выработки на цикле аккумулирования составляют менее 10 % от выработки ПЭС.

ВЕСТНИК МГСУ

4/2010

Возможности снижения неравномерности энергоотдачи режимными мерами

на ПЭС. Снижение неравномерности изменения мощности ПЭС может быть достигнуто за счет более сложных циклов работы ПЭС. В проектах рассматривались двух-бассейновая ПЭС с работой бассейнов в противофазе, а также однобассейновая с изменяющимся количеством работающих агрегатов при напорах больше расчетного.

Ргнснм гз;

» г

Г ! К и 14 16 1В ;и 33 34

В(№мя-щс

А 10 12 11 !б 16 20

Вр*МЯ. ЩС

Я И

ГДЭС

Р*в-нм ГАМ

6«Х> 1000 £ 3 «0

г а

|-2 ООО ООО

шш ш

1 ,1 ль т\ 1М ш г , ми^ши^ии

в } л (, 5 10 15 14 II 14 30 У1 24 Вроил.чле

а г * б е ю 1рги 1Д15 м а а4 вдоя>чао

Итоговый р<.жни

0 1 4 в в 1Э 12 К 16 1Б 20 22 24 В-р^чи, чле

7000

£ ьооо = 1000 Й

а 3-0С0 I ню I 10»

о

Игога«ын с

0 1 А & 4 10 1Г и !6 10 Л 22 24 ркк,«

Рис. 3. Режимы работы комплекса Мезенская ПЭС и Центральная ГАЭС в периоды сизигии и квадратуры

Двухбасснейновая ПЭС позволяет уменьшить затраты по компенсирующим электростанциям. Однако ее применение экономически не оправдано. Отрицательными факторами являются снижение выработки ПЭС на 30% и увеличение ее стоимости за счет дополнительной плотины, разделяющей бассейны.

Работа ПЭС без ограничения мощности по напору приводит к очень высокой неравномерности суточного изменения мощности в период сизигии. При этом обеспеченность высоких значений мощности близка к нулю. Анализ результатов расчетов показал, что экономически обоснованными являются значения расчетного напора, обеспечивающие работу ПЭС с установленной мощностью не менее 1000 часов в году и условном числе часов использования установленной мощности ПЭС Тусл=Эгод/Муст более 2500 час/год.

4/2010 ВЕСТНИК

выводы

1. Комплекс водно-энергетических расчетов для проектов перспективных ПЭС на побережье Баренцева, Белого и Охотского морей позволил обосновать выбор основных энергетических параметров ПЭС, определить условия компенсации неравномерной энергоотдачи, оптимизировать состав и параметры основного оборудования.

2. Основными энергетическими показателями ПЭС, определяющими ее экономическую эффективность, являются вытесняющая мощность энергокомплекса в составе ПЭС и компенсирующих электростанций, выработка энергокомплекса на шинах принимающей энергосистемы с учетом потерь на преобразование и в схеме выдачи, изменение этих параметров в период временной эксплуатации.

3. Выработка условий компенсации неравномерной энергоотдачи ПЭС требует подробных водно-энергетических расчетов с определением характеристик изменения мощности ПЭС в сутки с максимальной и минимальной выработкой, а также характеристик изменения суточной выработки в течение месяца и года.

4. Для крупных ПЭС наиболее приемлемой является компенсация суточной неравномерности с участием ГАЭС, а месячной - за счет разгрузки тепловых электростанций. При совместной работе ПЭС и ГАЭС можно получить полупиковый результирующий режим работы.

Ключевые слова: приливная электростанция, водно-энергетические расчеты, режимы работы ПЭС, компенсация неравномерности энергоотдачи ПЭС, ПЭС в составе энергокомплекса

Статья представлена Редакционным советом «Вестник МГСУ»