14 Ноября 2017

Ликбез №5: Количество, качество и надежность

В очередном выпуске рубрики «Кислород.ЛАЙФ» разбирает, какова роль ГЭС в обеспечении надежности энергосистемы, и почему эту роль трудно переоценить. Вспомним и о регулировании частоты, и о других плюсах гидроэнергетики, о многих из которых обыватели даже не задумываются.

Поделиться в социальных сетях

С наступлением зимы, которая по давней российской традиции приходит совершенно неожиданно, в новостях все чаще мелькают сообщения об остановленных из-за аварий котельных и отключенных от энергоснабжения поселках. Что поделать – коммунальная энергетика в России сильно изношена. Единственным спасением в такой ситуации становятся электрические обогреватели и тепловые пушки, способные поддержать тепло в жилых домах и общественных зданиях в период ремонта.

Все это ставит на первое место вопросы безопасности и надежности любой энергосистемы. Для обывателя эти вещи являются умозрительными, но специалисты знают: в энергетике важно не просто снабжение потребителей электроэнергией, но снабжение в нужном количестве и при необходимом качестве. Надежность – ключевой показатель, ведь любые нарушения оборачиваются материальным ущербом или чрезвычайной ситуацией (чреватой уже невосполнимым ущербом в виде человеческих жизней). Средств для повышения надежности очень много: релейная защита от коротких замыканий, различные средства автоматики (автоматический ввод резерва, регулирование возбуждения, частоты и мощности, аварийные отключения и т.п.). Используются и специальные режимы работы энергетики (неполнофазные режимы, дублирование генераторной мощности, увеличение пропускной способности межсистемных связей, резервирование мощности и т.п.).

Любая авария на котельных и тепловых электростанциях (коих у нас в стране большинство) приводит к резкому повышению спроса на электрическую энергию – это общеизвестный факт, подтвержденный многими примерами. Например, 25 мая 2005 года – отключение всего юго-запада Москвы и части Московской области; 30 января 2007 года – отключение Сочи и части Черноморского побережья из-за аварии на Сочинской ТЭЦ; 29 августа 2016 года – «конец света» в Улан-Удэ из-за аварии на «старушке» ТЭЦ-1. Каждый раз остроту проблемы удавалось снизить за счет оперативного включения ближайших по расположению к месту событий ГЭС. В 2005 году это была Загорская гидроаккумулирующая станция (ГАЭС), в 2007 году – крошечная Краснополянская ГЭС (всего 29 МВт!), а в 2016 году – Иркутская ГЭС.

В этом смысле роль гидроэнергетики трудно переоценить: никакой другой тип электростанций не сможет включиться в работу за считанные секунды. ТЭС на запуск котла требуется минимум несколько часов, ветряные или солнечные установки могут отказать по погодным условиям, АЭС также слабоманевренна. И лишь ГЭС способна разогнать гидроагрегат в любой момент по сигналу диспетчера энергосистемы.

Это свойство делает ГЭС незаменимыми для сглаживания пиков нагрузки, причем как суточных, так и сезонных. Такие станции в своей работе не зависят ни от кого – ни от поставщиков топлива, ни от железной дороги, которая может ограничить поставку вагонов и цистерн, ни от прочих обстоятельств. Есть спрос – включили агрегат, нет спроса – выключили. В идеале, конечно, все генераторы должны работать равномерно в течение года, но как быть, если в России пик потребления зимой, а в Средней Азии и Китае – летом? 

Кто-то спросит – а как же водность рек, которая изменчива и которую сложно прогнозировать? Действительно, это, пожалуй, единственный фактор, который способен в той или иной степени влиять на работу ГЭС. Но этим фактором за десятилетия эксплуатации гидротехнических сооружений научились управлять: есть водохранилища сезонного и многолетнего регулирования. А гидроаккумулирующие станции (в России их всего четыре) работают в двойном режиме. Ночью, когда большинство потребителей отключаются, они получают энергию от тепловых станций и закачивают воду из какого-то природного водоема в собственный бассейн, а днем, когда тепловые станции не справляются с возросшей нагрузкой, сливают воду из бассейна обратно, вырабатывая электроэнергию. 

Как ни странно это прозвучит для тех, кто сталкивается с 

электричеством только в быту, и у тока есть качество. 

Например, частота тока, указанная на любом приборе рядом с напряжением, является одним из важнейших показателей качества электрической энергии. Важнейшая функция ГЭС – регулирование частоты переменного тока в энергосистеме в допустимых пределах. В России частота тока по ГОСТу должна составлять 50,0±0,2 Гц не менее 95% времени суток и уж ни в коем случае не должна выйти за предел±0,4 Гц. Первичное регулирование частоты на каждой турбине выполняется автоматическими регуляторами частоты вращения – если использовать бытовые аналогии, то это своего рода «педаль газа»: если частота ниже необходимого, регулятор увеличивает подачу энергоносителя, если выше – снижает подачу. Общее регулирование выполняется на каждой электростанции (некоторые ТЭЦ в нем вообще не участвуют), но в целом в энергосистеме эту задачу выполняют именно ГЭС. Главным регулятором частоты тока в России долгое время был Волжский каскад ГЭС, с 2009 года в этот процесс включилась и Братская ГЭС. 

Из-за того, что во всех промышленных и бытовых сетях, использующих переменный ток, имеются трансформаторы и конденсаторы, в сети возникает реактивная энергия, которая возвращается в электрическую цепь. В самом простом случае реактивная мощность нагревает приборы и окружающий воздух. Чем больше потребителей – тем больше и реактивная мощность, тем выше риск нарушения нормальной работы сетей и системы в целом. ГЭС позволяют решать и эту проблему: гидроагрегат переводят в режим синхронного компенсатора, перекрывают доступ воды к гидротурбине – но при этом генератор включен в сеть и при поступлении реактивного тока в обмотку статора ротор вращается как двигатель. Генератор использует мощность на преодоление механических и вентиляционных потерь и может расходовать при пустой камере рабочего колеса 2-4% номинальной мощности гидрогенератора, а если рабочее колесо находится в воде – до 15-20%. Известный пример – как раз Загорская ГАЭС, ее агрегаты могут выполнить роль синхронного компенсатора для энергосистемы Центрального федерального округа. 

В 2015 году Красноярская ГЭС стала первой и единственной

гидроэлектростанцией в России, прошедшей

конкурентный отбор и подписавшей договор на оказание

услуг по нормированному первичному регулированию 

частоты (НПРЧ). 

В 2017 году АО «Системный оператор ЕЭС» отобрал 36 гидрогенераторов на девяти ГЭС «РусГидро», ТГК-1 и «ЕвроСибЭнерго» для оказания услуг по регулированию реактивной мощности (РРСК) в течение всего 2017 года. «Услуги по регулированию реактивной мощности без производства электрической энергии – один из видов услуг по обеспечению системной надежности. Посредством регулирования реактивной мощности обеспечивается поддержание требуемых уровней напряжения в узлах электрической сети. Регулирование реактивной мощности осуществляется в основном генераторами электростанций, работающими в режиме производства электрической энергии, а также источниками реактивной мощности, установленными в электрических сетях и электроустановках потребителей. Однако в некоторых схемно-режимных ситуациях необходимо привлекать к этому виду регулирования генерирующее оборудование, работающее в режиме синхронного компенсатора. Такой режим характеризуется работой генератора без активной нагрузки и используется для регулирования напряжения в энергосистеме», - объясняют в «Системном операторе». 

Так что, нисколько не умаляя роль ТЭС, АЭС и любых других источников энергии, нужно отметить, что значение ГЭС для сглаживания пиков нагрузок, оперативного реагирования на различные форс-мажорные обстоятельства, регулирования частоты и компенсации реактивной мощности существенно превосходит их значение как генератора электроэнергии.

ГЭС незаменимы для сглаживания пиков нагрузки, причем как суточных, так и сезонных; они не зависят ни от кого – ни от поставщиков топлива, ни от железной дороги, ни от прочих обстоятельств