В работе современных энергетических систем нет определенной стабильности в обеспечении потребителей электричеством. В дневное время часто возникают пиковые нагрузки, а ночью потребление значительно снижается и себестоимость электроэнергии возрастает. В такие периоды требуется быстрый переход из одного рабочего режима в другой. Однако, имеющиеся виды тепловых и атомных установок не способны в короткий срок снизить свою мощность при резком спаде потребления. Разрешить эту проблему может гидроаккумулирующая электростанция (ГАЭС), накапливающая энергию в период низкого потребления и возвращающая ее при пиковых нагрузках.
Подобная схема способствует повышению поставок электричества, позволяет избежать резких скачков энергоснабжения в разное время суток.
Устройство и основные компоненты
Типовая гидравлическая аккумулирующая электростанция включает в общий комплекс следующие составляющие:
- Нижнее водохранилище обеспечивающее подпитку. Это могут быть естественные водоемы или водохранилище, образованное самим гидроузлом.
- Верхний водоем или бассейн электростанции, выполняющий функции аккумулятора воды. Используются высокогорные озера естественного происхождения приточного или бесприточного типа. Они должны располагаться рядом с нижним водохранилищем на максимально близком расстоянии.
- Здание станции. Капитальное сооружение, спроектированное под конкретные условия эксплуатации.
- Водонапорные сети из металлических или железобетонных труб.
- Водоприемник, принимающий воду в верхний водоем, в период, когда станция переводится в насосный режим работы. Он же забирает воду из бассейна при переходе в турбинный режим.
Внутри здания электростанции располагается оборудование гидромеханического и электротехнического назначения. Схема размещения представляет собой трехмашинную компоновку, состоящую из насоса, турбины и генератора-электродвигателя. Более современным считается двухмашинный вариант, включающий в себя генератор-электродвигатель и турбину-насос или обратимую турбину.
При отсутствии в верхнем бассейне естественного притока воды, станция будет работать лишь на аккумулированной жидкости. Такие установки относятся к категории чистых. Смешанные электростанции оборудуются бассейнами с естественным притоком, позволяющим получать дополнительные объемы воды. В данном случае используется и аккумулированная и приточная жидкость.
Примерно такой же вариант используется гидроэлектростанциями, расположенными каскадом. Здесь кроме основных турбинных агрегатов, устанавливаются обратимые насосы или турбины, качающие воду из нижнего водохранилища в верхнее.
Как работает двойная система
Время действия гидроаккумулирующих электростанций разделяется на два основных периода или режима. По такому же принципу работает ГЭС электростанция. При использовании первого рабочего режима установка потребляет электроэнергию, производимую тепловой электростанцией. Подача электричества осуществляется при минимальной нагрузке на ТЭС, при этом вся избыточная энергия используется насосами.
Такой период может продолжаться от 7 до 12 часов. За это время на ГАЭС осуществляется перекачивание воды из нижнего водохранилища в верхнее, создавая таким образом определенный запас энергии.
Когда возникает максимальная нагрузка, водяная электростанция переходит в турбинный режим, при котором вся накопленная энергия отдается обратно в сеть за счет сделанного запаса воды, вращающей генераторную турбину. Период нагрузки продолжается в среднем 2-6 часов в течение суток. Подобная схема обеспечивает электроэнергией какой-либо населенный пункт или объект промышленного назначения и поддерживает требуемую мощность в периоды пиковых нагрузок.
Гидроаккумулирующая электростанция размещается неподалеку от мощных потребителей, рядом с тепловыми станциями или АЭС. Подобное размещение выполняется с учетом гидрологических, топографических, геологических условий и других внешних факторов. Должна присутствовать обязательная возможность устройства нижнего и верхнего водохранилищ на максимально близком расстоянии друг от друга. При соблюдении всех необходимых условий, коэффициент полезного действия ГАЭС можно довести до 0,6-0,7.
В большинстве случаев осуществляется привязка к имеющимся озерам, другим водохранилищам или на реке. Количество электроэнергии, аккумулированной в системе, напрямую зависит от объема бассейнов и напора турбинных насосов.
Использование ГАЭС в мире и в Российской Федерации
Широкое распространение и развитие гидроаккумулирующие электростанции получили в Европе. Основной причиной послужило регулярное повышение стоимости потребленной электроэнергии. Поэтому в настоящее время производится их повсеместная установка, часто выполняемая в городской черте.
Первая такая станция была сооружена итальянцами в 1908 году. Ее мощность составляла 1 мегаватт. В середине 20-го века во всех странах подобных сооружение насчитывалось уже 40. В дальнейшем их количество продолжало расти. В 1965 году 110, в 2000 году примерно 300, общей производительностью 100 ГВт.
Самой известной гидроаккумулирующей станцией в России считается Загорская ГАЭС, расположенная в городе Сергиев Посад Московской области. Основным источником воды является река Кунья. Данный энергетический объект относится к самым большим электростанциям страны и входит в первую десятку. Производительность в турбинном режиме составляет 1200 МВт, в насосном 1320 МВт.
Строительство водного объекта началось в 1974 году, но окончательный ввод в эксплуатацию произошел лишь в 2003 году. Внутри здания смонтированы обратимые гидроагрегаты радиально-осевой конструкции в количестве 6 единиц. При величине расчетного напора 100 м, их производительность составляет 200/220 мегаватт.
В процессе эксплуатации Загорская ГАЭС зарекомендовала себя как эффективная и надежная система. В связи с этим было спроектировано ее расширение за счет строительства ГАЭС-2 с четырьмя обратимыми гидроагрегатами по 210 мегаватт каждый. Общая производительность по проекту составила 840 МВт. Строительные работы начались в 2007 году.
Помимо Загорской станции, подобные электростанции существуют на канале имени Москвы и на Большом Ставропольском канале (Кубанская ГАЭС). В стадии проектирования находятся еще несколько подобных систем. Единственным серьезным недостатком считается шум во время работы, составляющий более 45 децибел.