Об’єднана енергосистема

Об'єднана енергосистема, що включає множину генераторів електричної енергії, з'єднаних загальною енергетичною мережею, множину спо 3 нергію в енергетичну систему. Вхід акумулятора в цей час підключений до установки поновлюваного джерела енергії, яка поповнює запаси енергії в акумуляторі. У період низьких електричних навантажень вхід акумулятора відключається від установки поновлюваного джерела енергії і приєднується до енергетичної системи для дозарядки з таким розрахунком, щоб до моменту підйому електричного навантаження акумулятор був заряджений повністю. Можна привести інші приклади використання різних акумуляторів енергії для компенсації дефіцитів потужності в енергосистемах. Загальним їх недоліком являється обмежена ємність накопичувачів енергії, що обмежує тривалість компенсації навантажувальних піків десятками секунд або декількома секундами, що недостатньо для запуску інших резервних носіїв енергії, таких як гідроакумулюючі або газотурбінні електростанції. Прикладами забезпечення динамічної стійкості ОЕС шляхом регулювання потужності, що виробляється первинними генераторами є наступні рішення. Так, відомо утримання "резервної потужності" шляхом дроселювання регулювальних вентилів турбін паротурбінних електростанцій, що живлять об'єднану енергомережу. Такі паротурбінні електростанції в звичайному режимі експлуатуються з указаним дроселюванням. При навантажувальному піку на стороні мережі або, інакше виражаючись, при дефіциті загальної введеної потужності електростанцій дроселювання знімають і потужність паротурбінних електростанцій відповідно підвищується. Експлуатація паротурбінних електростанцій у режимі дроселювання регулювальних вентилів турбін приводить до зменшення коефіцієнта корисної дії, збільшує експлуатаційні витрати на окремій електростанції. Цей вид компенсації дефіциту потужності вимагає будівництва більш потужних паротурбінних електростанцій, ніж це потрібно для енергозабезпечення споживачів у нормальному режимі роботи енергосистеми, викликає збільшення інвестиційних витрат. Для компенсації дефіцитів потужності в діапазоні тривалості від 30 секунд до 5 хвилин і більше відомо короткочасне переривання паропостачання пристроїв, що нагріваються паром проміжного відбору. При цьому в розпорядженні парової турбіни надходить більша кількість теплової енергії, потужність турбіни збільшується. Виграний таким чином час у більшості випадків являється достатнім, щоб вивести потужність парогенератора до припустимої граничної потужності, якщо розраховувати на тривалі навантажувальні піки, або для того, щоб активувати електростанції, що акумулюють. Так, відома паротурбінна електростанція (патент США 3523421, МПК F01K 13/00, F01K 13/02. дата публікації 1970.08.11) з паровою турбіною, що приводить у дію генератор. і з підключеним до парової турбіни трубопроводом пару проміжного відбору з вентилем, керованим контрольним блоком. Спосіб експлуатації такої паротурбінної електростанції передбачає, у залежності від навантаження, збільшення подачі пару паровій турбіні за 48643 4 допомогою регулювання відбору проміжного пару від турбіни. Регулювання виконують за допомогою контрольного блоку, що керує вентилем, установленим на трубопроводі пару проміжного відбору. Загальними ознаками аналогу і рішення, що заявляється, є: об'єднана енергосистема, що включає множину генераторів електричної енергії, з'єднаних загальною енергетичною мережею, множину споживачів електричної енергії, підключених до загальної енергетичної мережі. Особливість цього виду регулювання виражається в тому, що система спрацьовує із значним часом затримки. Тому таке регулювання не являється придатним для компенсації пікових навантажень настільки швидко, щоб не наступав провал потужності або частотний спад в енергомережі. Крім того, енергетична установка при такому регулюванні більшу частину часу працює в режимі недовантаження, що приводить до зменшення коефіцієнта корисної дії, збільшує експлуатаційні витрати, вимагає будівництва більш могутніх паротурбінних електростанцій, ніж це необхідно для енергозабезпечення споживачів у нормальному режимі роботи енергомережі. Відома також об'єднана енергосистема за па6 тентом Російської Федерації RU2121746, MПK H02J 15/00, H02J 3/06, F01K 7/34, дата подачі заявки 1992.11.20. Об'єднана енергосистема включає множину генераторів електричної енергії, з'єднаних загальною енергетичною мережею, а також споживачів електричної енергії, підключених до загальної енергетичної мережі. Генератори електричної енергії виконані у вигляді паротурбінних електростанцій. Частина паротурбінних електростанцій постачена пристроями регулювання пропозиції пару паровим турбінам шляхом керування витратою пару проміжного відбору. Частина паротурбінних електростанцій постачена надпровідниковими магнітними накопичувачами електричної енергії. Кожна паротурбінна електростанція містить резервуар живильної води, парогенератор з економайзером, випарником і перегрівником, турбіну, генератор електричної енергії. Вхід парогенератора (вхід економайзера) з'єднаний з резервуаром живильної води. До виходу парогенератора (вихід перегрівника) через трубопровід пару високого тиску підключена парова турбіна високого тиску. Вихід парової турбіни високого тиску з'єднаний із двохпоточною паровою турбіною низького тиску, що з'єднана послідовно з паровою турбіною високого тиску. Турбіни з'єднані з валом генератора електричної енергії. Обидві ступіні низького тиску парової турбіни низького тиску підключені через трубопровід пару, що відпрацював, до конденсатора. Вихід конденсатора через конденсатний насос і підігрівник конденсату з'єднаний з резервуаром живильної води. Резервуар живильної води через насос живильної води і підігрівник живильної води з'єднаний із входом парогенератора (вхід економайзера). Паротурбінна електростанція працює в такий спосіб. Живильна вода подається в парогенератор, де перетворюється в перегрітий пар високого тиску. Пар високого тиску надходить на вхід паро 5 вої турбіни високого тиску, далі на двохпоточну парову турбіну низького тиску. У турбінах теплова енергія пару перетворюється в механічну енергію, що пускає в хід зв'язаний з турбінами генератор електричної енергії. Відпрацьований пар після турбін надходить у конденсатор, де перетворюється в конденсат, який направляють у резервуар живильної води. Частина паротурбінних електростанцій, що постачені пристроями регулювання пропозиції пару паровим турбінам, мають наступні конструктивні особливості. До виходу парової турбіни високого тиску підключений перший трубопровід пару проміжного відбору, який через перший регулювальний вентиль і підігрівник живильної води з'єднаний з резервуаром живильної води. До однієї із ступіней парової турбіни низького тиску підключений другий трубопровід пару проміжного відбору, який через другий регулювальний вентиль і підігрівник конденсату з'єднаний із входом конденсатора. Паротурбінна електростанція містить також контрольний блок-регулятор з вимірювальними лініями, що контролюють електричний струм і/або залежні від нього параметри, як. наприклад частоту, напругу, потужність у загальній енергетичній мережі. визначаючи співвідношення потужностей, що генеруються і споживаються, у загальній енергосистемі. Контрольний блок-регулятор з'єднаний керуючими лініями з першими і другим регулювальними вентилями в трубопроводах пару проміжного відбору. У нормальному режимі експлуатації, коли резервна потужність не потрібна, пар проміжного відбору від турбіни низького тиску через другий регулювальний вентиль направляється в підігрівник конденсату і відтіля в конденсатор. За рахунок цього підігрівають конденсат, що надходить у резервуар живильної води. Подальший підігрів живильної води виконують паром проміжного відбору від турбіни високого тиску, який через перший регулювальний вентиль направляють у підігрівник живильної води і відтіля в парогенератор. При дефіциті потужності, наприклад, при виході зі строю однієї з паротурбінних електростанцій, контрольний блок-регулятор керує одночасно обома регулювальними вентилями в трубопроводах пару проміжного відбору в напрямку їх закриття. Наслідком цього являється те, що в розпорядження парової турбіни низького тиску надходить більше пару, потужність турбіни збільшується, генератор електричної енергії виробляє і передає в загальну електричну мережу додаткову енергію, компенсуючи дефіцит потужності. При зменшенні попиту на потужність у загальній електричній мережі обидва регулювальних вентиля в обох трубопроводах пару проміжного відбору відкривають, переводячи установку в звичайний режим роботи. Загальними ознаками аналогу і рішення, що заявляється, є: об'єднана енергосистема, що включає множину генераторів електричної енергії, з'єднаних загальною енергетичною мережею, множину споживачів електричної енергії, підключених до загальної енергетичної мережі. 48643 6 Агрегати об'єднаноїенергосистеми, що генерують, при такому регулюванні більшу частину часу працюють в режимі недовантаження, що приводить до зменшення коефіцієнта корисної дії, збільшує експлуатаційні витрати, вимагає будівництва більш потужних паротурбінних електростанцій, чим це необхідно для енергозабезпечення споживачів у нормальному режимі роботи енергомережі. Крім того, при регулюванні проміжного відбору пару від турбін система спрацьовує зі значним часом затримки, що при раптових пікових навантаженнях може привести до провалу потужності або частотному спаду в енергомережі. В зазначених вище аналогах реалізовані принципи первинного регулювання ОЕС (введення резерву, зміна потужності первинних генераторів). Можливості первинного регулюванням не достатньо ефективні для забезпечення динамічної стійкості в силу інерційності процесів первинного регулювання генераторів та введення резерву. Процеси в електричній системі розповсюджуються зі швидкістю електромагнітного поля. Тому на процеси керування ОЕС диспетчерський персонал не в змозі впливати. При аварійному відключенні блока АЕС потужністю 1 млн. кВт частота, наприклад, в ОЕС України миттєво зменшиться до 49,5-49,6Гц. Згідно діючих нормативів частота в системі повинна бути на рівні 50±0,1Гц. І хоча в ОЕС України знаходяться в резерві потужності, які в 15 разів перевищують потужність відключеного блоку, диспетчерський персонал не встигне реалізувати можливості первинного регулювання, ввести необхідний резерв, бо для цього потрібно десятки хвилин-години часу. В ОЕС за секунди спрацює автоматика захисту від зниження частоти, всі атомні блоки ОЕС спочатку знизять навантаження на 10%, а потім відключаться від системи. Далі відключаться ТЕС і ГЕС, тобто, відбудеться лавинний розпад енергосистеми із жахливими наслідками для економіки та соціальної сфери всієї країни. Прикладом спрацювання такої системи захисту є енергетична катастрофа, що мала місце в ОЕС США і Канади в 2003 році: "14 серпня у ряді найбільших міст східного побережжя США і Канади відбулася техногенна катастрофа в результаті збою в роботі енергосистем, що одержала назву «Блекаут 2003». Електрика відключилася в містах Нью-Йорк, Детройт, Клівленд, Торонто, Оттава і інших. Сама по собі дев'яти секундна аварія привела до відключення електроенергії на площі більше 24 тисяч квадратних кілометрів. ЧП торкнулося більше 50 млн. чоловік у восьми штатах США і канадської провінції Онтаріо, привело до зупинки понад 100 електростанцій, зокрема 22 атомних реакторів в обох країнах. Фінансовий збиток, нанесений США в результаті масштабного відключення електроенергії у восьми північно-східних штатах країни, склав не менше $6 млрд.". Послідовність і динаміка відключення станцій були наступними: "16:09 - відключаються споживачі компанії Cleveland Public Power. 16:10 - відключається вугільна електростанція біля Grand Heaven. 7 16:11 - відключається 9-й блок вугільної електростанції Orion Avon Lake в Avon Lake. 16:11 - відключаються атомні реактори в Perry і Oswego. 16:12 - відключаються атомні електростанції Bruce Nuclear Station, Ginna nuclear plant Nine mile point. 16:16 - відключається атомна станція Oyster Creek. 16:17 - відключається атомна станція Enrico Fermi Nuclear Plant. 16:25 - відключаються атомні станції Indian Point 2 і 3", http://www.cnews.ru/news/top/index.shtml72005/ 05/25/178477). Персонал оперативно-диспетчерського керування при зазначеній динаміці каскадного відключення (за період 16:10 - 16:25 відключається 11 електростанцій, в тому числі 9 атомних), звичайно, не міг прийняти ефективних мір попередження катастрофи. Підвищення динамічної стійкості ОЕС, вирівнювання енергетичного дебалансу практично і найбільш ефективно можливо реалізувати шляхом відключення, включення або регулювання потужності відповідних споживачів енергії (засоби вторинного регулювання ОЕС). Для реалізації такого принципу в ОЕС необхідно виділити особливу групу споживачів-регуляторів, які б відповідали наступним умовам: - категорійність таких споживачів, тобто їх включення, виключення та зміна їх потужності повинна бути безпечною для енергетики в державному масштабі, для життя людей, для галузей економіки; - такі споживачі повинні мати мінімальну інерційність включення, виключення та зміни їх потужності; - керування такими споживачами повинно базуватися на засобах системної автоматики без безпосередньої участі персоналу оперативнодиспетчерського керування ОЕС. Як прототип вибрана об'єднана енергетична система за патентом Російської Федерації №2354024, МПК H02J 3/00, дата подання заявки 08.10.2007, яка включає множину генераторів електричної енергії, з'єднаних загальною енергетичною мережею, множину споживачів електричної енергії, підключених до загальної енергетичної мережі. Споживачі електричної енергії містять виділену групу споживачів-регуляторів, виконаних у вигляді перетворювачів електричної енергії в теплову енергію, об'єднану системою централізованого керування з можливістю відключення або включення або зміни потужності зазначених споживачів-регуляторів. Кожний із споживачіврегуляторів може бути виконаний у вигляді гідродинамічного теплогенератора з електричним приводом. У таких споживачах-регуляторах відключення, або включення, або зміна потужності відбувається практично миттєво, що вирішує проблеми утримання "секундної резервної потужності". Кожний із споживачів-регуляторів може бути постачений акумулятором теплової енергії. 48643 8 Об'єднана енергосистема також містить диспетчерський центр, що з'єднаний керуючою лінією з генераторами електричної енергії, другою керуючою лінією - з споживачами електричної енергії, третьою керуючою лінією - з енергетичною мережею, четвертою керуючою лінією - із системою централізованого керування споживачамирегуляторами. Система централізованого керування споживачами-регуляторами з'єднана керуючими лініями з споживачами-регуляторами. Експлуатують об'єднану енергосистему таким чином. Безупинно контролюють електричні параметри об'єднаної енергосистеми (напругу, частоту і споживану потужність). Кількість контрольованих параметрів повинна бути достатньою для оцінки співвідношення генеруємих і споживаних потужностей. Корегують співвідношення генеруємих і споживаних потужностей за результатами контролю електричних параметрів об'єднаної енергосистеми. Корегування виконують шляхом відключення або включення або зміни потужності виділеної групи споживачів-регуляторів, виконаних у вигляді перетворювачів електричної енергії в теплову енергію й об'єднаних системою централізованого керування зазначеними споживачамирегуляторами. Контроль електричних параметрів загальної енергетичної мережі виконують диспетчерським центром об'єднаної енергосистеми, а відключення або включення або зміну потужності виділеної групи споживачів-регуляторів виконують через систему централізованого керування зазначеними споживачами-регуляторами по командах диспетчерського центру. У звичайному режимі експлуатації об'єднаної енергосистеми споживачі-регулятори генерують теплову енергію, забезпечуючи споживачів теплової енергії. При надлишку генеруємих потужностей може відбуватися накопичення енергії в акумуляторах теплової енергії. В умовах навантажувального піку (при дефіциті введеної потужності генераторів електричної енергії), частину споживачіврегуляторів автоматично відключають або переводять у режим зменшення споживаної електричної потужності. При нормалізації генеруємих і споживаних потужностей зазначені споживачірегулятори включають або переводять у звичайний режим споживання електричної потужності. Таким чином корегують співвідношення генеруємих і споживаних потужностей в об'єднаній енергосистемі. При цьому режим роботи генераторів електричної енергії не змінюється. Генератори електричної енергії постійно працюють у стаціонарному, найбільш економічно вигідному режимі роботи з мінімальною витратою палива і з максимальним навантаженням. Загальними ознаками прототипу і рішення, що заявляється, є: об'єднана енергосистема, що включає множину генераторів електричної енергії, з'єднаних загальною енергетичною мережею, множину споживачів електричної енергії, підключених до загальної енергетичної мережі, які містять групу споживачів-регуляторів, виконаних у вигляді перетворювачів електричної енергії в інші 9 види енергії й об'єднаних системою централізованого керування з можливістю відключення або включення або зміни потужності зазначених споживачів-регуляторів. В об'єднаній енергосистемі, що вибрана прототипом, споживачами-регулятороми, які виконані з можливістю відключення або включення або зміни потужності, служать тільки перетворювачі електричної енергії в теплову енергію, що обмежує можливості вибору групи споживачів-регуляторів в об'єднаній енергосистемі, тобто обмежує можливості вторинного регулювання об'єднаної енергосистеми для забезпечення її динамічної стійкості. В основу корисної моделі поставлена задача удосконалення об'єднаної енергосистеми, в якій за рахунок вибору споживачів-регуляторів забезпечується розширення можливостей вторинного регулювання об'єднаної енергосистеми для забезпечення її динамічної стійкості. Поставлена задача вирішується тим, що в об'єднаній енергосистемі, що включає множину генераторів електричної енергії, з'єднаних загальною енергетичною мережею, множину споживачів електричної енергії, підключених до загальної енергетичної мережі, які містять групу споживачіврегуляторів, виконаних у вигляді перетворювачів електричної енергії в інші види енергії й об'єднаних системою централізованого керування з можливістю відключення або включення або зміни потужності зазначених споживачів-регуляторів, відповідно до корисної моделі, як споживачірегулятори в ній використані об'єкти електролізного виробництва. Перераховані ознаки складають сутність корисної моделі, що заявляється. Істотні ознаки корисної моделі знаходяться в причинно-наслідковому зв'язку з технічним результатом, що досягається. Так, використання в об'єднаній енергосистемі в якості споживачів-регуляторів об'єктів електролізного виробництва, що являється відмітною ознакою корисної моделі, в сукупності з істотними ознаками, що спільні з прототипом, забезпечує розширення можливостей вторинного регулювання об'єднаної енергосистеми для забезпечення її динамічної стійкості. Пояснюється це наступним. Об'єкти електролізного виробництва, як правило, займають значну кількість (потужність) споживачів електричної енергії в ОЕС, як споживачі електричної енергії вони мають мінімальну інерційність, їх включення, виключення та зміни потужності безпечні для енергетики, галузей економіки, та життя людей, керування об'єктами електролізного виробництва може базуватися на засобах системної автоматики без безпосередньої участі персоналу оперативно-диспетчерського керування ОЕС. Зазначені особливості об'єктів електролізного виробництва дозволяють використовувати їх, як споживачі-регулятори для вторинного регулювання ОЕС в цілях забезпечення її динамічної стійкості. Об'єкти електролізного виробництва, як споживачі-регулятори для вторинного регулювання ОЕС, можуть бути задіяні в ОЕС як окремі засоби 48643 10 регулювання динамічної стійкості ОЕС, так і в сукупності з споживачами-регуляторами, виконаними у вигляді перетворювачів електричної енергії в теплову енергію, що передбачено прототипом. Все, що зазначено вище, розширює можливості вторинного регулювання об'єднаної енергосистеми для забезпечення її динамічної стійкості. Нижче приводиться опис об'єднаної енергосистеми, що заявляється, з посиланнями на креслення, на якому представлена блочна схема об'єднаної енергосистеми. Об'єднана енергосистема включає множину генераторів електричної енергії 1, з'єднаних загальною енергетичною мережею 2, множину споживачів електричної енергії 3, підключених до загальної енергетичної мережі 2. Споживачі електричної енергії 3 містять виділену групу споживачів-регуляторів 3, що представляють собою об'єкти електролізного виробництва, об'єднану системою централізованого керування 4 з можливістю відключення або включення або зміни потужності зазначених спожива/ чів-регуляторів 3 . Об'єднана енергосистема містить також диспетчерський центр 5, що з'єднаний керуючою лінією 6 з генераторами електричної енергії 1, керуючою лінією 7 зі споживачами електричної енергії 3, керуючою лінією 8 з енергетичною мережею 2, керуючою лінією 9 із системою централізованого / керування 4 споживачами-регуляторами 3 . Система централізованого керування 4 з'єднана керуючими лініями 10 з споживачами-регуляторами / 3. Електролізні технології полягають в електрохімічних процесах окислення та відновлення на електродах при протіканні постійного електричного струму. При електролізі позитивно заряджені катіони рухаються до катоду, на якому електрохімічно відновлюються. Негативно заряджені аніони рухаються до анода, де електрохімічно окислюються. В результаті електролізу на електродах виділяються речовини в кількостях, пропорційних кількості пропущеного струму. Електролізні технології широко застосовується для одержання багатьох речовин (металів, наприклад алюмінію, міді, газів, наприклад водню, хлору та інших речовин), мають мінімальну інерційність в керуванні, некатегорійні, керування ними може базуватися на засобах системної автоматики без безпосередньої участі персоналу оперативно-диспетчерського керування ОЕС. Експлуатують об'єднану енергосистему таким чином. Безупинно контролюють електричні параметри об'єднаної енергосистеми (напругу, частоту і споживану потужність). Кількість контрольованих параметрів повинна бути достатньою для оцінки співвідношення генеруємих і споживаних потужностей. Корегують співвідношення генеруємих і споживаних потужностей за результатами контролю електричних параметрів об'єднаної енергосистеми. Корегування виконують шляхом відключення або включення або зміни потужності виділеної / групи споживачів-регуляторів 3 , вибраних із об'єктів електролізного виробництва й об'єднаних сис 11 48643 / темою централізованого керування 3 зазначеними / споживачами-регуляторами 3 . Контроль електричних параметрів загальної енергетичної мережі виконують диспетчерським центром 5 об'єднаної енергосистеми, а відключення або включення або зміну потужності виділеної групи споживачів/ регуляторів 3 виконують через систему централізованого керування 4 зазначеними споживачами/ регуляторами 3 по командах диспетчерського центра 5. У звичайному режимі експлуатації об'єднаної / енергосистеми споживачі-регулятори 3 споживають електричну енергію для реалізації відповідних електролізних технологій. В умовах навантажувального піку (при дефіциті введеної потужності генераторів електричної / енергії 1), частину або всі споживачі-регулятори 3 автоматично відключають або переводять у режим зменшення споживання електричної потужності. При нормалізації генеруємих і споживаних потуж/ ностей зазначені споживачі-регулятори 3 переводять у звичайний режим споживання електричної потужності. Таким чином корегують співвідношен Комп’ютерна верстка А. Крулевський 12 ня генеруємих і споживаних потужностей в об'єднаній енергосистемі. Слід зазначити, що при цьому режим роботи генераторів електричної енергії не змінюється. Генератори електричної енергії постійно працюють у стаціонарному, найбільш економічно вигідному режимі роботи з мінімальною витратою палива і з максимальним навантаженням. Об'єднана енергосистема, що заявляється, забезпечує: - підвищення надійності й енергетичної безпеки ОЕС, запобігання системних аварій, що можуть виникнути внаслідок раптового різкого росту електричного навантаження або аварійного відключення крупних енергоблоків АЕС і ТЕС; - розширення можливостей вторинного регулювання об'єднаної енергосистеми для забезпечення її динамічної стійкості без первинного регулювання генеруючих енергоблоків; - підвищення коефіцієнта використання встановленої потужності генеруючих енергоблоків за рахунок їх роботи в постійному оптимальному режимі. Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601