Электрические и тепловые нагрузки и способы их регулирования. Сравнение экономической и экологической эффективности разных способов

По видам потребления различают 5 групп электрических и тепловых нагрузок:

– промышленная нагрузка;

– коммунально-бытовое потребление;

– электрический транспорт;

– уличное освещение;

– сельскохозяйственные нужды.

Промышленная нагрузка за счет одно- и двухсменных режимов работы предприятий снижается в ночное и вечернее время. Коммунально-бытовое потребление значительно в утреннее и вечернее время, вечерний пик более продолжительный. Транспортные перевозки имеют пики в утренние и вечерние часы. Уличное освещение имеет максимум в ночные часы [12].

В связи со значительной неравномерностью электрической нагрузки в течение суток важной задачей является рациональное покрытие относительно кратковременных, но значительных пиков нагрузки. По числу часов максимальных нагрузок различают базовые, полупиковые и пиковые агрегаты. Основными способами покрытия пиков электрической нагрузки являются:

1) эксплуатация гидроэлектростанций благодаря быстроте пуска, останова, регулирования, возможности изменения нагрузки;

2) использования резерва мощности обычных паротурбинных энергоблоков, работающих в режиме частых пусков и остановов;

3) применение высокоманевренных агрегатов, таких как пиковые и полупиковые паротурбинные, газотурбинные парогазовые и гидроаккумулирующие электростанции;

4) использование временной перегрузки паротурбинных ТЭС за счет режимных мероприятий;

5) аккумулирование энергии путем заполнения газохранилищ сжатым воздухом, используемым затем в газотурбинных установках, накопление теплоты в виде горячей воды и электроэнергии в электрических аккумуляторах;

6) использование ТЭЦ как наиболее экономичного способа получения тепловой энергии.

Режим потребления электрической или тепловой энер­гии потребителем: предприятием, районом, городом, страной – в течение определенного отрезка времени: суток, месяца, года – отра­жается с помощью графика нагрузки. Соответственно, различают суточный, месячный, годовой графики нагрузки. График нагрузки – это зависимость потребляемой мощности от времени суток, месяца, года. Графики нагрузки существенно отлича­ются для воскресных и рабочих дней, для зимних и летних месяцев и т.п. Графики нагрузки отдельных потребителей и в целом энергосисте­мы имеют неравномерный характер. Суточный график нагрузки района или города складывается из гра­фиков нагрузки множества отдельных потребителей и отражает изме­нение во времени суммарной мощности всех потребителей района или города, имеет минимумы – провалы и максимумы – пики. Значит, в одни часы суток требуется большая суммарная мощность генераторов, а в другие часть генераторов или электростанций должна быть отключена или работать с меньшей нагрузкой. Кардинально изменить характер потребления электрической и теп­ловой энергии весьма сложно. Более того, объективно существует тен­денция роста неравномерности энергопотребления в силу перспективы увеличения доли коммунально-бытовой нагрузки. Более ровная форма национальной кривой нагрузки означает бо­лее эффективное использование энергетических ресурсов в масштабах всей страны, и, следовательно, более успешную реализацию энергосбе­регающего потенциала. Весьма действенным экономическим инструментом являются дифференцированные тарифы (цены) на электрическую и тепло­вую энергию: в периоды максимумов нагрузки тарифы выше, что сти­мулирует потребителей к перестройке работы с целью уменьшения по­требления в часы максимума нагрузки энергосистемы. Эффективной технической мерой выравнивания графиков на­грузок служит аккумулирование различных видов энергии. Идея заключается в том, что в часы провала нагрузки следует запасать элек­троэнергию, а в часы максимума – использовать ее. Представляет зна­чительный интерес идея так называемого встречного регулирования режима потребления и способы ее практического осуществления. Суть ее состоит в том, чтобы стимулировать потребителя к максимальному потреблению в часы минимума ЭС и к минимальному потреблению в часы максимума ЭС. Таким образом, можно определить 3 основных пути решения пробле­мы несоответствия режимов энергопроизводства и энергопотребления и, следовательно, 3 конкретных задачи энергетического менеджмента:

– оптимизация структуры генерирующих мощностей, т.е. рациональный выбор числа, видов, установленной мощности электрических станций;

– разработка и использование системы социально-экономических мероприятий, стимулирующих потребителя к уменьшению по­требления в часы максимумов нагрузки энергосистемы;

– разработка и внедрение способов и устройств аккумулирова­ния энергии.

Задачу снятия пиков нагрузки могут помочь решить гидроаккумулирующие станции (ГАЭС). Когда электрическая нагрузка в ЭС минимальна, вода из нижнего водохранилища перекачивается в верхнее, при этом по­требляется электроэнергия из системы, т.е. ГАЭС работает в двигатель­ном режиме. В режиме непродолжительных пиков – максимумов нагруз­ки ГАЭС работает в генераторном режиме и, расходуя запасенную в верхнем водохранилище воду, выдает электроэнергию в ЭС. Рельеф Бе­ларуси отличается наличием естественных перепадов местности, что позволяет сооружать станции с небольшим напором 80-110 м. Для Бело­русской энергосистемы характерен значительный дефицит маневренной мощности, поэтому сооружение ГАЭС было бы весьма полезно. Химические системы аккумулирования энергии предполагают накопление химической энергии в форме энергии связи электронов с ядрами в атомах или связи атомов в молекулах. Пример химического механизма аккумулирования энергии – реакция, происходящая у элект­родов электрических батарей – электрохимических аккумуляторов. Электрическая батарея – комбинация включенных параллельно или последовательно двух и более электрохимических элементов. Батарея заряжается путем питания электрической энергией от внешнего источ­ника, которая в электрохимических элементах преобразуется в хими­ческую энергию. При подключении электрической батареи на внешнюю нагрузку (потребителя) она снова выдает электрическую энергию [18].

Различают две группы уст­ройств накопления тепловой энергии. В первой группе происходит аккумулирование явной теплоты. Ее накапливание осуществляется путем нагревания рабочего тела акку­мулятора – большой массы какого-либо вещества, термически изоли­рованного от внешней среды. Тот же принцип применяется для накоп­ления холода: резервуар с рабочим телом охлаждается с помощью холодильной установки в ночное время, во время провала нагрузки энергосистемы. Во второй группе устройств накопление тепловой энергии проис­ходит путем аккумулирования скрытой теплоты. Это осуществляется в результате перехода рабочего тела из одного агрегатного состояния в другое: из твердого в жидкое, из жидкого в парообразное. Аккумуляторы явной теплоты применяются в системах производ­ства электроэнергии, в том числе на солнечных электростанциях. Акку­муляторы скрытой теплоты – для питания потребителей коммунально-бытового сектора (широко применяются в солнечных отопительных установках жилого сектора США), сферы обслуживания.