При снабжении электроэнергией локальных потребителей энергетические составные части комплекса в составе ветровой и гидроаккумулирующей электростанций могут работать как по последовательной, так и по параллельной схеме.

В первом случае ВЭС все время работает только на насосные агрегаты ГАЭС, закачивающие воду в верхний бассейн. Работа же последней в генераторном режиме обеспечивает энергией потребителей в соответствии с их графиком потребления (рис. 5.16). Такая последовательная схема может быть оправдана при предъявлении потребителем очень высоких требований к качеству электроэнергии, которые могут быть обеспечены гидроэлектрическими агрегатами. Схема будет целесообразной и весьма эффективной для ГАЭС с неполной высотой подкачки, когда насосные агрегаты располагаются отдельно и имеет меньший напор, чем турбинные.

Во втором случае ВЭС при наличии ветра снабжает электроэнергией непосредственно потребителя, а при уменьшении ветрового потенциала недостающую мощность потребитель получает от генераторов ГАЭС (рис. 5.17). Здесь энергоустановки могут работать параллельно. При этом подкачка (или закачка) воды в аккумулирующий водоем производится при наличии излишков энергии ветра за счет включения обратимых агрегатов ГАЭС в насосный режим.

На схемах (рис. 5.16 и 5.17) приняты следующие обозначения: Э - общая выработка электроэнергии на ВЭС за расчетный период; Эп - потребляемая энергия от ВЭС; Эз - энергия, направляемая на заряд ГАЭС; Эт1, Эт2, ... - энергия, поступающая от ГАЭС потребителям; П1,П2,... Пп - категории потребителей.

Параметры энергетического комплекса определяются параметрами его основных составных энергетических частей.

Особенности ГАЭС и ВЭС от других типов электростанций, а также учет местных условий их сооружения, требуют при проектировании особых подходов к выбору их оптимальных параметров.

К основным параметрам ГАЭС относятся установленная мощность оборудования в насосном (Nh) и турбинном (Nt) режимах и полезная емкость аккумулирующего бассейна (V). Эти параметры, по существу, определяют стоимость строительства ГАЭС в целом и величину ее хозяйственного эффекта.

Напор ГАЭС является в большей степени технической характеристикой, шределяемой местными условиями, и в отличие от ГЭС, для которых необходимо экономическое обоснование НПУ и расчетного напора, не является параметром, требующим специального экономического обоснования. Для конкретной площадки возможного размещения ГАЭС должен приниматься максимально возможный по природным условиям статический напор. Расчетный напор для ГАЭС целиком определяется требованиями энергосистемы к участию ГАЭС в покрытии графика электрических нагрузок.

Рис. 5.16. Схема электроснабжения потребителей с использованием энергокомплекса ВЭС-ГАЭС при последовательной работе

Эп

Потребители энергии

Рис. 5.17. Схема электроснабжения потребителей с использованием
энергокомплекса ВЭС-ГАЭС при параллельной работе

При экономическом обосновании основных параметров ГАЭС большое значение имеет анализ возможности увеличения емкости аккумулирующего бассейна, а, следовательно, и установленной на ГАЭС мощности. Расчет включает в себя определение энергетического эффекта ГАЭС, выявление энергетических характеристик альтернативного варианта, сопоставление затрат, связанных со строительством и эксплуатацией ГАЭС, с соответствующими затратами альтернативного варианта.

В общем случае емкость аккумулирующего бассейна включает в

себя:

где Угр - емкость для покрытия графика среднечасовых нагрузок; Уна<т - для покрытия внутричасовых колебаний нагрузки; Уп - для участия в подхвате нагрузки при ее подъеме и спаде; Уав - для несения функций аварийного резерва.

Следует отметить, что при выборе параметров бассейна необходимо учитывать затраты на природоохранные мероприятия, а также - на оплату отчуждаемой территории.

При выборе оптимальных параметров бассейнов ГАЭС в комплексе, например с атомной электростанцией, кроме энергетического, должен учитываться водохозяйственный и экологический эффекты. Водохозяйственный эффект обеспечивается в возможности создания общей системы водоснабжения, а природоохранный эффект - за счет снижения парниковых и вредных выбросов при выработке энергии Г АЭС.

Важным вопросом при обосновании параметров ГАЭС является выбор геометрических параметров водоподводящих и отводящих элементов проточной части, которые сильно влияют на КПД блока в турбинной и насосном режимах, и, соответственно, на стоимость электроэнергии в турбинном и насосном режимах. Наиболее достоверные данные о значениях потерь энергии в элементах проточного тракта ГАЭС можно определить только в результате модельных гидравлических исследований.

К основным параметрам ВЭС относятся выработка электроэнергии и мощность станции, выработка и мощность применяемых ветровых установок, диаметр ветроколеса, высота оси ветроколеса над поверхностью земли.

При выборе параметров ветроэнергетических установок исходят из формулы мощности:

N = CN4j^^(5.1)

где CN - коэффициент использования ветровой энергии ветроколесом; і/ - общий КПД преобразования механической энергии ветроколеса в электрическую; со - площадь осевого сечения, ометаемого лопастями ветроколеса; р - плотность воздуха; v - скорость ветра.

Таким образом, если задана необходимая мощность ВЭУ и известна расчетная скорость ветра, то из (5.1) подсчитываются необходимые размеры ветроколеса.

Однако чаще всего расчеты по выбору параметров выполняются в иной последовательности. В нашей стране и за рубежом уже созданы и выпускаются серийно различные типы ВЭУ, имеющие оптимизированные геометрические параметры и предназначаемые для работы в тех или иных районах с разным ветровым потенциалом. Их энергетические характеристики известны. В частности, мощность ВЭУ равна:

JV = 0 при и й ит„

ЛГ = /(и)приопп <и<ият N = NB3y прии^

Выработка электроэнергии одной ВЭУ за некоторый расчетный период времени Т подсчитывается как

ИЮ

Э = Г-Л/ЮУ N'.f{p)dp

Ржо

где N' - мощность ВЭУ в относительных единицах: 100

а выражение ]N'-f(p)dp - представляет собой интегральную Р-0

обеспеченность относительной мощности ветроагрегата.

Как видим, выработка электроэнергии ветроагрегатом зависит как от установленной мощности самого ВЭУ, так и вида и полноты графика обеспеченности мощности, которая в свою очередь существенным образом определяется характеристиками скорости ветра в районе ветроколеса. Отсюда следует важный вывод: увеличив скорость ветра в зоне ветроколеса можно значительно повысить выработку электроэнергии.

При работе ВЭС и ГАЭС в комплексе важной проблемой является согласованный выбор и обоснование основных параметров, рассмотренных выше, обеспечивающих наилучший режим работы составных энергетических частей комплексной установки и более полное их использование. При этом меняются целевые функции. В частности, параметры аккумулирующего бассейна должны не только обеспечивать гидравлической энергией работу турбин в соответствии с заданным графиком электропотребления, но и давать возможность покрывать возможную недопоставку потребителям электрической энергии от ветроагрегатов в периоды ветровых затиший.

Емкость бассейна ГАЭС должна быть такова, чтобы обеспечивать регулирующую функцию энергокомплекса. Для этого необходимо в каждый момент знать соотношение производимой и потребляемой энергии. Уравнение баланса мощности записывается в виде:

Pi - Рт +Рзкі

где РИі - нагрузка в і-й период; Рэю - мощность, выдаваемая энергокомп л екеом.

При работе возможны следующие случаи:

1) Рі < 0 Имеется избыток мощности, которая направляется для

ее аккумулирования;

2) Pt > 0 Имеется недостаток мощности. Тогда, если:

а) /• < rj{Pai — Рцтт )> то требуемая нагрузка обеспечивается засчет работы аккумулирующей системы в генераторном режиме, для которой уравнение разряда будет иметь вид:

б) Pi > tj(Pai -^тіп), тов данный период требуемая нагрузка не может быть удовлетворена энергокомплекеом, поскольку аккумулирующая система разряжена. Потребитель энергии ее не получает (наблюдается перерыв в энергоснабжении).

Рассмотрим вопросы выбора параметров для двух схем, приведенных выше, подробнее. В первой из них установленная генераторная мощность ГАЭС определяется максимальной нагрузкой потребителей:

~ max

Количество агрегатов z, используемых в турбинном режиме, и их мощности выбираются на основании экономического анализа из условия:

Nr =z-NT

Исходя из мощности одного агрегата, его основные параметры подсчитываются по известным методикам в зависимости от имеющегося напора.

Определим объем электроэнергии, поставляемой потребителю за период времени Т. Эта величина, конечно же, определяется требованиями потребителя к энергоснабжению. В общем случае, эти требования выражаются графиком суточного потребления. Однако в данном рассматриваемом случае такие сведения не являются необходимыми. Дело в том, что основным источником энергии является ВЭС. Мощность ее ветроагрегатов зависит от наличия ветра и его скоростных характеристик. При этом энергетические ветровые затишья могут длиться несколько суток. Например, в Среднем Поволжье скорости ветра менее 4 м/с наблюдались продолжительностью до 8-12 суток. В связи с этим, суточный интервал времени Т или еще меньшее значение, например, один час, не дадут необходимой информации,

Для ВЭС выработку электроэнергии достаточно точно можно определить на основании объема поступающего ветрового потенциала за период средней продолжительности. Наиболее целесообразным интервалом, на наш взгляд, является сезон (три месяца). Анализ, выполненный на основании данных 10-летнего наблюдения, показал, что объем энергии ветра за один сезон из года в год практически не меняется. Сезонные же потенциалы могут изменяться. Таким образом, для определения выработки электроэнергии ГАЭС за период Т, равный трем месяцам, достаточно задать среднесуточную нагрузку Ncp посезонно. Тогда энергия,

вырабатываемая на ГАЭС за сезон, необходимая потребителям, будет равна:

Эт-Кр-Т

где Т - расчетный период времени, час.

Полученная величина не означает, что объем аккумулирующего водоема должен соответствовать Эг. Выбор полезного объема ГАЭС должен решаться на основании технико-экономического расчета. Этот вопрос рассмотрен ниже в настоящей работе.

Для того, чтобы энергия Эт поступила потребителю, необходима энергия заряда Э3. Величины эти взаимосвязаны:

эг - Ла эз

где т}а - КПД аккумулирования.

Насосное оборудование ГАЭС рекомендуется подбирать из условия обеспечения Э3. При этом может быть использовано уравнение баланса нагрузки в виде:

т

Ncp-T = 4a■

/=О

где Ncp - среднесуточная мощность ГАЭС в генераторном режиме; Т

т

- рассматриваемый период времени; NHtdt - мощность ГАЭС в

насосном режиме в /-й момент времени; интегральное выражение - потребление энергии насосами Э3 (энергия заряда) за период Т.

Далее, объем потребления энергии насосами должен быть обеспечен выработкой ветроагрегатами ВЭС. Если потерями в сетях пренебречь и не учитывать потребление электроэнергии на собственные нужды, то получим:

Э3 = Эвэс

Зная Эюс, и выработку электроэнергии одной ВЭУ в период Т, определяется количество необходимых ВЭУ для данных условий.

При этом рекомендуется рассмотреть несколько вариантов, отличающихся количеством ВЭУ; их типом, и, следовательно, рабочими характеристиками и удельными капиталовложениями; а также расположением их на местности. Все варианты должны удовлетворять условию:

Эвэс = Zj рVB3Adt = const

i=О

т

где і-номер рассматриваемого варианта; $NB3Adt - выработка

/=о

электроэнергии одной ВЭУ в им варианте.

Установленная мощность ВЭС может быть определена из следующих соображений. Для принятой ВЭУ и местных ветровых условий рассчитывается и строится кривая обеспеченности мощности (см. пример в гл. 3). По полученным данным подсчитывается выработка энергии Э, и коэффициент использования установленной мощности KN. Далее, определяется установленная мощность ВЭС по формуле:

KN

Соответственно, число агрегатов

NB3C

2 —---------

щ

Недостаток рассмотренной первой схемы электроснабжения комплексом - в больших удельных капитальных вложениях, поскольку ГАЭС должна иметь отдельное, независимое друг от друга, турбинное и насосное оборудование. Положительный фактор - высокие КПД как для турбинных, так и для насосных агрегатов.

Во второй схеме возможно непосредственное снабжение потребителей электроэнергией, вырабатываемой ВЭС. При этом ГАЭС целесообразнее оборудовать обратимыми агрегатами. Конечно, такие машины будут иметь меньший общий КПД аккумулирования, однако такое объединение обеспечит снижение удельных капиталовложений по комплексу. Тогда, при уменьшении ветрового потенциала недостающую мощность потребитель получает от агрегатов ГАЭС, работающих в генераторном режиме, а при увеличении ветрового потенциала, излишки энергии, вырабатываемые на ВЭС, направляются на агрегаты, включаемые в насосный режим для подкачки (или закачки) воды в аккумулирующий водоем.

Поскольку ГАЭС в периоды ветровых затиший должна полностью обеспечивать нагрузку потребителя, то основные ее параметры должны определяться аналогично первой схеме. Исходными данными для расчета являются также максимальная Ри щах и среднесуточная Ряд мощности потребителя. По первому из

этих параметров определяется установленная мощность ГАЭС в генераторном режиме Nr, число агрегатов и их единичные мощности.

По второй мощности (Р„д ) вычисляется энергия потребления

Эр за расчетный период Т:

Гг =Р»*т

Отметим, что в некоторых условиях мощности насосного оборудования ГАЭС, обеспечиваемого за счет установленных обратимых гидроагрегатов, может оказаться недостаточной. В этом случае, общая мощность дополнительно размещаемых насосов на ГАЭС будет равна

где Yдд - энергия, требуемая при закачке воды в аккумулирующий водоем ГАЭС для обеспечения электроэнергией потребителя во время

ветровых затиший; Эв - возможное по техническим условиям максимальное энергопотребление обратимыми агрегатами ГАЭС, работающими в насосном режиме за расчетный период Т.

Исходя из NHdd0 определяется число чисто насосных агрегатов, размещаемых дополнительно на ГАЭС, и их единичные мощности.

Выбор параметров ВЭС - более сложная задача. Выработка электроэнергии на ней Эвх: должна в течение расчетного периода Т частично обеспечить энергией потребителя В объеме 7 и заряд

ГАЭС - Э3, необходимый для работы ГАЭС в турбинном режиме Эт с целью энергоснабжения потребителя в периоды ветровых энергетических затиший. Причем, без учета потерь:

Эвэс =ЭпЭС +Э3

п ___ п ВЭС, п

'J/J — <?п '

В дифференциальном виде уравнение баланса можно записать в виде:

Эп = J N?3Cdt + jNff3Cdt

1=0 Г-0

nrj/n A

где Nf - мощность, выдаваемая ВЭС в момент времени t; Njt - мощность, вьщаваемая ГАЭС в турбинном режиме в момент времени /.

Второе слагаемое - общая выработка энергии ГАЭС в периоды затиший Эт должна определяться исходя из обеспеченности ветровых затиший в данном районе совместно с экономическими расчетами по обоснованию объема аккумулирующего водоема. Этот вопрос рассмотрен подробно в следующем параграфе настоящей работы.

Если эта величина уже определена, то, с учетом выше приведенных выражений, необходимая выработка энергии на ВЭС должна быть равной

Па

Далее, по вычисленной Эвэс, производится выбор ветроагрегатов по методике, изложенной выше для первой схемы.