CC BY
16Статья поступила в редакцию 19.05.11. Ред. рег. № 1001
The article has entered in publishing office 19.05.11. Ed. reg. No. 1001
УДК 621.311.21
ГИДРОАККУМУЛИРОВАНИЕ ЭНЕРГИИ ВЕТРОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СТАНЦИЙ
П. Ф. Васько, В. И. Постников
Институт возобновляемой энергетики НАНУ 02094 Украина, Киев, ул. Красногвардейская, д. 20А Тел./факс +38-044-537-26-57, e-mail: renewable@ukr.net
Заключение совета рецензентов: 08.06.11 Заключение совета экспертов: 18.06.11 Принято к публикации: 23.06.11
Выполнен анализ разработок гидроаккумулирующих станций для совместной работы с ветроэлектрическими станциями с целью обеспечения автономного электропитания регионов. Рассмотрены вопросы создания гидроаккумулирую-щих станций на морской воде.
Ключевые слова: анализ, гидроаккумулирующие станции, ветроэлектрические станции, автономное электроснабжение, морская вода.
HYDROELECTRIC STORAGE AT WIND POWER PLANTS
P.F. Vasko, V.I. Postnikov
Institute of Renewable Energy, National Ukrainian Academy of Science 20A Krasnogvardejska str., 02094, Kyev-94, Ukraine Phone/fax: +38-044-537-26-57, e-mail: renewable@ukr.net
Referred: 08.06.11 Expertise: 18.06.11 Accepted: 23.06.11
There have been studied and analyzed hydroelectric pumped storage power stations for joint performance with wind power plants. Their performance should be aimed at ensuring autonomous power supply in regions. The issues of building hydroelectric pumped storage power stations in the sea have been considered.
Keywords: analysis, pumping stations, wind power stations, autonomous power supply, sea water.
Использование гидроаккумулирующих электрических станций (ГАЭС) для аккумулирования энергии ветра предоставляет возможности для решения важных технических и социоэкономических проблем районов, удаленных от централизованного энергоснабжения, в частности: сглаживания поступления пульсирующего и/или случайного характера ветровой энергии, а также обеспечения автономного энергоснабжения регионов от ветроэлектрических станций (ВЭС). По сравнению с другими видами аккумулирования энергии (химические аккумуляторы, сжатый воздух, маховики и др.) гидравлические аккумулирующие системы обладают большей мощностью и способны генерировать/аккумулировать электроэнергию на протяжении многих часов.
ГАЭС представляют собой проверенную временем надежную и экологически чистую технологию. Как правило, существующие станции располагаются в местах, где для этого имеются подходящие географические и гидрологические условия (верхнее и нижнее водохранилище, достаточный перепад уровней и др.). В случае использования морского побе-
режья в качестве нижнего бьефа открывается дополнительная возможность для создания ГАЭС, кроме того, предполагается экономия денежных средств на строительстве нижнего водохранилища.
В данной статье рассмотрены примеры некоторых действующих и проектируемых гидроаккумулирую-щих станций, которые представляют собой прототипы для технического решения предлагаемой задачи.
Общая характеристика ГАЭС
В период небольших нагрузок у потребителя избыток генерируемой мощности электросистемы используется для закачки воды в верхний резервуар ГАЭС. При росте нагрузки вода возвращается назад в нижний резервуар через турбину и генератор, покрывая пиковый режим нагрузки.
ГАЭС может располагаться как на поверхности земли, так и в подземных шахтах. Выбор варианта создания станции зависит от рельефа местности и затрат на выполнение строительных работ, которые достигают 75% всех затрат на сооружение станции.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 8 (100) 2011
© Scientific Technical Centre «TATA», 2011
Рис. 1. Типичное расположение подземной станции Ракун Маунтин Fig. 1. The typical location of the underground station Raccoon Mountain
На рис. 1, 2 показаны типичное расположение подземной станции Ракун Маунтин (США, 1600 МВт) и типичный суточный график ее работы [1].
Рис. 2. Типичный суточный график работы подземной станции Ракун Маунтин Fig. 2. A typical daily schedule of the underground station, Raccoon Mountain
Устройство наземной станции покажем на примере Киевской ГАЭС. Бассейн-накопитель полезным объемом 3,7 млн м3 расположен на высоте 70 м над уровнем водохранилища Киевской ГЭС. В период вечернего максимума нагрузок в электросистеме потенциальная энергия накопленной воды используется для выработки электроэнергии. В здании ГАЭС установлено шесть гидроагрегатов (рис. 3), характеристики которых приведены в табл. 1. Три агрегата являются обратимыми, т.е. способными работать в генераторном и насосном режимах. Конструкция гидравлической турбины показана на рис. 4. Соединение бассейна-накопителя воды с нижним резервуаром осуществляется с помощью шести трубопроводов диаметром 3,8 м (рис. 5). Общая установленная мощность ГАЭС в генераторном режиме составляет 225 МВт, а в насосном - 120 МВт.
Рис. 3. Агрегаты Киевской ГАЭС Fig. 3. The units of the Kiev Hydroelectric Power Plant
Рис. 4. Гидравлическая турбина Киевской ГАЭС Fig. 4. Hydraulic turbine of the Kiev Hydroelectric Power Plant
Рис. 5. Соединение бассейна-накопителя с нижним резервуаром с помощью трубопроводов Fig. 5. Connection pool drive with a lower reservoir with pipes
Таблица 1
Характеристики гидроагрегатов Киевской ГАЭС
Table 1
Characteristics of generating units of the Kiev Hydroelectric Power Plant
Гидравлическое оборудование Турбина Турбина/насос
Тип РО 115/697-ВМ300 РОНТ-18-ВМ465
Мощность, МВт 43,0 34,6/40,0
Расчетный напор, м 65,0 65,0/69,5
Расход воды, м3/с 74,3 63,0/50,5
Скорость вращения, об/мин 166,7 166,7/166,7
Электрическое оборудование Генератор Генератор/ двигатель
Тип СВ0-733/130-36 СВ0-733/130-36
Мощность, МВт 41,5 33,4/40,0
Учитывая потери энергии в трубопроводах и электрооборудовании, ГАЭС имеют КПД 70-85% от мощности, сообщаемой насосам. В настоящее время технология аккумулирования больших количеств энергии с помощью ГАЭС считается наиболее экономичной из всех известных, однако капитальные затраты на строительство могут быть решающим фактором при реализации идеи.
Энергетичес: Energy
Ближайшие прототипы
Ближайшие прототипы ГАЭС для аккумулирования энергии ВЭС разработаны на Канарских [2] и греческих островах Крит, Лесбос, Сефирос [3-5], острове Икария [6], на севере Шотландии [7]. Аналогичные проекты существуют для Ближнего Востока [8, 9], причем станции могут располагаться на побережье и использоваться для опреснения морской воды и других целей (например, развития ак-вакультуры).
Греческие острова Крит, Лесбос и Сефирос характеризуются высоким потенциалом ветровой энергии, однако проблема состоит в том, что в часы малых нагрузок она не востребована сетью и отключается системным оператором [4]. Энергетические показатели островов приведены в табл. 2.
Рассматривались шесть сценариев подключения ГАЭС (табл. 3).
При расчете сценариев принимались во внимание нагрузка сети, установленная мощность ВЭС и проектные параметры ГАЭС. Основным параметром оптимизации выбиралась стоимость произведенной электроэнергии. Для всех шести рассмотренных сценариев введение в эксплуатацию ГАЭС уменьшает стоимость произведенной электроэнергии, если ГАЭС покрывает не менее 5% пиковой нагрузки. Решающими факторами также являются удобное место расположения резервуара и величина напора.
Таблица 2
е показатели
Table 2
dicators
Остров Население, чел Пиковая нагрузка, МВт Минимальная нагрузка, МВт Среднегодовая нагрузка, МВт Годовое потребление, ГВт-час Стоимость эл. энергии, евро/кВтчас (2005)
Крит 600447 563 145 305 2680 0,18
Лесбос 90641 58 11 34 295 0,15
Серифос 1414 2,9 0,45 0,83 7,1 0,42
Таблица 3
Способы подключения ГАЭС
Table 3
Ways to connect PSP
Сценарий Трубопровод Режим работы турбины/насоса Управление
1 Одиночный Пиковый режим / преобладающий турбинный режим работы Простое
2 Двойной Пиковый режим Простое
3 Двойной Пиковый режим Усовершенствованное
4 Двойной Постоянный режим работы / покрытие части нагрузки сети Простое
5 Двойной -//- Усовершенствованное
6 Двойной Усовершенствованное
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 8 (100) 2011
© Scientific Technical Centre «TATA», 2011
В настоящее время сооружается демонстрационная ВЭС-ГАЭС для покрытия 75% потребности острова Эль-Хьерро (Испания) в электроэнергии [2]. Остров провозглашен UNESCO биосферным заповедником и занимает площадь 276 км2 с населением 10 000 чел. Остров не подсоединен к континентальной электросистеме и должен перейти на 100% энергообеспечение от возобновляемых источников энергии. Составляющая ветровой энергии в электросети равна 30%. При введении станции в эксплуатацию в 2008 г. составляющая возобновляемой энергии в сети повысилась до 68,4%. Главная цель сооружения ГАЭС состоит в решении проблемы случайного характера поступления ветровой энергии, вызывающей флуктуации мощности, напряжения и частоты в электросистеме. Проведенные предварительные расчеты показали, что станция экономически конкурентоспособна при стоимости дизельного топлива > 0,283 евро/литр.
В Великобритании мощность ветростанций приблизительно равна 2 ГВт, и планируется ее увеличение до 30 ГВт (2020 г.). Основные идеи интегрирования ВЭС и ГАЭС состоят в следующем [10]:
1. Подключение ветростанций к сети может привести к нежелательным нарушениям частоты и напряжения ввиду флуктуаций ветра. В этом случае целесообразно отсоединить ветрогенераторы от сети и подключить непосредственно к насосам ГАЭС.
2. Совместная работа ветростанции, гидроакку-мулирующей станции и сети позволяет гибко реагировать на изменение нагрузки и/или скорости ветра.
3. В часы небольших нагрузок (и при отсутствии ветра) существует возможность использовать электроэнергию сети по меньшим тарифам для закачки гидроаккумулирующей станции.
Другие причины, по которым предпочтительно иметь парк ветростанций, работающий на аккумулирующие станции:
- перебои с централизованными поставками электроэнергии через пролив Ламанш (Великобритания подсоединена к Франции двумя линиями по 1000 МВт, которые периодически отключаются);
- отключение паротурбинных агрегатов (это происходит по многим причинам, включая ложные сигналы. Самые крупные агрегаты имеют мощность 660 МВт);
- выход из строя трансформаторов (при отключениях трансформаторов на подстанциях происходят существенные нарушения в национальной сети, в результате чего отключаются потребители);
Основные технические Main technical cha
- грозовые разряды (национальная сеть может отключаться при попадании в нее разрядов молнии);
- неожиданный рост нагрузки (пиковые режимы).
ГАЭС на морской воде
Создание ГАЭС на морской воде позволит существенно увеличить возможности выбора предпочтительных мест для их сооружения и величины проектной мощности. ГАЭС смогут создаваться на побережье морей и океанов с расположением бассейна-аккумулятора на высотах 100 метров и более над уровнем моря. Воздействие морской воды на почву может быть исключено в результате применения специальных конструкций и гидроизоляции стен бассейна.
На данный момент единственная действующая ГАЭС на морской воде находится на острове Окинава (Япония) [11]. Строительство этой станции было вызвано необходимостью в покрытии резко выросших пиковых нагрузок острова. Она предназначена для работы совместно с тепловыми станциями. Кроме выравнивания графика нагрузки, ГАЭС позволяет регулировать частоту тока в сети и обеспечивает резервное генерирование.
Станция на острове Окинава имеет верхнее водохранилище на высоте 150 м над уровнем моря, которое находится на расстоянии около 600 м от побережья (рис. 6). Основные технические характеристики ГАЭС приведены в табл. 4 и на рис. 7.
Рис. 6. Верхнее водохранилище ГАЭС на о-ве Окинава Fig. 6. Upper Reservoir of Hydroelectric Power Plant on the island of Okinawa
Таблица 4
характеристики ГАЭС
Table 4
racteristics of PSP
Турбинный режим Насосный режим
Макс. генерируемая мощность, кВт 31400 Макс. потребляемая мощность, кВт 31800
Макс. полезный напор, м 141 Динамический напор, м 160
Макс. расход воды, м3/с 26 Мин. расход воды, м3/с 20,2
Рис. 7. Основные технические характеристики ГАЭС на о-ве Окинава Fig. 7. Main technical characteristics of PSP on the island of Okinawa
Особенности насоса/турбины для морской воды заключались в выборе метода предохранения от коррозии и материалов для конструктивных частей. Для элементов турбины/насоса с низкой скоростью течения воды использовалась мягкая углеродистая сталь, покрытая краской, в то время как для участков с высокой скоростью протекания воды применялась нержавеющая сталь. С целью предотвращения коррозии в местах повреждения краски использовалась катодная защита. Поскольку коррозия увеличивается с ростом скорости воды, то катодная защита осуществлялась от внешнего источника, что позволяло регулировать антикоррозионный ток.
Спиральная камера турбины выполнена из катаной стали Л8-8и8316Ь и покрыта виниловой толстой краской со стеклянным наполнителем. Поверхности, через которые проходит вода, выполнены из аустенитной стали Л8-8и8316Ь с низким содержанием углерода. Поверхности, не подвергаемые воздействию воды, выполнены из катаной стали Л8-8М400А. Направляющий аппарат турбины и рабочее колесо выполнены из аустенитной стали Л8-8С816А с низким содержанием углерода и некоторой примесью азота для повышенной коррозионной прочности. Главный вал снабжен токосъемным кольцом для подвода антикоррозийного тока. Главный вал выполнен из нержавеющей аустенитной стали Л18-8и8Б316М, содержащей азот. Верхняя часть отводящей трубы выполнена из нержавеющей аустенитной стали с низким содержанием углерода Л8-88400 и покрыта толстым слоем виниловой краски со стеклянным наполнителем. Герметизация корпуса вала выполнена на основе керамики.
Предотвращение налипания мелких морских организмов к лопастям, трубопроводу, затворам и другому оборудованию в местах, где скорость потока менее 5 м/с, достигалось путем покрытия соответствующих элементов конструкции водоотталкивающим составом.
В результате антикоррозийных мер и мер по предотвращению налипания морских организмов удалось значительно ослабить влияние морской воды на энергетические показатели ГАЭС.
Конкретные вопросы разработки и функционирования системы ГАЭС-ВЭС с учетом экологических и экономических факторов изложены в приведенных ниже источниках.
Выводы
Применение ГАЭС для аккумулирования и сглаживания колебаний мощности ветровых электрических станций предоставляет возможности для обеспечения устойчивого автономного электроснабжения регионов.
Создание ГАЭС на морской воде позволяет существенно увеличить возможности выбора предпочтительных мест для их сооружения и величины проектной мощности.
Список литературы
1. The Mountaintop Marvel (www.tva.gov/heritage/ mountaintop).
2. Bueno C., Carta J.A. Technical-economic analysis of wind-powered pumped hydrostorage systems. Part II, Mode application to the island of El Hierro // Solar Energy. 2005. Vol. 78, Issue 3. P. 396-405.
3. Dimitris Al. Katsaprakakis, Dimitris G. Christakis, Emmanuel Voumvoulakis, Arthouros Zervos, Dimitris Papantonis, Spiros Voutsinas. The introduction of wind-powered pumped storage systems in isolated power systems with high wind potential // Int. Journal of Distributed Energy Resources. 2007. Vol. 3, No. 2. P. 83-112.
4. Caralis G., Zervos A. Prospects of Wind and Pumped Storage systems' integration in Greek islands.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 8 (100) 2011
© Scientific Technical Centre «TATA», 2011
5. John S. Anagnostopoutos, Dimitris E. Papantonis. Pumping station design for a pumped-storage wind-hydro power plant // Energy Conversion and Management. 2007. Vol. 48, Issue 11. P. 3009-17. 19th Int. Conf on Eff., Cost, Optimisation, Simulation & Env. Impact of Energy Systems.
6. http ://insula.org/eurocaribbean/67_ Theodoropoulos.pdf.
7. Pumped Storage in Scotland (http://www.esru. strath.ac.uk).
8. Dead Sea Power Project (http://deadseapower. com/).
9. Masahiro Murakami. Managing Water for Peace in the Middle East: Alternative Strategies United Nations University Press (TOKYO - NEW YORK - PARIS, 1995).
10. David J.C. MacKay. Enhancing Electrical Supply by Pumped Storage in Tidal Lagoons. Cavendish Laboratory, University of Cambridge, March 13, 2007.
11. Tetsuo Fujihara, Haruo Imano, Katsuhiro Oshima. Development of Pump Turbine for Seawater Pumped-Storage Power Plant // Hitachi Review. 1998. Vol. 47, No. 5. P. 199-202.
12. Intermittent Wind Generation. Summary Report of Impacts on Grid System Operations. Prepared by KEMA-XENERGY. June 1, 2004, # 500-04-091.
13. Leonhard W. Netzeinspeisung aus regenerativen Quellen // Elektrizitätswirtschaft. 2002. H. 4. S. 36-41.
14. Leonhard W., Muller K. Ausgleich von Windenergieshwankungen mit fossil befeuerten Kraftwerken - wu sind die Grenzen // Elektrizitatswirtschaft. 2002. H. 21/22. S. 30-37.
