В статье авторы пытаются определить возможность использования ГАЭС в системе тягового электроснабжения железных дорог, для одновременного решения нескольких задач тягового электроснабжения.
Ключевые слова: тяговое электроснабжение железных дорог, переменный ток, гидроаккумулирующие электростанции, ГАЭС.
Гидроаккумулирующие электростанции создаются, как правило, для суточного аккумулирования энергии в электроэнергетической системе [1 с.6]. Ожидаемых режимов работы два: ночной и дневной. Ночью это насосный режим, то есть накопление энергии, а днем, в часы пик, покрытие пиковой мощности, то есть генерация энергии. График тяговый нагрузки на железной дороге также имеет суточную повторяемость, что способствует использованию ГАЭС по ее прямому назначению — выравниванию суточного потребления энергии. Хотя максимумы и минимумы тяговой нагрузки слабо привязаны ко дню и ночи.
ГАЭС по своим конструктивным особенностям можно отнести к гидроэнергетике, то есть к гидроэлектростанциям, а по основной функции к накопителям энергии, так как они не являются первичным источником электроэнергии, то есть первичной электростанцией.
К механическим накопителям электроэнергии, могут еще относится подземные накопители сжатого воздуха, системы хранения жидкого воздуха и инерционные накопители (маховики). В течение суток у ГАЭС могут быть еще два режима: режим остановки и компенсационный режим.
В мире есть несколько сотен ГАЭС, но в России эксплуатируется одна лишь крупная Загорская ГАЭС мощностью 1200 МВт, к которой сейчас добавлена вторая очередь в 800 мВт, обслуживающая московский промышленный регион. В советский опыт входит еще две крупных ГАЭС, одна в Украине и одна в Литве, построенных в советское время.
Рис. 1. Суточный график нагрузки энергосистемы [2, с. 31]
ГАТЭС (гидроаккумуляторная тяговая электростанция) наследует у ГАЭС такие свойства, как высокая маневренность оборудования в турбинном и насосном режимах [1 с. 7]. Для включения и отключения не требуется длительного времени. У ГАЭС есть возможность регулирования нагрузки (как в турбинном, так и насосном режимах). При достаточной емкости аккумулирования возможно использовать ГАТЭС и в аварийном режиме, при временном перерыве основного питания на тяговой подстанции.
У системы электроснабжения тяговой сети есть и свои особенности, которые должны быть учтены в ГАТЭС для тяговой сети и которых нет у неспециализированной ГАЭС. Например, если в обычной сети, нагрузки стационарны и минимум потребления присущ ночному времени, то для тяговой сети минимумы и максимумы потребления зависят от графика движения поездов в месте установки ГАЭС и если нет серьезного пригородного движения, никак не будет привязан к времени суток.
Тяговые подстанции в системе тягового электроснабжения выполняют роль преобразователя входного трехфазного напряжения в выходное однофазное напряжение, поскольку тяговая сеть переменного тока однофазное. Эту же функцию можно выполнить и в ГАТЭС, разделив это преобразование на два этапа по времени. Условный преобразовательный режим состоит из последовательности трехфазного насосного режима и однофазного генераторного режима, без совмещения функции насосного режима с генераторным режимом у одной обратимой электрической машины. Тогда несимметрию будет создавать только базовая часть нагрузки тяговой подстанции, а не приращение нагрузки в пиковой части. Этим самым уменьшается искажения симметрии токов в питающей энергосистеме, вызванные тяговой нагрузкой. Поэтому у ГАТЭС насос и генератор конструктивно совмещать нецелесообразно. Трехфазную симметричную нагрузку на первичную энергосистему создают трехфазные насосы. Однофазный выходной режим создают специальные однофазные выходные генераторы. Однофазные генераторы конструктивно проще трехфазных генераторов.
Генератор ГАТЭС может быть потенциально использован в режиме синхронного компенсатора, для компенсации реактивной мощности в тяговой сети, аналогично параллельной емкостной компенсации тяговой сети, когда он не используется в режиме генерации. Для этого генератор должен быть выполнен как синхронный генератор. Эта компенсация также приведет к улучшению режима напряжения и при отсутствии генерации.
Заряд ГАТЭС энергией осуществляют путем подъема воды гидромашинами с электрическим приводом из нижнего водохранилища в верхнее (верхний аккумулирующий бассейн). Заряд целесообразно произвести во время провалов электропотребления, когда в энергосистеме в связи с проблемами регулирования или необходимостью выполнения теплового графика нагрузки образуется излишняя генерирующая мощность. При разряде, осуществляемом в часы максимума нагрузки или в аварийной ситуации в энергосистеме, потенциальная энергия поднятой воды преобразуется в электрическую. При этом вода, срабатываемая из верхнего бассейна в нижний, пропускается через турбины, работающие совместно с генераторами, как и на обычных ГЭС. Таким образом, ГАТЭС при заряде работают как насосные станции, а при разряде как гидроэлектростанции.
Во многом сохраняя конструктивное и компоновочное сходство с обычными ГАЭС, ГАТЭС имеют и свои особенности. Независимо от индивидуальных особенностей каждой ГАЭС, все они имеют основной набор компоновочных элементов: верхний и нижний бассейны, здание ГАЭС, напорные водоводы.
Для верхних бассейнов могут использоваться как существующие водоемы — озера и водохранилища, так и специально создаваемые искусственные бассейны. В качестве нижних, помимо рек и озер, может использоваться акватория морских заливов. Как указано в [2], экономически выгоднее иметь естественным верхний бассейн, чем нижний бассейн. Топографические условия района площадки, выбранной для строительства, определяют величину напора на ГАЭС.
Приравняв между собой потенциальную энергию воды, поднятую на определенную высоту — напор, к кинетической энергии воды, спускаемой из верхнего бассейна в нижний, можно определить запасенный объем кинетической энергии. При этом необходим запас, учитывающий кпд двойного преобразования электроэнергии, сначала в потенциальную энергию, затем в кинетической энергии воды в электроэнергию. Теоретическая мощность водотока (без учета потерь стока и водной энергии при ее преобразовании в электрическую энергию в турбинном режиме) определяется следующим образом:
N = 9,81QH,
где N — мощность водотока, кВт; Q — расход воды, м3/с;
H — напор, м.
Работа потока определяется напором (Н) водотока, т. е. разностью уровней воды в начале и конце рассматриваемого участка, и величиной расхода (Q) протекающей воды. От водотока зависит максимальная мощность генератора.
Запас воды по этой формуле требует уточнения. Нужно иметь еще запас воды на ее потери, из-за испарения в летнее время, просачивания (дренаж) в почву в верхнем бассейне, утечки в уплотнениях гидравлических машин. И еще нужно учесть запас воды на кпд ГАЭС. Цикл работы двойной, закачка воды и ее сброс в нижний бассейн. На оба цикла уйдет около 24–28 % входной энергии. Экономическая сторона потерь будет зависеть от разницы в тарифах на электроэнергию в часы закачки воды и в часы ее спуска. Выбор времени режимов работы зависит не только от графика движения поездов, но и от тарифной политики питающей энергосистемы в течение суток и дней недели.
Из формулы видно, что при увеличении напора при неизменной мощности пропорционально уменьшается необходимый расход воды. Это означает, что чем больше напор, тем меньше расход воды, меньше диаметр напорных трубопроводов, меньше габариты рабочего колеса насоса и турбины и, следовательно, меньше габариты машинного здания и стоимость всего сооружения.
Рис. 2. Схема подключения ГАТЭС к межподстанционной зоне тяговой сети
На рис. 2 показаны две тяговые подстанции 1 и 2, ГАТЭС 3, контактная сеть 4, рельсовая цепь 5 и нейтральная вставка 7, разделяющая контактную сеть у подстанции на две фазы, А и В. Третья фаза подключена к 5.
Рис. 3. Напряжение на межподстанционной зоне тяговой сети 8 и 9 — напряжения питания, 8 — без ГАТЭС, 9 — с ГАТЭС
На рис. 3 показано влияние включения ГАТЭС на режим напряжения в тяговой сети. Подключение обеспечивает больший уровень напряжения в межподстанционной зоне в режиме генерации. Таким образом, ГАТЭС, кроме снятия пиковой мощности, позволяет улучшить уровень напряжения для тяги поездов. Для определения экономической эффективности следует учесть роль ГАТЭС для увеличения потребления в часы минимума нагрузок и для компенсации реактивной мощности для питающей энергосистемы, как это рекомендовано в [3].
Литература:
- Бабурин Б. Л., Глезин М. Д., Красильников М. Ф., Шейнман Л. Б «Гидроаккумулирующие электростанции»/ Под ред. Л. Б. Шейнмана.— М.: Энергия, 1978.— 184 с., ил. В пер, 80 к.
- Синюгин В. Ю., Магрук В. И., Родионов В. Г. «Гидроаккумулирующие электростанции в современной электроэнергетике / В. Ю. Синюгин, В. И. Магрук, В. Г. Родионов. — М.: ЭНАС, 2008. — 352 с.
- Елистратов В. В., Кудряшева И. Г., Мирошникова Ю. А. «Обоснование режимов ГАЭС в современных экономических условиях «Научно-технические ведомости Cанкт-Петербургского государственного политехнического университета». 4–1(183)’ 2013.
