Украина во тьме: график нагрузок

Обсуждение предыдущей статьи (http://aftershock.news/?q=node/303175) выявило, что многие читатели, в том числе имеющие отношение к работе энергосистем, до конца не понимают два ключевых понятия, которые лежат в основе выдвигаемых нами идей: это понятие «графика нагрузок» и понятие «вращающегося резерва». Об этих понятиях мы и поговорим в этой и последующей статье.

Итак, диспетчерский график нагрузок – что это такое, и почему это важно? Отличие производства электричества от большинства других производств заключается в том, что человечество не умеет запасать произведенную электроэнергию в сколь либо значимых количествах. Если производство каких-нибудь деталей можно загрузить равномерно, складывая излишки на склад, то с электричеством так не получается. Ни складирование в явном виде – различные электрические аккумуляторы, ни в неявном – с помощью ГАЭС, решить проблему не может. Поэтому при производстве электроэнергии должен соблюдаться простой принцип: в конкретный момент времени сколько мегаватт электроэнергии в изолированной системе произведено, столько же должно и быть потреблено. Что же будет в том случае, если этот баланс не выполняется? Это можно продемонстрировать на примере работы паровой турбины, которыми в ОЭС Украины вырабатывается до 95 % электроэнергии.

Пар с высоким давлением от котлов или ядерных реакторов подводится через паропровод к голове турбины. На ее хвосте поддерживается вакуум (кроме популярных в СССР, но сейчас вымирающих, турбин с противодавлением). Перепад давлений между головой и хвостом паровой турбины может составлять 200 и более атмосфер. Внутри турбины установлен ротор с насаженными на него лопатками – вал, способный вращаться без задевания о неподвижную часть турбины. Под действием перепада давления между головой и хвостом турбины – пар начинает двигаться, расширяется при понижении давления, и за счет этого передает свою кинетическую энергию ротору. Ротор начинает вращаться. К выступающему из корпуса турбины концу ротора можно с помощью муфты снять полезную работу, в частности, в электроэнергетике туда подключают ротор генератора. Внутри корпуса генератора ротор вращается в магнитном поле, тем самым создавая ток, который снимается в виде мощности. Собственно, процесс очевиден. При этом раскручивание ротора турбины паром уравновешивается торможением со стороны магнитных сил в генераторе, которые стремятся тем сильнее затормозить вращение, чем большая мощность снимается с него. Равновесное состояние заключается в том, что силы, приводящие ротор во вращение за счет кинетической энергии пара, оказываются равны силам, тормозящим вращение ротора. Это равновесие характеризуется определенной частотой вращения ротора, которая в точности равна частоте вызываемого ей электромагнитного тока.
 

Представим, что баланс выработки и потребления нарушен. Причем возможны два варианта: в первом вырабатывается больше, чем потребляется, во втором – наоборот. Тогда изменится и равновесие: либо пар начнет раскручивать вал, увеличивая частоту его вращения, либо сопротивление сети начнет тормозить вал, а частота его вращения будет снижаться. Работе, как генераторов, так и потребителей соответствует вполне определенное значение частоты сети (она же частота вращения вала). При ее выходе за допустимые рамки, как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения, оборудование начнет ломаться, как на стороне генерации, так и потребления. Следовательно, баланс выработки и использования электроэнергии нужно непрерывно поддерживать, сохраняя постоянное значение частоты.
 

Несложно догадаться, что это делается путем изменения расхода пара в голову турбину: частота в энергосистеме просела, значит, потребление выросло, добавляй пара, наоборот – уменьшай. В результате изменения в ту или иную сторону, система возвращается в исходное состояние, которому соответствует стабильное значение частоты сети. В современных установках это достигается путем применения специальных автоматических систем регулирования частоты и мощности (АРЧМ), которые с высокой скоростью и точностью осуществляют регулирование подачи пара в голову турбины в зависимости от изменения частоты вращения ротора. Принцип, согласно которому при отклонении частоты сети от стабильного состояния происходит изменение подачи пара в голову турбины, называется в энергетике Общим первичным регулированием частоты (ОПРЧ). В ОПРЧ участвуют все турбины, допущенные к работе в ОЭС, к нему предъявляются определенные требования по скорости изменения нагрузки в зависимости от отклонения частоты, и перед допуском к работе эти турбины проходят специальные испытания (в частности, методические указания, правда, для ЕЭС России, можно скачать здесь: http://so-ups.ru/fileadmin/files/company/markets/PG_010112.pdf, ссылка на украинский документ, к сожалению, битая).
Однако можно сообразить, что стабилизация определенного значения частоты в сети не обязательно приведет к тому, что частота будет иметь номинальные 50 Гц. Строго говоря, она может быть какой угодно, лишь бы баланс потребления и выработки соблюдался. В этом случае начинается процесс Нормированного первичного регулирования частоты (НПРЧ), который заключается в том, что подача пара в голову турбины регулируется при отклонении частоты в сети от номинального значения. Для участия в НПРЧ оборудование должно быть гораздо более маневренным, чем для участия в ОПРЧ, это, прежде всего, крупные газо-мазутные блоки ГРЭС и турбины крупных ГЭС. Типичные же для Украины пылеугольные блоки и блоки АЭС в НПРЧ, как правило, участвовать не могут, что резко снижает качество регулирования частоты в ОЭС. Это оборудование неспособно к быстрому и тонкому изменению нагрузки, являясь крайне инертным. Поэтому возвращение к номинальному значению частоты происходит по командам диспетчеров ОЭС, которые указывают, какое оборудование и как нужно разгрузить или нагрузить.
Возвращаясь к заявленной теме, мы видим, что перед диспетчерами ОЭС стоит задача непрерывно поддерживать баланс выработки и потребления электроэнергии за счет поддержания частоты в сети, используя возможности ОПРЧ и НПРЧ и задания на изменение нагрузки оборудования. Возникает вопрос, насколько велики отклонения от среднего значения потребленной мощности в течение длительной эксплуатации. Ответом может служить следующий рисунок, на котором показаны зависимости средней потребляемой мощности в ОЭС в рабочий день в январе и марте 2015 г. с разбивкой по часам.

Хорошо видно, что в зависимости от времени года и времени суток потребление заметно меняется.  В этой связи задачей диспетчера является предсказать и оптимальным образом распределить нагрузку среди отдельных генераторов. Разумеется, предсказание является делом относительно несложным: из анализа графиков энергопотребления за прошлые года, а также месяцы и дни вполне точно можно сделать выводы о потреблении в следующие сутки, тем более, что крупные потребители заранее планируют свои потребности и уведомляют диспетчерские службы. В этом случае диспетчер заранее определяет нагрузку отдельных единиц генерации и дает команду набрать ее к определенному времени. Фактический же дебаланс потребления, связанный с отличием заявленных графиков потребления от фактических и невыполнением электростанциями команд диспетчера, выравнивается путем «ручной» корректировки задания и механизмами ОПРЧ и НПРЧ. Сложности в поддержании графика возникают тогда, когда фактическое его состояние сильно отличается от планируемого, и чем больше это отличие, тем больше сложностей. Самые же большие сложности возникают тогда, когда располагаемая мощность генерации в сети оказывается существенно ниже потребной. В этом случае резерв подъема мощности оказывается исчерпанным, а единственным путем удержать частоту в сети – оперативно отключить часть потребителей. Собственно, все наши планы по атаке против ОЭС Украины именно на этом и строятся: организовать аварийное отключение крупного центра генерации с последующим обесточиванием опасных аварийных производств, однако в этой статье этот вопрос мы обсуждать не будем.
В любом диспетчерском графике есть два важных параметра, характеризующих его: это базовая нагрузка и степень неравномерности нагрузок. Базовой нагрузкой в разных школах называют либо минимальную длительную нагрузку за рассматриваемый период, либо среднюю за тот же период. В дальнейшем мы будем использовать именно первое определение. Охарактеризовать этот параметр можно следующим рисунком.
 

Базовая нагрузка на нем – все, что заштриховано серым. Это та нагрузка, которая условно у диспетчера есть всегда. Все же, что выше – это уже пиковая и полупиковая нагрузка, которая есть не всегда, и чтобы ее получить нужно либо подгрузить работающие генераторы, либо запустить новые.
Степень неравномерности нагрузок – это отношение максимального отклонения мощности от среднего за период наблюдения значения к среднему. Чем лучше поставлено администрирование энергопотребления в системе, тем величина этого параметра меньше. В пределе, если потребители выдрессированы как следует, то нагрузка в энергосистеме постоянна, и значение параметра равно нулю. В СССР это достигалось путем работы в ночные смены крупных производств, так как именно с их помощью можно уменьшить неравномерность потребления. Для населения же в настоящее время водится двухставочный тариф электропотребления, что должно стимулировать его к увеличению потребления ночью и уменьшения днем. На стороне генерации для выравнивания графиков кое-где применяют гидроаккумулирующие электростанции ГАЭС, которые ночью работают в режиме насоса, закачивая воду из нижнего водохранилища в верхнее, а ночью – в режиме турбины, сбрасывая воду вниз. Кстати, как видно из сравнительного графика за январь 2015 и январь 2014, в ОЭС за последний год не только уменьшилось потребление, что связано с ростом цен и падением производства, но и разуплотнились графики потребления, что означает ухудшение качества администрирования, и причина тут, похоже, не только в падении производства, потому что разница в снижении максимальной и минимальной нагрузки составляет 1000 МВт, что свидетельствует и об ухудшении дисциплины энергопотребления. Это, к слову, о заявлениях Гонтаревой насчет того, что дно достигнуто. Нет, не достигнуто: на дне бы ситуация стабилизировалась и мы бы имели эквидистанты.
 

Таким образом, мы кратко обсудили, как именно происходит балансирование между выработкой и потреблением электричества в ОЭС в нормальных режимах работы. Однако каковы же механизмы балансирования в ОЭС при системных авариях? Об этом поговорим в следующий раз, когда рассмотрим важнейшее понятие «вращающегося резерва».

Ссылки по теме:
1.    Украина во тьме: интродукция. http://aftershock.news/?q=node/259293
2.    Украина во тьме: теория. http://aftershock.news/?q=node/259476
3.    Украина во тьме: практика. http://aftershock.news/?q=node/259868
4.    Украина во тьме: самоанализ. http://aftershock.news/?q=node/274758
5.    Украина во тьме: итоги зимы. http://aftershock.news/?q=node/302432
6.    Украина во тьме: необходимое отступление. http://aftershock.news/?q=node/303175