№ 3
ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА
2013
УДК 621.311.16
© 2013 г. КАЗАРЯН В.А.1
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КРУПНОМАСШТАБНЫХ ПОДЗЕМНЫХ
АККУМУЛЯТОРОВ ЭНЕРГОНОСИТЕЛЕЙ ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ НЕРАВНОМЕРНОСТИ ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЯ
Рассматриваются актуальные вопросы, связанные с применением крупномасштабных подземных аккумуляторов энергоносителей при решении проблемы регулирования неравномерности (особенно пиковой) энергопотребления.
Анализируется значение подземных крупномасштабных аккумуляторов воздуха в составе воздушно-аккумулирующих газотурбинных установок для покрытия графика нагрузки электропотребления.
Приводятся реализованные, разработанные и перспективные технологические схемы установок по производству электроэнергии с использованием крупномасштабных аккумуляторов энергоносителей для регулирования неравномерности электропотребления.
Представлены различные конструкции подземных аккумуляторов воздуха зарубежных и отечественных разработок.
Развитие энергетики в нашей стране и в других развитых странах характеризуется возрастанием доли энергоресурсов, расходуемых на производство преобразованных видов энергии — электрической и тепловой. В ближайшие годы эти тенденции будут усиливаться и, следовательно, будет повышаться доля преобразованных видов энергии в энергетическом балансе. Это в свою очередь приведет к тому, что энергетический комплекс (нефть, газ, уголь, атомная и гидроэлектростанции) в промышленно развитых странах, благодаря усилению экономических и технологических связей между отдельными его составляющими, постепенно превращается в единую отрасль материального производства. Поэтому создаются крупные объединенные корпорации, такие как ОАО "Газпром" (ОАО "Газпром нефть", ООО "Газпром энерго" и др.) в России, Е. ОМ. ЯиЬг§а8 в Германии и др.
Появление мощных энергетических корпораций повышает степень устойчивости снабжения потребителей энергоносителями в количественном отношении и резко осложняет качественное снабжение потребителей. Увеличиваются последствия отдельных аварий в результате концентрации мощностей, роста пропускных способностей и укрупнения комплексов. В настоящее время единичная мощность генерирующего блока электростанции достигла 1,5—2 ГВт, пропускная способность одной нитки газопровода составляет 30 млрд м3/год, одной нитки нефтепровода — 95 млн. т/год.
Режим электропотребления характеризуется суточными графиками нагрузки энергосистемы, и задача последних состоит в обеспечении этого графика.
Обеспечить график нагрузки — необходимость организовать бесперебойную подачу электроэнергии в часы максимального потребления при дефиците мощности в энер-
1ООО "Подземгазпром", г. Москва.
госистеме, а в часы минимума потребления энергии не допускать разгрузки той части генерирующего оборудования, для которой это приводит к существенному сокращению сроков работы. Для реализации задачи обеспечения графика нагрузки необходимо иметь в энергосистеме оборудование, обладающее высокой маневренностью, и энергоаккумулирующие установки [1].
Применение получили гидроаккумулирующие (ГАЭС) и воздушно-аккумулирующие газотурбинные электростанции (ВАГТЭ). Они обладают двойным регулирующим эффектом: практически одна и та же установленная мощность (мощность в режиме генерации и мощность в насосном режиме) в одном случае используется для подъема ночного провала графика нагрузки (при работе в режиме зарядки станции), в другом — для покрытия пиков (в режиме разрядки). Поэтому такие станции являются одним из самых эффективных инструментов выравнивания и покрытия суточного графика нагрузки в энергосистемах с преобладанием крупных генерирующих мощностей ТЭС и АЭС. Их КПД составляет 72—75%. Для зарядки станций используется ночная электроэнергия, которая, как правило, в три—шесть раз дешевле пиковой электроэнергии.
В ВАГТЭ в период пиков нагрузки вырабатывается в 1,2—1,3 раза больше электроэнергии, чем потребляется в ночное время и в выходные дни при закачке воздуха в аккумулятор. Это отношение учитывает потери энергии при концевом охлаждении и потери давления в трубопроводах и арматуре при заполнении и опорожнении аккумуляторов. Утечки воздуха из аккумуляторов ничтожно малы [2].
В целом выполненные в различных странах разработки показали, что ВАГТЭ могут эффективно использоваться для покрытия пиков электрической нагрузки продолжительностью 1—2 тыс. час в год, работать в средней части графика нагрузки и успешно конкурировать в этой зоне с ГАЭС и обычными ГТУ.
Имеется много геологических структур, подходящих для сооружения подземных аккумуляторов. Сооружение ВАГТЭ не требует специального рельефа местности и значительной территории. Для них не нужно принципиально нового оборудования. Эксплуатация двух действующих ВАГТЭ подтвердила их эффективность.
Главным элементом в конструкции ВАГТЭ является аккумулятор воздуха. От выбора типа, пространственного расположения, технологии строительства и эксплуатации аккумуляторов воздуха зависят основные эксплуатационные параметры всего ВАГТЭ. Поэтому при разработке технологии строительства и эксплуатации ВАГТЭ начинают с определения параметров, местоположения, типа и способов строительства и эксплуатации аккумулятора воздуха. При рассмотрении существующих проектов ВАГТЭ необходимо подробно остановиться на технологии строительства и эксплуатации подземных аккумуляторов воздуха.
Первая ВАГТЭ эксплуатируется с ноября 1978 г. на ТЭС Хунторф (НиМогГ) в ФРГ. Тепловая схема ВАГТЭ Хунторф представлена на рис. 1.
В состав ГТУ входит подземный аккумулятор воздуха, состоящий из двух резервуаров, с геометрическим объемом 140 и 170 тыс. м3 каждый. Резервуары созданы методом подземного растворения каменной соли через вертикальные буровые скважины. Интервал размещения резервуаров составляет 650—800 м. Максимальный диаметр (пролет) подземных выработок-емкостей составляет 60 м. Расстояние между скважинами подземных резервуаров — 200 м (рис. 2).
В подземный аккумулятор подается воздух с давлением 6—7 МПа, охлажденный до 50°С. Кратковременно минимально допустимое давление в подземном резервуаре, при котором не происходит обрушение потолочины и разрушение стенок в соответствии с условиями размещения выработки-емкости, составляет 0,1 МПа. Минимально допустимое эксплуатационное давление — выработках-емкостях — 2 МПа.
Подземный аккумулятор эксплуатируется при минимальном давлении воздуха на устье скважины, равном 4,3 МПа. Максимальное эксплуатационное давление воздуха на устье скважины подземного резервуара — 7 МПа. Скорость уменьшения давления в аккумуляторе в процессе отбора воздуха составляет не более 1,5 МПа/час. Указанная величина скорости падения давления согласуется с условиями устойчивости при экс-
Рис. 1. Тепловая схема ВАГТЭ Хунторф: 1 — компрессор высокого давления; 2 — редуктор; 3 — компрессор низкого давления; 4 — расцепная муфта; 5 — электрический генератор-мотор; 6 — турбина высокого давления; 7 — турбина низкого давления; 8 — отвод в дымовую трубу; 9 — камера сгорания низкого давления; 10 — подача природного газа; 11 — камера сгорания высокого давления; 12 — вентили; 13 — сбросной клапан; 14 — охладитель воздуха; 15 — подземный аккумулятор воздуха
плуатации подземных резервуаров, созданных в каменной соли методом подземного растворения через вертикальные буровые скважины на глубинах до 900 м.
Компрессор низкого давления (КНД) (3) выполнен осевым, компрессор высокого давления (КВД) (1) — центробежным с двумя промежуточными охладителями (14). Кроме них имеются охладители после КНД и КВД. Для разворота компрессорной группы до включения мотор-генератора (5) в сеть требуется мощность 32 МВт. Пуск ВАГТЭ производится сжатым воздухом, подаваемым из подземного аккумулятора (15). Нормально он осуществляется турбогруппой, которая развивает эту мощность с одной камерой сгорания. После включения мотор-генератора нагрузка переводится на него, а турбины разгружаются, отделяются от вала и останавливаются. Шестисту-пенчатая ТВД (6) спроектирована по типу паровой турбины, пятиступенчатая ТНД (7)
200 м
650 м
60 м
\
40 м
800 м
Рис. 2. Схема размещения подземных резервуаров воздушного аккумулятора ВАГТЭ Хунторф
Рис. 3. Схема размещения воздушного аккумулятора ВАГТЭ Сойланд: 1 — отстойник воды; 2 — ствол для перемещения воды; 3 — наземный водоем; 4 — скважина для закачки и отбора воздуха; 5 — соединительная скважина воздуха; 6 — туннельные выработки; 7 — коллектор воды; 8 — задвижка
представляет собой турбину типа ГТУ. Общий сварной двухопорный ротор обеих турбин размещен в корпусе, сверху которого вертикально установлены камеры сгорания высокого (11) и низкого давления (9). Воздух подается к ГТУ с давлением 4,2 МПа, которое поддерживается постоянным при изменяющемся давлении в аккумуляторе. Топливом для ВАГТЭ служит природный газ.
Каждый подземный резервуар воздуха представляет собой подземную герметичную полость формы, близкой к цилиндрической. Суммарный геометрический объем подземного аккумулятора (310 тыс. м3) несколько больше необходимого для работы ГТУ в течение 2 час. При скорости изменения давления 1,0 МПа/ч от 6,5 до 4,5 МПа было бы достаточно 230 тыс. м3. Скважины подземного аккумулятора должны работать с большими расходами воздуха при небольших потерях давления. Скорость движения воздуха в трубах составляет ~35 м/сек.
Утечка воздуха из аккумулятора составляет от 1 • 10-3 до 1 • 10-5% в сутки. Изменения температуры воздуха в резервуарах составляют 16°С за цикл. Они меньше, чем предполагалось при проектировании, из-за более интенсивного теплообмена между воздухом и стенками. В процессе заполнения аккумулятора температура воздуха близка к температуре породы 40°С. Вследствие этого, в подземных резервуарах можно аккумулировать большее количество воздуха и обеспечить при снижении давления на 2 МПа работу с номинальной мощностью в течение 4,5 час. После этого возможна работа еще в течение 1,5 час с понижающимися расходом воздуха и нагрузкой до достижения температуры 10°С на устье скважины. Более низкие температуры опасны, так как могут привести к обледенению клапанов перед ГТУ.
Проведенные в 2002 г.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.