Гидроаккумулирующие электростанции — наиболее широко используемая и зрелая технология в крупномасштабном хранении энергии, а установленная мощность электростанций может достигать гигаватт. В настоящее время наиболее зрелой и крупнейшей установленной системой хранения энергии в мире являются гидроаккумулирующие электростанции.
Технология гидроаккумулирующих электростанций является зрелой и стабильной, обладает высокими комплексными преимуществами и часто используется для регулирования пиковых нагрузок и резервного питания. Гидроаккумулирующие электростанции — наиболее широко используемая и зрелая технология в крупномасштабном хранении энергии, а установленная мощность электростанций может достигать гигаватт.
Согласно неполным статистическим данным Профессионального комитета по хранению энергии Китайской ассоциации энергетических исследований, гидроаккумулирующие электростанции в настоящее время являются наиболее зрелой и крупнейшей в мире системой хранения энергии. По состоянию на 2019 год, мировая эксплуатационная мощность систем хранения энергии достигла 180 миллионов киловатт, а установленная мощность гидроаккумулирующих электростанций превысила 170 миллионов киловатт, что составляет 94% от общего мирового объема хранения энергии.
Гидроаккумулирующие электростанции используют электроэнергию, вырабатываемую в периоды низкой нагрузки энергосистемы, для перекачки воды на возвышенность для хранения и для сброса воды с целью выработки электроэнергии в периоды пиковой нагрузки. Когда нагрузка низкая, гидроаккумулирующая электростанция является потребителем; когда нагрузка пиковая, она является электростанцией.
Гидроаккумулирующая электростанция выполняет две основные функции: перекачивание воды и выработку электроэнергии. В пиковые моменты нагрузки энергосистемы станция работает как водяная турбина. Открытие направляющих лопаток водяной турбины регулируется с помощью регулятора, потенциальная энергия воды преобразуется в механическую энергию вращения установки, а затем механическая энергия преобразуется в электрическую энергию с помощью генератора.
Когда нагрузка на энергосистему низкая, водяной насос используется для перекачки воды из нижнего резервуара в верхний. Благодаря автоматической регулировке системы регулятора, открытие направляющих лопаток автоматически регулируется в зависимости от напора насоса, а электрическая энергия преобразуется в потенциальную энергию воды и накапливается.
Гидроаккумулирующие электростанции в основном отвечают за регулирование пиковых нагрузок, регулирование частоты, аварийное резервирование и запуск энергосистемы после отключения электроэнергии, что позволяет улучшить и сбалансировать нагрузку энергосистемы, повысить качество электроснабжения и экономическую эффективность энергосистемы, а также является основой для обеспечения безопасной, экономичной и стабильной работы энергосети. Гидроаккумулирующие электростанции известны как «стабилизаторы», «регуляторы» и «балансировщики» в контексте безопасной эксплуатации энергосетей.
Тенденция развития гидроаккумулирующих электростанций в мире – это высокий напор, большая мощность и высокая скорость. Высокий напор означает, что установка развивает более высокий напор, большая мощность означает, что мощность отдельной установки постоянно увеличивается, а высокая скорость означает, что установка использует более высокую удельную скорость.
Структура и характеристики электростанции
Основные здания гидроаккумулирующей электростанции обычно включают: верхнее и нижнее водохранилища, систему водоснабжения, цеха и другие специальные постройки. По сравнению с традиционными гидроэлектростанциями, гидротехнические сооружения гидроаккумулирующих электростанций имеют следующие основные характеристики:
Имеются верхнее и нижнее водохранилища. По сравнению с обычными гидроэлектростанциями той же установленной мощности, емкость водохранилищ гидроаккумулирующих электростанций обычно относительно невелика.
Уровень воды в водохранилище сильно колеблется, часто поднимаясь и опускаясь. Для решения задачи сглаживания пиков и заполнения провалов в энергосистеме суточные колебания уровня воды в водохранилищах гидроаккумулирующих электростанций обычно довольно велики, как правило, превышают 10-20 метров, а на некоторых электростанциях достигают 30-40 метров, при этом скорость изменения уровня воды в водохранилище относительно высока, обычно достигая 5-8 м/ч, а иногда и 8-10 м/ч.
Требования к предотвращению просачивания воды из водохранилищ очень высоки. Если на гидроаккумулирующей электростанции происходит значительная потеря воды из-за просачивания из верхнего водохранилища, выработка электроэнергии на станции снизится. В то же время, чтобы предотвратить ухудшение гидрогеологических условий в районе проекта из-за просачивания воды, приводящее к повреждению грунта и концентрации просачивания, к предотвращению просачивания воды из водохранилищ предъявляются более высокие требования.
Напор воды высок. Напор гидроаккумулирующих электростанций, как правило, высок, в основном 200-800 метров. Гидроаккумулирующая электростанция в Цзиси с общей установленной мощностью 1,8 миллиона киловатт является первым в нашей стране проектом с напором в 650 метров, а гидроаккумулирующая электростанция в Дуньхуа с общей установленной мощностью 1,4 миллиона киловатт — первым в нашей стране проектом с напором в 700 метров. С непрерывным развитием гидроаккумулирующих технологий количество высоконапорных электростанций большой мощности в нашей стране будет расти.
Блок установлен на небольшой высоте. Для преодоления влияния плавучести и фильтрации на машинное отделение, в крупных гидроаккумулирующих электростанциях, строящихся в стране и за рубежом в последние годы, чаще всего используются подземные машинные отделения.
Первая в мире гидроаккумулирующая электростанция — это гидроаккумулирующая электростанция «Нетра» в Цюрихе, Швейцария, построенная в 1882 году. Строительство гидроаккумулирующих электростанций в Китае началось сравнительно поздно. Первый реверсивный энергоблок с наклонным потоком был установлен в водохранилище Ганнань в 1968 году. Позже, с быстрым развитием отечественной энергетической отрасли, установленная мощность атомной и тепловой энергетики быстро возросла, что потребовало оснащения энергосистемы соответствующими гидроаккумулирующими электростанциями.
Начиная с 1980-х годов, Китай начал активно строить крупномасштабные гидроаккумулирующие электростанции. В последние годы, с быстрым развитием экономики и энергетической отрасли страны, мы достигли значительных научно-технических успехов в области автономности оборудования крупномасштабных гидроаккумулирующих электростанций.
К концу 2020 года установленная мощность гидроаккумулирующих электростанций в моей стране составила 31,49 млн киловатт, что на 4,0% больше, чем в предыдущем году. В 2020 году национальная мощность гидроаккумулирующих электростанций составила 33,5 млрд кВт·ч, что на 5,0% больше, чем в предыдущем году; вновь введенная в эксплуатацию мощность гидроаккумулирующих электростанций в стране составила 1,2 млн кВт·ч. Гидроаккумулирующие электростанции в моей стране, как находящиеся в эксплуатации, так и в стадии строительства, занимают первое место в мире.
Государственная электросетевая корпорация Китая всегда придавала большое значение развитию гидроаккумулирующих электростанций. В настоящее время в эксплуатации находятся 22 гидроаккумулирующие электростанции, а еще 30 находятся в стадии строительства.
В 2016 году началось строительство пяти гидроаккумулирующих электростанций в Чжэньань, Шэньси, Джужун, Цзянсу, Цинъюань, Ляонин, Сямэнь, Фуцзянь и Фукан Синьцзяна;
В 2017 году началось строительство шести гидроаккумулирующих электростанций в уездах И провинции Хэбэй, Чжируй Внутренней Монголии, Нинхай провинции Чжэцзян, Цзиньюнь провинции Чжэцзян, Луонин провинции Хэнань и Пинцзян провинции Хунань;
В 2019 году началось строительство пяти гидроаккумулирующих электростанций в городах Фунин в Хэбэе, Цзяохэ в провинции Цзилинь, Цюцзян в Чжэцзяне, Вэйфан в Шаньдуне и Хами в Синьцзяне;
В 2020 году начнется строительство четырех гидроаккумулирующих электростанций в городах Шаньси Юаньцюань, Шаньси Хунюань, Чжэцзян Паньань и Шаньдун Тайань, этап II.
Первая в моей стране гидроаккумулирующая электростанция с полностью автономным энергоблоком. В октябре 2011 года электростанция была успешно завершена, что свидетельствует об успешном освоении моей страной ключевых технологий разработки гидроаккумулирующего энергоблока.
В апреле 2013 года в эксплуатацию была официально введена гидроаккумулирующая электростанция Фуцзянь Сянью; в апреле 2016 года к сети была успешно подключена гидроаккумулирующая электростанция Чжэцзян Сяньцзю мощностью 375 000 киловатт. Автономное оборудование крупных гидроаккумулирующих электростанций в нашей стране получило широкое распространение и постоянно применяется.
Первая в моей стране гидроаккумулирующая электростанция с напором 700 метров. Общая установленная мощность составляет 1,4 миллиона киловатт. 4 июня 2021 года первый энергоблок был введен в эксплуатацию для выработки электроэнергии.
В настоящее время ведётся строительство крупнейшей в мире гидроаккумулирующей электростанции. Её общая установленная мощность составляет 3,6 миллиона киловатт.
Гидроаккумулирующие электростанции обладают характеристиками базовых, комплексных и общественных систем. Они могут участвовать в регулировании энергосистемы, обеспечивая связь между источниками, сетями, нагрузками и накопителями энергии, а их комплексные преимущества весьма значительны. Они выполняют важную функцию стабилизатора безопасного электроснабжения, экологически чистого балансировщика с низким уровнем выбросов углерода и высокоэффективного регулятора.
Во-первых, необходимо эффективно справиться с недостатком надежных резервных мощностей энергосистемы в условиях высокой доли возобновляемой энергии. Благодаря преимуществу регулирования пиковой нагрузки на двойную мощность, можно повысить возможности регулирования пиковой нагрузки в энергосистеме на больших объемах и смягчить проблему обеспечения пиковой нагрузки, вызванную нестабильностью возобновляемой энергии и спадами пиковой нагрузки. Трудности с потреблением, вызванные масштабным развитием возобновляемой энергетики в этот период, позволят более эффективно стимулировать потребление возобновляемой энергии.
Вторая задача заключается в эффективном устранении несоответствия между выходными характеристиками возобновляемой энергии и спросом на электроэнергию, опираясь на способность к гибкой корректировке и быстрому реагированию, чтобы лучше адаптироваться к случайности и изменчивости возобновляемой энергии и удовлетворять потребности в гибкой корректировке, возникающие в связи с «погодными условиями» для возобновляемой энергии.
Третий способ заключается в эффективном решении проблемы недостаточного момента инерции высокопроизводительной энергосистемы на новых источниках энергии. Благодаря высокому моменту инерции синхронного генератора можно эффективно повысить устойчивость системы к возмущениям и поддерживать стабильность частоты системы.
Четвертая задача — эффективно справиться с потенциальным влиянием «двойной мощности» на безопасность новой энергосистемы, взять на себя функцию аварийного резервирования и в любой момент реагировать на внезапные потребности в корректировке благодаря быстрому запуску-остановке и быстрому наращиванию мощности. В то же время, как прерываемая нагрузка, она может безопасно отключать номинальную нагрузку насосного агрегата с миллисекундным откликом, повышая безопасность и стабильность работы системы.
Пятая задача — эффективно справиться с высокими затратами на адаптацию, связанными с масштабным подключением новых энергетических сетей. Это достигается за счет рациональных методов эксплуатации, сочетающих использование тепловой энергии для сокращения выбросов углерода и повышения эффективности, уменьшения использования ветровой и солнечной энергии, содействия распределению мощностей и улучшения общей экономичности и экологичности всей системы.
Усилить оптимизацию и интеграцию инфраструктурных ресурсов, координировать безопасность, качество и управление ходом выполнения 30 строящихся проектов, активно продвигать механизированное строительство, интеллектуальное управление и стандартизированное строительство, оптимизировать сроки строительства и обеспечить, чтобы мощность гидроаккумулирующих электростанций превысила 20 миллионов киловатт в период «14-й пятилетки», а установленная мощность к 2030 году превысила 70 миллионов киловатт.
Вторая задача — активная работа над внедрением принципов бережливого управления. Укрепление методологии планирования, сосредоточение внимания на цели «двойного выброса углерода» и реализации стратегии компании, высококачественная подготовка плана развития гидроаккумулирующих электростанций на 14-ю пятилетку. Научная оптимизация подготовительных работ по проекту и упорядоченное продвижение технико-экономического обоснования и утверждения проекта. Уделяя особое внимание безопасности, качеству, срокам строительства и стоимости, активное продвижение интеллектуального управления и контроля, механизированного строительства и «зеленого» строительства, чтобы обеспечить максимально быструю окупаемость строящихся объектов.
Углублять управление жизненным циклом оборудования, углублять исследования в области обслуживания энергоблоков в энергосистеме, оптимизировать стратегию эксплуатации энергоблоков и в полной мере обеспечивать безопасную и стабильную работу энергосистемы. Углублять многомерное бережливое управление, ускорять построение современной интеллектуальной цепочки поставок, совершенствовать систему управления материальными ресурсами, научно распределять капитал, ресурсы, технологии, данные и другие производственные факторы, активно повышать качество и эффективность, а также всесторонне повышать эффективность управления и операционную эффективность.
Третий аспект — поиск прорывных технологических инноваций. Необходимо углубленно реализовывать «План действий по новому скачку вперед» в области научно-технических инноваций, увеличивать инвестиции в научные исследования и повышать потенциал самостоятельных инноваций. Следует расширить применение технологии энергоблоков с регулируемой скоростью вращения, усилить научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по созданию энергоблоков большой мощности (400 мегаватт), ускорить строительство модельных и имитационных лабораторий насосно-турбинных установок, а также приложить все усилия для создания независимой научно-технической инновационной платформы.
Оптимизировать структуру научных исследований и распределение ресурсов, усилить исследования в области ключевых технологий гидроаккумулирующих электростанций и стремиться к преодолению технической проблемы «узкого места». Углубить исследования в области применения новых технологий, таких как «умная цепочка IoT в больших облачных средах», комплексно развернуть строительство цифровых интеллектуальных электростанций и ускорить цифровую трансформацию предприятий.
Дата публикации: 07 марта 2022 г.
