Для достижения цели «снижения пиковой нагрузки на энергосистему и нейтрализации выбросов углерода» и создания новой энергосистемы, Китайская корпорация «Южная энергетическая сеть» четко предложила к 2030 году в основном построить новую энергосистему в южном регионе, а к 2060 году – полностью ее создать. В этом процессе будет активно развиваться гидроаккумулирующая энергетика. В течение четырнадцатой, пятнадцатой и шестнадцатой пятилеток планируется увеличить установленную мощность на 6 миллионов киловатт, 15 миллионов киловатт и 15 миллионов киловатт соответственно. К 2035 году мы будем стремиться к достижению мощности гидроаккумулирующих электростанций в южном регионе около 44 миллионов киловатт, превратив их в новый тип балансировщика возмущений, балансировщика нагрузки и стабилизатора энергосети.
Источник: Официальный аккаунт WeChat «Китайские энергетические СМИ: интеллектуальное производство»
Автор: Пэн Юмин, Научно-исследовательский институт систем хранения энергии, Китайская южноэнергетическая компания, занимающаяся сглаживанием пиковых нагрузок и частотной модуляцией в электроэнергетике.
Основные характеристики новой энергетической системы
В новой энергетической системе доминирует чистая энергия, и доля возобновляемой энергии в энергопотреблении будет продолжать расти, постепенно формируя форму использования энергии, где возобновляемая энергия, гидроэнергия и атомная энергия являются основными формами производства электроэнергии. Доля потребления ископаемого топлива будет постепенно сокращаться для достижения цели углеродной нейтральности, а оставшаяся установленная мощность ископаемого топлива будет использоваться в качестве резервного источника питания для новой энергетической системы. В новой энергетической системе возобновляемая энергия будет подключаться к электросети централизованно и распределенно. С точки зрения централизованного подключения, южный регион стремится к 2025 году достичь мощности наземных ветроэнергетических установок более 24 миллионов киловатт, морских ветроэнергетических установок более 20 миллионов киловатт и фотоэлектрических установок более 56 миллионов киловатт. С точки зрения распределенного подключения, в различных регионах будут создаваться распределенные источники энергии малой мощности, с низким уровнем напряжения в сети и возможностью потребления вблизи нее, в соответствии с местными условиями.
В новой энергосистеме, где основным элементом является возобновляемая энергия, фактическая выработка электроэнергии оборудованием, использующим возобновляемые источники энергии, в значительной степени зависит от метеорологических условий, которые характеризуются выраженной непредсказуемостью, изменчивостью и прерывистостью. Широкое применение замещения электроэнергии, бытовых накопителей энергии и «умного дома» приводит к диверсифицированному и интерактивному развитию нагрузки со стороны потребителей, а потребительский терминал переходит в новый режим, выступая одновременно потребителем и производителем. Новая энергосистема, где основным элементом является возобновляемая энергия, обладает «двойной» характеристикой: высокой долей возобновляемой энергии и высокой долей силового электронного оборудования. Для того чтобы справиться с крупномасштабными колебаниями возобновляемой энергии и различными экстремальными ситуациями, необходимо согласовывать установленную мощность гидроаккумулирующих электростанций с соответствующим масштабом в соответствии с установленной мощностью и масштабом выработки возобновляемой энергии. При аномальной выработке возобновляемой энергии гидроаккумулирующие электростанции должны максимально поддерживать состояние новой энергосистемы сети и предотвращать переход новой энергосистемы к традиционной. Поэтому развитие и строительство гидроаккумулирующих электростанций будут происходить быстрее и в больших масштабах.
Проблемы и меры противодействия быстрому и масштабному развитию гидроаккумулирующих электростанций.
Быстрое и масштабное развитие и строительство привели к проблемам безопасности, качества и нехватки персонала. Для удовлетворения строительных потребностей новой энергосистемы ежегодно утверждается строительство ряда гидроаккумулирующих электростанций. Необходимые сроки строительства также значительно сократились с 8-10 лет до 4-6 лет. Быстрое развитие и строительство проектов неизбежно повлекут за собой проблемы безопасности, качества и нехватки персонала.
Для решения ряда проблем, вызванных быстрым развитием и строительством проектов, строительным и проектно-управленческим подразделениям необходимо в первую очередь провести технические исследования и практическую работу по механизации и интеллектуализации гражданского строительства гидроаккумулирующих электростанций. Технология тоннелепроходческих машин (ТПМ) внедряется для прокладки большого количества подземных камер, а оборудование ТПМ разрабатывается с учетом особенностей гидроаккумулирующих электростанций, и формулируется строительная техническая схема. С учетом различных сценариев эксплуатации, таких как выемка грунта, транспортировка, крепление и создание арочных конструкций в процессе строительства, разработана схема применения вспомогательных средств для всего процесса механизированного и интеллектуального строительства, проведены исследования по таким темам, как интеллектуальное управление отдельным технологическим оборудованием, автоматизация всей системы строительства, цифровизация строительной информации об оборудовании, беспилотное строительство с дистанционным управлением механическим оборудованием, интеллектуальный анализ качества строительства и т. д., разработаны различные механизированные и интеллектуальные строительные системы и оборудование.
В контексте механизации и интеллектуализации машиностроения и электротехники мы можем проанализировать потребности и возможности применения механизации и интеллектуализации с точки зрения сокращения числа операторов, повышения эффективности работы, снижения производственных рисков и т. д., а также разработать различное механизированное и интеллектуальное строительное оборудование и системы для различных сценариев эксплуатации механизированного и электротехнического оборудования.
Кроме того, технологии 3D-проектирования и моделирования могут быть использованы для предварительного изготовления и моделирования некоторых объектов и оборудования, что позволяет не только выполнить часть работ заранее и сократить сроки строительства на площадке, но и провести функциональную приемку и контроль качества заблаговременно, эффективно повышая уровень управления качеством и безопасностью.
Крупномасштабная эксплуатация электростанции порождает проблему надежной работы, требующую интеллектуального и интенсивного управления. Крупномасштабная эксплуатация гидроаккумулирующих электростанций влечет за собой такие проблемы, как высокие эксплуатационные и технические затраты, нехватка персонала и т. д. Для снижения эксплуатационных и технических затрат ключевым моментом является повышение надежности работы гидроаккумулирующих установок; для решения проблемы нехватки персонала необходимо внедрить интеллектуальное и интенсивное управление работой электростанции.
Для повышения надежности работы энергоблока, с точки зрения выбора типа оборудования и его проектирования, техническим специалистам необходимо глубоко обобщить практический опыт проектирования и эксплуатации гидроаккумулирующих электростанций, провести оптимизацию проектирования, выбор типа и исследования по стандартизации соответствующих подсистем оборудования гидроаккумулирующих электростанций, а также итеративно обновлять их в соответствии с опытом ввода оборудования в эксплуатацию, устранения неисправностей и технического обслуживания. Что касается производства оборудования, то в традиционных гидроаккумулирующих электростанциях некоторые ключевые технологии производства по-прежнему находятся в руках зарубежных производителей. Необходимо провести исследования по локализации этих «дроссельных» устройств и интегрировать в них многолетний опыт эксплуатации и технического обслуживания, чтобы эффективно повысить качество продукции и надежность работы этого ключевого оборудования. В отношении мониторинга работы оборудования техническим специалистам необходимо систематически разрабатывать стандарты конфигурации элементов мониторинга состояния оборудования с точки зрения наблюдаемости и измеримости состояния оборудования, глубоко исследовать стратегии управления оборудованием, стратегии мониторинга состояния и методы оценки состояния на основе требований искробезопасности, создать интеллектуальную платформу анализа и раннего предупреждения для мониторинга состояния оборудования, заблаговременно выявлять скрытые опасности в оборудовании и своевременно осуществлять раннее предупреждение.
Для реализации интеллектуального и интенсивного управления работой электростанции техническим специалистам необходимо проводить исследования в области автоматического управления оборудованием или технологий управления одной кнопкой, чтобы обеспечить полностью автоматический запуск и остановку, а также регулирование нагрузки энергоблока без вмешательства персонала, и, насколько это возможно, реализовать последовательность операций и многомерное интеллектуальное подтверждение; в области инспекции оборудования технические специалисты могут проводить технические исследования в области машинного зрения, машинного слухового восприятия, роботизированной инспекции и других аспектов, а также проводить техническую практику по замене инспекционных машин; в области интенсивной эксплуатации электростанции необходимо проводить исследования и практику в области централизованной технологии мониторинга одного человека на нескольких станциях для эффективного решения проблемы нехватки персонала, вызванной развитием гидроаккумулирующих электростанций.
Миниатюризация гидроаккумулирующих электростанций и интегрированная работа по взаимодополнению нескольких источников энергии обусловлены потреблением большого количества распределенных новых источников энергии. Заметной особенностью новой энергосистемы является наличие большого количества маломасштабных новых источников энергии, рассеянных в различных зонах сети и работающих в низковольтной сети. Для максимального поглощения и использования этих распределенных новых источников энергии и эффективного снижения перегрузки крупной энергосистемы необходимо строить распределенные гидроаккумулирующие электростанции вблизи этих источников, чтобы обеспечить локальное хранение, потребление и использование новой энергии через низковольтные сети. Поэтому необходимо решить проблемы миниатюризации гидроаккумулирующих электростанций и интегрированной работы по взаимодополнению нескольких источников энергии.
Инженерам и техникам необходимо активно проводить исследования по выбору площадки, проектированию и изготовлению, стратегии управления и комплексному применению различных типов распределенных гидроаккумулирующих электростанций, включая малые реверсивные гидроаккумулирующие установки, коаксиальную автономную работу насосов и турбин, совместную работу малых гидроэлектростанций и насосных станций и т. д.; одновременно проводятся исследования и демонстрационные проекты по интегрированной технологии эксплуатации гидроаккумулирующих электростанций и ветро-, солнечно-гидроэнергетических установок с целью разработки технических решений для повышения энергоэффективности и экономической эффективности в новой энергетической системе.
Проблема технического «закупоривания» гидроаккумулирующих электростанций с регулируемой скоростью вращения, адаптированных к высокоэластичной энергосистеме. Гидроаккумулирующие электростанции с регулируемой скоростью вращения обладают такими характеристиками, как быстрая реакция на первичное регулирование частоты, регулируемая входная сила в рабочих условиях насоса, работа на оптимальной кривой, а также высокая чувствительность и большой момент инерции. Для эффективного сдерживания нестабильности и изменчивости энергосистемы, более точной регулировки и поглощения избыточной мощности, вырабатываемой новыми источниками энергии на стороне генерации и потребителя, и лучшего контроля баланса нагрузки в высокоэластичной и взаимодействующей энергосистеме, необходимо увеличить долю гидроаккумулирующих электростанций с регулируемой скоростью вращения в энергосистеме. Однако в настоящее время большинство ключевых технологий гидроаккумулирующих электростанций с регулируемой скоростью вращения все еще находятся в руках зарубежных производителей, и проблема технического «закупоривания» требует решения.
Для реализации независимого управления ключевыми технологиями необходимо сосредоточить отечественные научно-технические силы на глубоком проектировании и разработке генераторных двигателей с регулируемой скоростью и насосных турбин, разработке стратегий и устройств управления преобразователями переменного тока, разработке стратегий и устройств скоординированного управления для агрегатов с регулируемой скоростью, исследовании стратегий управления регуляторами для агрегатов с регулируемой скоростью, исследовании процесса преобразования рабочих условий и интегрированных стратегий управления для агрегатов с регулируемой скоростью, а также на реализации полностью локализованного проектирования, производства и инженерно-демонстрационного применения крупных агрегатов с регулируемой скоростью.
Дата публикации: 09.12.2022
