|
|
Для выбора оптимальной схемы ПЭС в
табл. 4.1 приводится их классификация и сравнение. Приняты три основных
класса:
I — схемы с одним бассейном, который может
использоваться как при двустороннем, так и при одностороннем действии;
II — схемы с двумя или несколькими сопряженными
бассейнами, которые могут располагаться в одном заливе, разделенном на
несколько частей, или с использованием соседних бухт или с расположением их в
независимых удаленных один от другого заливах (бухтах) и связанных между
собой линией передачи («объединенные бассейны» III).
Для возможности сопоставления все сравниваемые схемы
приняты в равных природных условиях с бассейном благоприятной овальной
конфигурации (типа Лумбовского залива), при которой вход в залив не требует
расширения, а плотины, сопрягающие задание ПЭС с берегами, имеют небольшую
протяженность.
Однобассейновая установка двустороннего действия наиболее
полно соответствует естественному ходу прилива и дает наименьшую степень
регулирования. Здание ПЭС располагается в плотине, отсекающей залив от моря.
Цикл работы: вскоре после начала прилива затворы отключают
бассейн ПЭС. Благодаря этому между морем и бассейном образуется необходимый
перепад и начинает работать турбина, использующая поток воды из моря в
бассейн (работа на наполнение). В отлив, когда перепад между морем и
бассейном достигнет минимума, турбина выключается и открываются водопропускные
отверстия. После наполнения бассейна вхолостую и выравнивания уровней затворы
снова закрываются и вследствие отлива между бассейном и морем образуется
перепад. Когда перепад достигнет значения, необходимого для включения
турбины, начинается работа ПЭС на опорожнение. Далее цикл повторяется.
Параметры режима (начальные, конечные напоры и расходы) назначаются из
условия максимальной энергоотдачи.
В этой схеме для двусторонней работы требуется обеспечение
наибольшей сработки и наполнения бассейна, что позволяет максимально
приблизить ход уровня бассейна к естественному циклу и наиболее полно
использовать энергопотенциал бассейна. Это также отвечает минимальному
изменению экологических условий.
Главным преимуществом этой схемы является возможность
получения от данного бассейна максимальной приливной энергии, которую можно
использовать для экономии топлива в энергосистеме.
Однобассейновая схема двустороннего действия с насосным
эффектом. Как будет видно из последующего рассмотрения, в многобассейновых
схемах стремились добиться непрерывного и равномерного генерирования энергии
ПЭС за счет уменьшения ее мощности и выработки, но эти схемы все-таки не
обеспечивают межсизигийного регулирования. Но энергопотребление не требует
постоянной мощности, оно соответствует производственному и солнечному ритмам
жизни человека — ночью спади дважды в сутки нарастание— -утром—и— в вечерние
часы. Задача, очевидно, решается не генерированием непрерывной равномерной
мощности, а совмещением волн генерирования приливной энергии с «волнами»
потребления.
Циклы, предложенные Жибра, и созданный для их реализации
капсульный агрегат позволили решить именно эту задачу. На 4.4 показан
принцип этого решения. Предположим, что в 1 ч ночи нагрузка в системе упала и
ТЭС работают с неполной мощностью. В это время турбины ПЭС можно пустить в
прямой насосной работе. Генератор обратится в двигатель: за счет энергии
незагруженных ТЭС он начнет качать воду из моря в бассейн ПЭС. К 6 ч утра
подкачка бассейна закончится и ПЭС перейдет в фазу ожидания. В 8 ч утра,
когда мощности ТЭС окажется недостаточной для покрытия растущих нагрузок,
гидроагрегаты ПЭС включатся на прямую турбинную работу из бассейна в море и
будут выдавать в сеть энергию до начала обеденного перерыва. Далее после
очередной фазы ожидания с ростом нагрузки турбины ПЭС включатся в работу.
Ночью они могут перейти в обратную насосную работу (откачка) или будут
находиться в фазе ожидания.
Описанный принцип применения насосного эффекта наиболее
полно раскрывается при использовании его в циклах Жибра, которые представляют
обширные возможности комбинации шеститактной работы агрегата с фазой прилива
и ситуацией в энергосистеме. По теории Жибра число таких сочетаний
определяется цифрой 2089. С помощью ЭВМ в каждый отрезок времени можно
избрать оптимальный режим ПЭС в зависимости от конкретных условий. Таким
образом, благодаря насосному эффекту ПЭС выводится из зависимости от лунного
времени и может выдавать мощность в ритме солнечного времени, а не только
увеличивает выработку, как это указывается в. Понятно, что это может быть
достигнуто только при работе ПЭС в энергосистеме, где имеются электростанции,
которым в часы слабой нагрузки выгодно отдавать свою энергию на насосы ПЭС.
Трансформация энергии ПЭС во времени достигается не
безвозмездно. Введение периодов ожидания ведет к потере части энергии, и
только оптимизация решения задачи в условиях конкретной системы может дать
ответ, в какое время лучше принять работу ПЭС на вытеснение мощности или
выработку максимального количества энергии, при которой насосная работа также
дает эффект. При подъеме (опускании) уровня бассейна выше (или ниже) уровня
прилива за счет насосной работы агрегатов ПЭС аккумулирует энергию совместно
работающей электростанции и фактически выполняет функцию ГАЭС, но в отличие
от речной ГАЭС это аккумулирование не ведет к потере энергии (около 25 %), а
дает ее выигрыш, так как сра- ботка поднятого объема воды происходит
вследствие отлива при увеличенном (в 2—3 раза) напоре. Эта возможность^
реализуется в работе ПЭС Ране.
Однобассейновая установка одностороннего действия. Общая
компоновка сооружений и состав такие же, что и ПЭС двустороннего действия, но
работа происходит в одну сторону, т. е. при опорожнении или наполнении.
Название цикла: одностороннее действие на опорожнение или одностороннее
действие на наполнение.
При односторонней работе важным является выбор направления
работы ПЭС: на наполнение бассейна (из моря) или на опорожнение . (в море).
При работе однобассейновой установки одностороннего действия на наполнение
получаемая энергия меньше, чем при опорожнении бассейна (например, в одном из
вариантов проекта ПЭС Ране работа на наполнение дает лишь 2/3 энергии,
которую можно получить при работе на опорожнение). Это объясняется тем, что
работа на верхних отметках при обычно пологой форме берегов и осушных
площадок всегда выгоднее, чем на нижних, так как она использует больший объем
сливной призмы и не дает такого быстрого гашения напоров, как при работе на
нижних отметках.
При работе установки одностороннего действия на
опорожнение допускается незначительная сработка бассейна, что важно при
совместном решении задачи энергетики и судоходства, а также при небольших
глубинах залива, когда требуется ограничение сработки высокими отметками.
Аналогичные требования предъявляются и при сооружении ПЭС в эстуариях
наносовлекущих рек (например, ПЭС Северн).
Сравнение одно- и двусторонней схемы. При односторонней
работе диапазон колебаний напора ниже, а средний напор на турбину несколько
выше, чем при двусторонней работе. Это ведет к уменьшению числа турбин или их
размеров, т. е. к уменьшению стоимости оборудования ПЭС. Стоимость турбины,
рассчитанной на одностороннюю работу, также ниже, чем стоимость турбины при
двусторонней работе. Поэтому появилось предложение о применении агрегата
Страфло, который дешевле капсульного, рассчитанного на двустороннюю и обратимую
работу. Несколько уменьшаются стоимость здания и объем выемки под него из-за
исключения насосной работы. Удлинение периода до 7 ч за один цикл работы, так
же как и уменьшение числа тактов при исключении обратимости и реверсивности,
улучшают условия эксплуатации оборудования и продлевают срок службы.
На этом основании в последнее время стали высказываться
мнения, что на ПЭС Ране было дано классическое решение этой задачи, но оно
оказалось весьма сложным и вследствие этого дорогостоящим. «Французский
подход, несмотря на все его технические достоинства, необязательно является
наилучшим. Почему бы не отказаться от всех этих сложных манипуляций с уровнем
бассейнов и не сосредоточить внимание на моделях получения возможно
более^дешевой энергии?» (Вил- сон, 1983)
И как писал в 1978 г. руководитель проекта ПЭС Фанди Кларк, «достоинства, относящиеся к выдаче гарантированной мощности, не
компенсируют увеличение стоимости ПЭС в связи с установкой более
дорогостоящего оборудования, необходимого для работы в двух направлениях
потока» .
Опасения о «сложности манипуляции с уровнями бассейнов»,
очевидно, были связаны с неполадками и авариями генераторов ПЭС Ране в 1975 г. После ремонта агрегаты могут работать во всех режимах; однако преимущественно они работают в
турбинном и насосном прямых режимах
В проекте ПЭС в зал. Фанди 1977 г. выявилось парадоксальное явление — несмотря на то, что двусторонняя работа предполагает более
интенсивную сработку и энергетическое использование сливной призмы бассейна
по сравнению с односторонней, расчет показал, что в данных условиях влияние
двусторонней работы на увеличение выработки значительно уменьшается (на ПЭС
Камберленд двусторонняя работа уменьшает выработку на 5,9%, а на ПЭС Кобекуид
— на 2,7 %), тогда как в условиях Мезенской ПЭС двусторонняя работа увеличивает
выработку на 18 , а ПЭС Северн на 25 %. Поэтому, поскольку в проекте ПЭС
Кобекуид двусторонняя работа снижает коэффициент эффективности R с 1,07 до
0,81, а ПЭС Камберленд с 0,93 до 0,81, в этих проектах принята односторонняя
работа.
Очевидно, что этот вывод не носит универсального характера
и в данном случае, возможно, определяется высокой величиной прилива, при
котором двусторонняя работа снижает свой эффект. Кроме того, очевидно,
сказывается невозможность установки необходимого числа агрегатов по условиям
рельефа и геологии створа (для полной реализации возможностей двусторонней
схемы требуется неоправданная экономически дорогостоящая подводная выемка).
Однако в про- ектах ПЭС Фанди 1977 гг. еще не была исключена возможность
двусторонней работы и отмечается, что «при окончательном выборе реальных
режимов одно- или двустороннего действия необходимо будет учесть пока еще не
получившие качественной оценки выгоды, обусловленные эксплуатационной
гибкостью установки двустороннего действия»
Наоборот, из этих условий в советских разработках мощных
ПЭС, где доля приливной энергии в противоположность ПЭС Ране весьма
значительна, а средняя величина прилива (6 м) меньше, чем в Фанди и Северн, и по условиям створа нет ограничения для размещения необходимого числа агрегатов,
принимается однобассейновая схема с двусторонней работой.
Сопоставление однобассейновой схемы с многобассейновыми
Подробный анализ этих схем дан в Основной недостаток многобассейновых схем по
сравнению с однобассейновыми состоит в меньшем (в 2 или 3 раза в зависимости
от числа бассейнов) использовании потенциальной энергии вследствие деления
бассейна на 2 или 3 части и уменьшения работающей площади бассейна 5. Это
относится также к схемам с объединенными бассейнами, которые удорожаются по
сравнению с двухбассейновыми схемами за счет сооружения дополнительных плотин
и дублирующих ПЭС. Исключение составляют двухбассей- новые схемы IIa-1 и
IIa-5 с насосным действием, не имеющие дублирующих мощностей, а также схема
Декера,
обеспечивающая непрерывную работу.
Двухбассейновая установка с электростанцией в
разделительной плотине, работающей на напоре между бассейнами (табл. 4.1,
схема Па-2). Этот цикл был предложен Декером в 1890 г. для приливной установки Он- флер в устье р. Сены и позже рассматривался в вариантах проектов
ПЭС Кводди, Северн, Птикодиак и Лумбов- ской. Такое широкое распространение
цикла Декера объясняется тем, что в нем достигается непрерывность гене-
рирования энергии при простоте и относительно невысокой стоимости установки.
Электростанция располагается в разделительной плотине и работает на напоре
между верховым и низовым бассейнами. На 4.5 видно, что с помощью водопропускных
отверстий 3—4 в плотинах / и 2 в низовом бассейне все время поддерживается
уровень, близкий к малой воде, а в верховом — к полной воде. Таким образом,
ПЭС 1, расположенная в разделительной плотине 2, работает непрерывно.
Несомненное достоинство цикла — непрерывность энергии — достигается
недоиспользованием значительной потенциальной энергии.
В этом цикле, имеющем непрерывную, но колеблющуюся в
течение суток мощность, так же как и в трех- бассейновой схеме Дефура 1937 г., где мощность регулируется по режиму потребления, колебания мощности внутри месяца от сизигии
к квадратуре, как и в любой схеме, не имеющей насосного аккумулирования,
остаются неизбежными.
Двухбассейновая схема с насосной подкачкой обратимых
агрегатов (цикл Бернштейна IIa-5). Форсированная за счет энергосистемы
насосная работа в период квадратур может компенсировать спад энергии прилива
в это время. Этот цикл применяется в современных проектах двухбассейновых ПЭС
Северн. В этих усовершенствованных схемах за счет включения во вспомогательный
(низовой) бассейн акватории со значительными глубинами (18 м ниже среднего уровня моря) удается обеспечить непрерывную выдачу мощности в течение 12 ч
пикового потребления и 10-часовон непрерывной работы ночью в насосном режиме независимо
от фазы прилива.
Таким образом, ПЭС' становится важным компонентом
объединения энергосистем, в котором преобладают АЭС и отсутствуют ГЭС. Однако
вследствие более чем двукратного дублирования мощности и более высокой стои-
мос ти н и з ко н а пор н ого а к к у м у л и р ова - ния на ПЭС по сравнению
с высоконапорной ГАЭС такое решение оказывается неэффективным, поскольку ПЭС
превращается в ГАЭС, КПД которой хотя и выше, но эффективность значительно
ниже.
В проекте ПЭС Северн это выражается в затрате на
аккумулирование 20,7 ТВт-ч в год при выдаче в сеть 18 ТВт-ч и снижении
коэффициента эффективности R до 0,85, в то время как для ГАЭС он равен 1,25,
а для од- нобассейновой установки доходит до 2—3.
Коэффициент отношения энергии, полученной за период
эксплуатации, к энергозатратам на создание ПЭС для однобассейновой схемы на
17 % выше, чем для двухбассейновой Поэтому комитет Север некой плотины в 1981 г. отдал предпочтение однобассейновой схеме. В результате проведенного анализа можно сделать
вывод о преимуществе однобассейновой схемы перед двухбассейновой.
Этот вывод оказался бесспорным не только для принятых
проектов ПЭС Камберленд, Кобекуид и при вариантном проектировании ПЭС Северн,
но и, наконец, при последнем (1977 г.) рассмотрении проекта ПЭС Кводди, где
долгое время (на протяжении 57 лет) не могли отказаться от двухбассейновой
схемы.
Что касается выбора между двусторонней и односторонней
работой, то здесь окончательный вывод представляется еще преждевременным.
Ясно, что двусторонняя работа имеет очевидное преимущество в экологическом
отношении, обеспечивая при работе на максимум отдачи минимум нарушений
природных условий. Она также повышает энергоэкономическую эффективность при
наличии в системе совместно действующих ГЭС с большими водохранилищами,
обеспечивающими межсизигийное регулирование. Тогда ПЭС обеспечивает не только
эффект участия в покрытии пиковых нагрузок, но значительно увеличивает
выработку по сравнению с односторонней работой.
При отсутствии этого условия, а также при высокой величине
прилива, когда разница в отдаче не столь ощутима, пока преимущество отдается
односторонней работе (ПЭС Фанди, Северн). Но окончательный вывод может быть
сделан только на основании результатов эксплуатации ПЭС при двусторонней
работе. Во всяком случае, во Франции уже убедились в том, что «опыт
электростанции Ране показал выгодность двусторонней работы ПЭС при изменении
стоимости энергии от часа к часу»
|