Электроэнергетика и снижения себестоимости передачи электроэнергии

 

2.  Основные типы электростанций

Тепловая энергетика

В 2003 г. в России было произведено 915 мпрд кВт-ч электроэнергии, на тепловых электростанциях выработано 68% этого объема (в том числе 42% при сжигании газа, 17% — угля, 8% — мазута), на гидравлических — 18%, на атомных — 1 5%.

Тепловая энергетика производит свыше 2/3 электроэнергии страны. Среди тепловых электростанций (ТЭС) различают конденсационные электростанции (КЭС) и теплоэлектроцентрали (ТЭЦ). Первые производят только электроэнергию (отработанный в турбинах пар конденсируется обратно в воду и снова поступает в систему), вторые — электроэнергию и тепло (нагретая вода идет к потребителям в жилые дома и на предприятия).ТЭЦ располагаются вблизи крупных городов или в  самих городах, так как дальность передачи горячей воды не превышает 15—20 км (потом вода остывает). Например, в Москве и под Москвой существует целая сеть ТЭЦ, некоторые из них имеют мощность более  1 тыс. МВт, то есть больше многих конденсационных ТЭС Таковы, например, ТЭЦ-22 у Московского нефтеперерабатывающего завода в Капотне, ТЭЦ-26 на юге Москвы (в Бирюлево), ТЭЦ-25 в Очаково (юго-запад), ТЭЦ-23 в Гольяново (северо-восток), ТЭЦ-21 в Коровино (на севере).

Тепловые энергетические установки в отличие от гидроэлектростанций размещаются относительно свободно и способны вырабатыеать электричество без сезонных колебаний, связанных с изменением стока. Их строительство ведется быстрее и связано с меньшими затратами труда и материальных средств. Но электроэнергия, полученная на ТЭС, относительно дорогостоящая Конкурировать с ГЭС и АЭС могут лишь энергоустановки, использующие газ. Себестоимость электроэнергии, выработанной на угольных и мазутных ТЭС выше в 2-3 раза.

Средняя себестоимость  производства электроэнергии, коп. за кВт-ч, ноябрь 2006 г.

АЭС (в Европейской  части) 19,2

ТЭС (в Европейской  части) 36,6

ТЭС, работающие на газе 23,6

ТЭС, работающие на мазуте 72,7

ТЭС, работающие на угле 44,5

 

По данным РАО «ЕЭС»

По характеру  обслуживания потребителей тепловые электростанции могут быть районными (ГРЭС), которые  имеют большую мощность и обслуживают  большую территорию, часто 2—3 субъекта федерации, и центральными (располагаются вблизи потребителя). Первые в большей степени ориентированы на сырьевой фактор размещения, вторые — на потребительский.

 

Таблица 1. Крупнейшие тепловые электростанции России.

	Название	Размещение	Установленная мощность, МВт	Основное топливо	Энергосистема
1	Сургутская  ГРЭС-2	г. Сургут, Ханты-Мансийский а. о.	4800	Газ	оэс Урала
2	Рефтинская  ГРЭС	г. Асбест, Свердловская обл.	3800	Уголь	ОЭС Урала
3	Костромская ГРЭС	г. Волгореченск, Костромская обл.	3600	Газ	оэс Центра
4	Сургутская  ГРЭС-1	г. Сургут, Ханты-Мансийский а. о.	3280	Газ	ОЭС Урала
5	Рязанская ГРЭС	г. Новомичуринск, Рязанская обл.	2640	Газ	ОЭС Центра
6	Ириклинская ГРЭС	пос. Энергетик, Оренбургская обл.	2430	Газ	ОЭС Урала
7	Заинская ГРЭС	г. Заинек, Респ. Татария	2400	Газ	ОЭС Средней  Волги
8	Конаковская ГРЭС	г. Конаково, Тверская обл.	2400	Газ	ОЭС Центра
9	Пермская ГРЭС	г. Добрянка, Пермская обл.	2400	Газ	ОЭС Урала
10	Ставропольская  ГРЭС	пос. Солнечнодольск, Ставропольский край	2400	Газ	ОЭС Северного Кавказа
11	Новочеркасская  ГРЭС	г. Новочеркасск, Ростовская обл.	2112	Уголь	ОЭС Северного  Кавказа
12	Киришская ГРЭС	г. Кириши, Ленинградская  обл.	2100	Мазут	ОЭС Северо-Запада

 

ТЭС, использующие уголь, располагаются на территории угольных бассейнов и близ них в условиях, при которых затраты на транспортировку топлива относительно невелики. Примером может служить вторая по мощности в стране Рефтинская ГРЭС под Екатеринбургом, работающая на кузнецком угле. Много подобных установок в пределах Кузбасса (Беловская и Томь-Усинская ГРЭС, Западно-Сибирская и Ново-Кемеровская ТЭЦ), электростанции Канско-Ачинского бассейна (Березовская ГРЭС-1 и Назаровская ГРЭС), Донбасса (Новочеркасская ГРЭС). Единичные ТЭС расположены у небольших угольных залежей: Нерюнгринская ГРЭС в Южно-Якутском бассейне, Троицкая и Южно-Уральская ГРЭС близ угольных бассейнов Челябинской обл., Гусиноозер-ская ГРЭС у одноименного месторождения на юге Бурятии.

ТЭС, работающие на мазуте, ориентированы на центры нефтепереработки. Типичный пример — Киришская ГРЭС при Киришском НПЗ, обслуживающая Ленинградскую обл. и Санкт-Петербург. Сюда же можно отнести Волжскую ТЭЦ-1 под Волгоградом, Ново-Салаватскую и Стерлитамакскую ТЭЦ в Башкирии.

Газовые ТЭС  размещаются как в местах добычи этого сырья (крупнейшие в России Сургутские ГРЭС 1 и 2, Нижневартовская ГРЭС, Заинская ГРЭС в Татарии), так и за многие тысячи километров от нефтегазовых бассейнов. В этом случае топливо поступает на электростанции по трубопроводам. Газ как топливное сырье для ТЭС дешевле и экологичнее мазута и угля, его транспортировка не так сложна, технологически его использовать выгоднее. Работающие на газе электростанции преобладают в Центральной России, на Северном Кавказе, в Поволжье и Приуралье.

Крупнейшее  в России средоточие ТЭС — Подмосковье. Здесь имеются два кольца крупных теплоэнергетических установок: внешнее, представленное ГРЭС (Шатурская и Каширская, построенные по плану ГОЭЛРО, а также Конаковская), и внутреннее — московские ТЭЦ. Если рассматривать Москву как единый энергетический узел, то ему не будет равных по величине в нашей стране. Суммарная мощность этих энергоустановок чуть меньше 1 0 тыс. МВт, что превосходит установленную мощность Сургутских ГРЭС.

Ныне основная часть подмосковных ТЭЦ работает на газе, хотя некоторые из них строились под иное топливо: уголь (Кашира) или торф (Шатура). Руководство Шатурской ГРЭС уже в ближайшее время намерено снова вернуться к лежащему буквально у ног мещерскому торфу как основному энергоносителю, резервными источниками останется газ и станет кузнецкий уголь (сжигать подмосковный уголь на Шатурской ГРЭС стало нерентабельно).

 

 

Гидроэнергетика

Гидроэнергетика использует возобновимые источники  энергии, что позволяет экономить  минеральное топливо. На гидроэлектростанциях (ГЭС) энергия текущей воды преобразуется в электрическую энергию. Основная часть ГЭС — плотина, создающая разницу уровней воды и обеспечивающая ее падение на лопасти генерирующих электрический ток турбин. К преимуществам ГЭС следует отнести высокий кпд — 92—94% (для сравнения у АЭС и ТЭС — около 33%), экономичность, простоту управления. Гидроэлектростанцию обслуживает сравнительно немногочисленный персонал: на 1 МВт мощности здесь занято 0,25 чел. (на ТЭС - 1,26 чел., на АЭС - 1,05 чел.). ГЭС наиболее маневренны при изменении нагрузки выработки электроэнергии, поэтому этот тип энергоустановок имеет важнейшее значение для пиковых режимов работы энергосистем, когда возникает необходимость в резервных объемах электроэнергии. ГЭС имеют большие сроки строительства — 15—20 лет (АЭС и ТЭС — 3—4 года) и требуют на этом этапе больших капиталовложений, но все минусы компенсируются длительными сроками эксплуатации (до 1 00 лет и больше) при относительной дешевизне поддерживающего обслуживания и низкой себестоимости выработанной электроэнергии. Любая ГЭС — комплексное гидротехническое сооружение: она не только вырабатывает электроэнергию, но и регулирует сток реки, плотина используется для транспортных связей между берегами. В нашей стране при крупных ГЭС часто создавались значительные промышленные центры, использовавшие мощности строительной индустрии, высвободившиеся после сооруже» ния плотины, и ориентированные на дешевую электроэнергию гидроустановок. Таковы Тольятти при Волжской ГЭС им. Ленина, Набережные Челны при Нижнекамской ГЭС, Братск при Братской ГЭС, Балаково при Саратовской ГЭС, Новочебоксарск при Чебоксарской ГЭС, Чайковский при Боткинской ГЭС, Волжский при Волжской ГЭС им. XXII съезда КПСС. Похожим образом создавался промышленный центр Саяногорск в Хакасии в относительном удалении от Саяно-Шушенской ГЭС.

Бесспорные  преимущества ГЭС несколько приуменьшает относительная «капризность» этого типа электростанций: для их размещения необходим выгодный створ в речной долине, относительно большое падение воды,сравнительно равномерный сток по сезонам года, создание водохранилища и затопление прирусловых территорий, которые прежде использовались в хозяйственной деятельности и для расселения людей. Более полно гидроэнергетические ресурсы используют серии ГЭС на одной реке — каскады. Наиболее мощные каскады ГЭС в России построены на Енисее, Ангаре, Волге, Каме. По числу отдельных ГЭС на протяжении небольшого участка русла в России нет равных каскадам Кольского полуострова: Нивскому (6 ГЭС общей установленной мощностью 578 МВт), Пазскому (5 ГЭС, 1 88 МВт), Сереб-рянскому (4 ГЭС, 512 МВт).

Россия располагает  большим гидроэнергетическим потенциалом (9% от мировых запасов), что определяет широкие возможности развития гидроэнергетики. По обеспеченности гидроэнергетическими ресурсами Россия занимает второе место в мире после Китая. Преобладающая часть гидроэнергопотенциала сосредоточена в восточных районах страны, в бассейнах Енисея, Лены, Оби, Амура. Однако наиболее освоен энергетический потенциал рек Европейской части, коэффициент его использования ныне составляет 47%. Освоенность гидроэнергопотенциала Сибири существенно ниже — 22%, на Дальнем Востоке этот показатель не превышает 4%.

В России имеется 13 ГЭС установленной мощности более 1 тыс. МВт каждая, их суммарная мощность равна 25,6 тыс. МВт, что составляет 57% от совокупной установленной мощности всех гидравлических генерирующих установок в нашей стране. 9 ГЭС имеют установленную мощность от 500 МВт до 1 тыс. Пять крупнейших гидроэлектростанций России располагаются на Волге, 3 — на Каме, 3 — на Ангаре (еще одна строится), 2 — на Енисее, по одной —. на Оби, Зее, Бурее, Колыме, Сулаке, Курейке, Хантайке (две последние — притоки Енисея). Крупных ГЭС нет на таких значительных российских реках, как Северная Двина, Печора, Дон, Иртыш, Лена, Амур. Крупнейшая ГЭС России — Саяно-Шу-шенская с установленной мощностью 6400 МВт — шестая по величине ГЭС мира. Вторая в России — Красноярская ГЭС (6000 МВт) в мире занимает седьмое место. Напомним, что самой мощной гидроэлектростанцией в мире ныне является Итайпу на границе Бразилии иПарагвая (12,6 тыс. МВт). За ней следуют Гранд-Кули (США, 1 0,8 тыс. МВт), Гури (Венесуэла, ! 0,3 тыс. МВт), Тукуруи (Бразилия, 8 тыс. МВт), Санься (Китай, 7,7 тыс. МВт)*.

 

 

Таблица 2. Крупнейшие гидроэлектростанции России.

Ранг	Название	Размещение	Установленная мощность, МВт	Река	Год ввода в эксплуатацию	Энергосистема
1	Саяно-Шушенская  ГЭС	пос. Черёмушки, Респ. Хакасия	6 400	Енисей	1978	ОЭС Сибири
2	Красноярская  ГЭС	г. Дивногорск, Красноярский край	6 000	Енисей	1971	ОЭС Сибири
3	Братская ГЭС	г. Братск, Иркутская  обл.	4 500	Ангара	1967	ОЭС Сибири
4	Усть-Илимская ГЭС	г. Усть-Илимск, Иркутская обл.	3 840	Ангара	1980	ОЭС Сибири
5	Волжская ГЭС  им. XXII съезда КПСС	г. Волгоград, Волгоградская обл.	2 541	Волга	1962	ОЭС Центра
6	Волжская ГЭС  им. В.И. Ленина	г. Тольятти, Самарская  обл.	2 300	Волга	1957	ОЭС Средней  Волги
7	Чебоксарская  ГЭС	г. Новочебоксарск, Респ. Чувашия	Т 370	Волга	1980	ОЭС Средней  Волги
8	Саратовская ГЭС	г. Балаково, Саратовская обл.	1 360	Волга	1970	ОЭС Средней  Волги
9	Зейская ГЭС	г. Зея, Амурская обл.	1 330	Зея	1980	ОЭС Востока
10	Нижнекамская  ГЭС	г. Набережные Челны, Респ. Татария	1 205	Кама	1979	ОЭС Средней  Волги
11	Загорская ГАЭС	пос. Богородское, Московская обл.	1 200	Кунья	1987	ОЭС Центра
12	Боткинская  ГЭС	г. Чайковский, Пермская обл.	1 020	Кама	1963	ОЭС Урала
13	Чиркеская ГЭС	пос. Дубки, Респ. Дагестан	1 000	Сулак	1976	ОЭС Северного Кавказа

 

При возрастающей неравномерности суточного потребления электроэнергии все большую роль начинают играть самые маневренные источники электроэнергии -гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС). Работа ГАЭС основана на цикличном перемещении одного и того же объема воды между двумя бассейнами, расположенными на разных высотных уровнях. При пиковых нагрузках (разгар рабочего дня или вечер) вода проходит из верхнего бассейна в нижний через турбины, при этом генерируется электроэнергия, тут же поступающая в энергосистему. В периоды падения нагрузок (ночь) станция, наоборот, потребляет электроэнергию (вырабатываемую в это время другими типами электростанций) для того, чтобы с помощью насосов переместить объем воды из нижнего бассейна в верхний. Тем самым происходит аккумуляция энергоресурсов для следующего пикового этапа. ГАЭС особенно эффективны при крупных потребителях электроэнергии, поэтому их час-то размещают у больших городов. Крупнейшая ГАЭС России — Загорская (1 200 МВт) в Сергиево-Посадском районе Московской обл.

На равнинах действуют  плотинные ГЭС с относительно небольшим напором, но со значительным расходом воды и протяженными водохранилищами. В горных районах строятся высоконапорные русловые и деривационные ГЭС. Первые из них с лихвой компенсируют недостаточность расхода воды большим ее падением, что позволяет существенно увеличить мощность установки. Турбины деривационных АЭС установлены не в русле, а в специальных деривационных каналах или трубах, построенных для создания большего уклона реки. К деривационным относится Ирганайская ГЭС в Дагестане. Два ее агрегата мощностью по 200 МВт в 1 998—2001 гг. размещены в тоннелях из монолитного железобетона протяженностью 5,2 км и диаметром 8,5 м каждый. На Ирганайской ГЭС в ближайшем будущем планируется ввод в строй еще двух агрегатов, в результате мощность станции должна увеличиться вдвое.

Перспективы развития российской электроэнергетики также  включают доведение до проектной  мощности в 2 тыс. МВт Бурейской ГЭС  на Дальнем Востоке и достройку Богучанской ГЭС (3 тыс. МВт) на Ангаре. Оба этих амбициозных проекта реализуются при активном участии энергетического монополиста России РАО «ЕЭС». Будущее развитие гидроэнергетики в нашей стране специалисты связывают со строительством мини-ГЭС малой мощности — с незначительной зоной затопления и отказом от гигантских плотин на крупных реках.

 

Атомная энергетика

Российская  атомная энергетика возникла 27 июня 1957 г., когда была пущена Обнинская  атомная электростанция (АЭС), первая в стране и в мире, мощностью  всего лишь 5 МВт (закрыта в апреле 2002 г.).

На атомных  электростанциях используется в  высшей степени концентрированное и транспортабельное топливо — урановые тепловыделяющие элементы. При расходе 1 кг урана выделяется теплота, эквивалентная сжиганию 2,5 тыс. т угля лучших марок. Эта характерная особенность исключает зависимость АЭС от топливного фактора и обеспечивает наибольшую маневренность размещения. Атомные электростанции ориентированы на потребителей, расположенных в районах с напряженным топливно-энергетическим балансом или там, где выявленные ресурсы минерального топлива и гидроэнергии ограничены.

В России в настоящее  время эксплуатируются ядерные  реакторы четырех типов. Наиболее распространены реакторы ВВЭР (водо-водяной энергетический реактор). Тепловая схема каждого энергоблока, оснащенного этими реакторами, двухконтурная. Первый контур — радиоактивный. Теплоносителем и одновременно замедлителем нейтронов здесь служит обыкновенная вода с содержанием бора. Вода первого контура прокачивается главными циркуляционными насосами через активную зону реактора и нагревается. Давление воды в корпусе реактора очень большое — свыше 150 атмосфер, поэтому она не кипит. Температура воды на входе в реактор равна 289 "С, а на выходе из реактора 320 °С. Реактор представляет собой вертикальный цилиндрический сосуд из высокопрочной теплоустойчивой хромо-молибденовой стали с нержавеющей наплавкой. Внутри реактора идет управляемая цепная реакция. Активная зона, где она происходит, собрана из шестигранных тепловыделяющих сборок (ТВС), содержащих тепловыделяющие элементы (ТВЭЛ) стержневого типа с сердечником из диоксида урана в виде таблеток в оболочке из циркониевого сплава. Вода первого контура поступает в реактор через нижние патрубки, проходит снизу вверх через активную зону, нагревается за счет тепла ядерной реакции и, охлаждая тепловыделяющие элементы, выходит из реактора через верхний ряд патрубков. Реактор установлен в бетонной шахте, обеспечивающей надежное крепление реактора и его защиту.

Второй контур — нерадиоактивный. Он состоит из испарительной и водопитательной установок и турбоагрегатаэлектрической мощностью от 440 до 1 000 МВт с системой регенерации воды. Теплоноситель первого контура охлаждается в парогенераторах и отдает тепло воде второго контура. Насыщенный пар, производимый в парогенераторе, под давлением в 6 атмосфер подается ь сборный паропровод и направляется к турбоустановке, приводящей во вращение электрогенератор. В России действуют 1 5 энергоблоков с реакторами ВВЭР, последним из них в декабре 2004 г. был пущен третий энергоблок Калининской АЭС.

Менее популярны  реакторы РБМК (реактор большой мощности канальный), они сомые мощные, но и наиболее уязвимые с точки зрения безопасности. Для замедления цепной реакции в реакторах РБМК применяются графитовые стержни, время от времени опускающиеся в активную зону. Работы над данным типо^ реакторов были начаты в 1963 г., первый такой энергоблок пущен в 1973 г. на Ленинградской АЭС. Авария на четвертом энергоблоке Чернобыльской АЭС, произошедшая 26 апреля 1986 г., заставила пересмотреть требования к безопасности реакторов РБМК. Сегодня на АЭС России действует 1 1 энергоблоков такого типа. Реакторами особого типа оборудованы Белоярская АЭС и Билибинская АТЭЦ (атомная теплоэлектроцентраль, поставляющая городу Билибино не только электроэнергию, но и тепло). В реакторах Белояр-ской АЭС типа БН (на быстрых нейтронах) происходит ядерный перегрев турбинного пара. Этот тип реактора наиболее экономичен, так как допускает регенерацию и вторичное использование ядерного топлива. На маломощных реакторах АТЭЦ реализована схема естественной циркуляции первичного теплоносителя (воды) через каналы реактора.