Графики электрических и тепловых нагрузок энергосистем

Потребляемая мощность энергосистемы меняется в течение суток, по дням недели и месяцам года, что объясняется переменным характером потребления и его структурой. Основную нагрузку дает промышленное потребление электроэнергии, которое складывается из потребления односменных, двухсменных и трехсменных предприятий (рис. 1а).

Суточный график электрической нагрузки энергосистемы отличается также по дням недели (рабочий и нерабочий день) и по временам года. Наибольшие электрические нагрузки имеют место осенью и зимой (осенний — зимний максимум), т. е. в период отопительного сезона. Формирование суточного графика электрической нагрузки рабочего дня рассматривается как сумма нагрузки различных категорий потребителей. В результате наложения потребления двухсменных и односменных предприятий и нагрузки, имеющей пиковый характер, получается характерный суточный график электрической нагрузки энергосистемы с ночным провалом, последующим быстрым утренним ростом нагрузки до утреннего пика, дневным неглубоким провалом, и последующим вечерним пиком, после которого следует быстрый спад нагрузки. Параллельная работа электростанций энергосистемы помогает покрывать этот переменный суточный график электрической нагрузки.

Рис. Суточные графики электрической нагрузки энергосистемы:

а — формирование суточных графиков нагрузки энергосистемы;

б — графики нагрузки по дням недели.

Для обеспечения утреннего и особенно вечернего максимума подключаются пиковые электростанции, в часы ночного провала электрической нагрузки часть турбин и, соответственно, котлов разгружается, и несет минимальную технически допустимую нагрузку (технический минимум), часть турбин и котлов выводится в резерв.

На рис. 1б показаны суточные графики электрической нагрузки энергосистемы по рабочим и выходным дням недели, а также в субботу — график промежуточный между пятницей (рабочим днем) и воскресеньем (выходным днем).

Суммарная электрическая нагрузка распределяется между электростанциями энергосистемы с учетом их маневренности, т. е. способности к работе по переменному графику нагрузки, и тепловой экономичности.

На рис. 2,а,б приведен характерный суточный график электрической нагрузки энергосистемы в зимний и летний дни. На рис. 2,в показан годовой график продолжительности электрических нагрузок, который строится по суточным графикам нагрузки — зимнему и летнему, рабочего и нерабочего дней. Годовой график электрических нагрузок по продолжительности (график Росандера) описывается формулой.

.

где P, P_макс — соответственно текущее и максимальное значение мощности;

ф, ф_год. — соответственно текущее и годовое (8760 ч) время;

f₀ — отношение минимальной и максимальной мощности годового графика нагрузки; f₀ = P_мин./ P_макс.;

f — коэффициент годовой нагрузки;

л — показатель степени, зависящий от коэффициента годовой нагрузки;

Рис. 2. Суточный график электрической нагрузки энергоблока:

а — зимний день; б — летний день; в — построение годового графика электрических нагрузок по продолжительности Годовое потребление электрической энергии равно площади под кривой на графике Росандера (рис. 2,в):

Тепловая энергия требуется для технологических процессов и силовых установок промышленности, для отопления и вентиляции производственных, жилых и общественных зданий, кондиционирования воздуха и бытовых нужд (горячего водоснабжения). Для производственных целей обычно требуется насыщенный пар давлением от 0,15 до 1,6 МПа. Однако чтобы уменьшить потери при транспортировке и избежать необходимости непрерывного дренирования воды из коммуникаций, с электростанции пар отпускают несколько перегретым. На отопление, вентиляцию и бытовые нужды с теплоэлектроцентрали обычно горячая вода поступает с температурой от 70 до 150 °C в городские тепловые сети и от 70 до 180 °C — в пригородные.

Различают местное и централизованное теплоснабжение. Система местного теплоснабжения обслуживает одно или несколько зданий, система централизованного — жилой или промышленный район. В системах местного теплоснабжения источниками тепла служат печи, водогрейные котлы, водонагреватели (в том числе солнечные) и т. п. В РФ наибольшее значение приобрело централизованное теплоснабжение (в связи с этим термин «теплоснабжение» чаще всего употребляется применительно к системам централизованного теплоснабжения). Его основные преимущества перед местным теплоснабжением — значительное снижение расхода топлива и эксплуатационных затрат (например, за счёт автоматизации котельных установок и повышения их КПД); возможность использования низкосортного топлива; уменьшение степени загрязнения воздушного бассейна и улучшение санитарного состояния населённых мест.

Централизованная система теплоснабжения включает источник теплоты (промышленная и районная отопительная котельная, теплоэлектроцентраль), трубопроводы для транспорта теплоты (паровые или водяные тепловые сети) и установки потребителей, использующие теплоту для технологических или бытовых нужд и присоединяемые к сети через тепловые пункты.

Централизованное теплоснабжение с ТЭЦ в качестве источника теплоты называется теплофикацией. Последняя благодаря комбинированной выработке электроэнергии и теплоты на ТЭЦ дает существенную экономию топлива.

Теплота на бытовые нужды (горячее водоснабжение) может подаваться с водой, поступающей к потребителю из тепловой сети, и с предварительно нагретой водопроводной водой. При горячем водоснабжении, осуществляемом сетевой водой, схему называют открытой, при горячем водоснабжении предварительно нагретой водопроводной водой — закрытой схемой.

Технологические потребители являются, как правило, круглогодовыми и имеют преимущественно ровный суточный график нагрузки (нефтеперегонные заводы, нефтехимические и химические комбинаты и др.). Некоторые теплопотребляющие предприятия работают в две смены и имеют ночной провал тепловой нагрузки. Подача пара технологическим потребителям осуществляется обычно по однотрубному паропроводу надземной прокладки.

Тепловая нагрузка электростанции, определяемая расходом теплоты на производственные процессы и бытовые нужды (горячее водоснабжение), практически не зависит от наружной температуры воздуха. Однако летом эта нагрузка несколько меньше, чем зимой. В то же время промышленная и бытовая тепловые нагрузки резко изменяются в течение суток. Кроме того, среднесуточная нагрузка электростанции при использовании теплоты на бытовые нужды в конце недели и предпраздничные дни значительно выше, чем в другие рабочие дни недели. Типичные графики изменения суточной тепловой нагрузки промышленных предприятий и горячего водоснабжения жилого района показаны на рис. 3 и 4.

Отопительная тепловая нагрузка, расход теплоты на вентиляцию и кондиционирование воздуха зависят от температуры наружного воздуха и имеют сезонный характер. Расход теплоты на отопление и вентиляцию наибольший зимой и полностью отсутствует в летние месяцы; на кондиционирование воздуха теплота расходуется только летом (поэтому расширение сферы применения кондиционированного воздуха приведет к повышению эффективности теплофикации).

Для крупных городских и пригородных ТЭЦ основным видом тепловой нагрузки является отопительная, и поэтому значение ф_макс. для них ниже числа часов использования максимума электрической нагрузки.

• — - - лето;
• ——— зима

Рис. 4. Суточные графики изменения расхода теплоты на бытовые нужды района: а — в рабочие дни недели; б — по субботам.

Потребление теплоты на горячее водоснабжение является круглогодичным, однако средняя нагрузка летом снижается относительно зимней на 15−25%. График нагрузки горячего водоснабжения в течение одних суток приведен на рис. 5 и подобен суточному графику потребления электроэнергии.

Ночью имеет место глубокий провал нагрузки, затем утром — пик нагрузки, за которым следуют дневной провал примерно до среднесуточной нагрузки Q_ср и вечерний пик. Суточные графики нагрузки горячего водоснабжения различны для различных дней недели. Особенно высокий вечерний пик эта нагрузка имеет в субботу.

При расчете тепловых нагрузок принимается постоянная средненедельная нагрузка горячего водоснабжения, которая подсчитывается по нормам на одного жителя и затем суммируется.