Патент на изобретение №2354023

(54) ОБЪЕДИНЕННАЯ ЭНЕРГОСИСТЕМА

(57) Реферат:

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано для корректировки соотношения генерируемых и потребляемых мощностей в различных режимах эксплуатации энергосистем. Технический результат заключается в обеспечении стабильного режима работы электрогенерирующих агрегатов вне зависимости от соотношения генерируемых и потребляемых мощностей в энергосистеме. Объединенная энергосистема включает множество генераторов электрической энергии, соединенных общей энергетической сетью, множество потребителей электрической энергии, подключенных к общей энергетической сети, при этом потребители электрической энергии содержат выделенную группу потребителей-регуляторов, объединенных системой централизованного управления, каждый потребитель-регулятор энергии содержит электрическую машину, выполненную с возможностью работы в режиме электродвигателя или в режиме электрогенератора, блок преобразования электрической энергии в тепловую энергию, выполненный в виде гидродинамического теплогенератора с возможностью соединения с валом электрической машины, блок накопления тепловой энергии, связанный с гидродинамическим теплогенератором и выполненный в виде жидкостного аккумулятора тепловой энергии с разделенными жидкостной и паровой фазами. 2 ил.

Изобретение относится к области энергетики, в частности к объединенным энергосистемам с множеством генераторов и потребителей электрической энергии, объединенных в единую энергетическую сеть. Может быть использовано в энергосистемах для корректировки соотношения генерируемых и потребляемых мощностей в различных режимах эксплуатации энергосистем.

В крупных энергосистемах существует задача поддержания так называемой “резервной мощности”. Это связано с необходимостью постоянной поддержки в готовности активируемой электрической мощности на тот случай, если возникают непредвиденные дефициты мощности на стороне производителя энергии, например, в результате выхода из строя электростанции.

В Европейской объединенной энергосети (UCPTE) каждое предприятие должно удерживать 2,5% мгновенной нагрузки сети в качестве “резервной мощности”. В Германии эта “резервная мощность” должна быть активируемой наполовину в течение 5 секунд и остаток в последующие 25 секунд, чтобы иметь возможность компенсировать дефицит мощности в общей сети.

Проблема поддержания “резервной мощности” тесно связана со стабильность частоты электрического тока в энергосистеме – одним из основных показателей качества электрической энергии. В настоящее время основным средством поддержания частоты электрического тока в энергосистеме является изменение мощности генерации, осуществляемое системами первичного регулирования энергоблоков. Работа систем первичного регулирования крупных энергоблоков связана с потерями их эффективности. Кроме того, технические характеристики систем регулирования существующего оборудования не всегда способны обеспечить поддержку частоты в границах действующих норм (50 Гц ± 0,2 Гц), не говоря о норме 50 Гц ± 0,02 Гц согласно требованиям энергосистемы Европы (UCTE).

Широко известно удержание “резервной мощности” путем накопления энергии в обычном режиме работы энергосистемы с последующей передачей накопленной энергии в объединенную энергосеть в случаях непредвиденного дефицита мощности на стороне производителя энергии. В качестве накопителей энергии используют инерционные накопители (маховики), накопители энергии в виде сжатого газа, накопители тепловой энергии, сверхпроводящие магнитные накопители электрической энергии и др.

Примером удержания “резервной мощности” путем накопления энергии является выравниватель нагрузки, известный по патенту Российской Федерации RU 2119708, МПК⁶ H02J 3/30, H02J 15/00, Н02К 31/00, Н02К 13/00, Н02К 25/00, дата подачи заявки 1997.02.25. Выравниватель нагрузки для приведения режимов электропотребления в соответствие со структурой генерирующих мощностей содержит маховиковый накопитель энергии, зарядно-разрядный электромашинный орган и систему управления. Особенностью накопителя энергии является то, что в герметичном корпусе, в котором создан глубокий вакуум, на радиально-осевой самоцентрирующейся магнитной опоре, служащей одновременно ступицей ободкового супермаховика, навитого из высокопрочных нитей, установлен вертикально единый явнополюсный якорь двух совмещенных дисковых униполярных машин электромагнитного возбуждения с общим центральным термоэмиссионным или скользящим токосъемом и раздельными периферийными термоэмиссионными токосъемами с сеточным управлением по частоте.

Еще одним примером удержания “резервной мощности” путем накопления энергии является энергетическая установка на возобновляемом источнике энергии в энергетической системе и способ ее работы, известные по патенту Российской Федерации RU 2035821, МПК⁶ H02J 15/00, дата подачи заявки 1991.07.01.

Энергетическая установка содержит электрогенерирующее устройство в виде возобновляемого источника энергии, аккумулятор электроэнергии, электрические переключатели, а также линии электропередачи, связывающие элементы энергетической установки между собой и с энергетической системой.

Установка работает следующим образом.

В период высоких электрических нагрузок аккумулятор выдает электроэнергию в энергетическую систему. Вход аккумулятора в это время подключен к установке возобновляемого источника энергии, пополняющей запасы энергии в аккумуляторе. В период низких электрических нагрузок вход аккумулятора отключается от установки возобновляемого источника энергии и подсоединяется к энергетической системе на несколько часов для дозарядки с таким расчетом, чтобы к моменту утреннего подъема электрической нагрузки аккумулятор был заряжен полностью.

Продолжительность дозарядки определяется степенью заряженности аккумулятора энергии. Например, если аккумулятор к моменту провала графика электрических нагрузок заряжен полностью, то он в эту ночь не подключается к энергосистеме совсем и все полупиковые станции разгружаются, как обычно, на весь период низких электрических нагрузок.

Можно привести еще множество примеров использования различных аккумуляторов энергии для компенсации дефицитов мощности в энергосистемах. Общим их недостатком является ограниченная емкость накопителей энергии, что ограничивает длительность компенсации нагрузочных пиков десятками секунд или несколькими секундами, что недостаточно для запуска других резервных носителей энергии, таких как гидроаккумулирующие электростанции или газотурбинные электростанции.

Также широко известно удержание “резервной мощности” путем дросселирования регулировочных вентилей турбин в паротурбинных электростанциях, которые питают объединенную энергосеть. Такие паротурбинные электростанции в обычном режиме эксплуатируются с указанным дросселированием. При нагрузочном пике на стороне сети или, иначе выражаясь, при дефиците общей введенной мощности электростанций дросселирование снимают и мощность паротурбинных электростанций соответственно повышается.

Эксплуатация паротурбинных электростанций в режиме дросселирования регулировочных вентилей турбин приводит к уменьшению коэффициента полезного действия, увеличивает эксплуатационные затраты на отдельной электростанции. Этот вид компенсации дефицита мощности требует строительства более мощных паротурбинных электростанций, чем это требуется для энергообеспечения потребителей в нормальном режиме работы энергосистемы, вызывает увеличения инвестиционных затрат.

Для компенсации дефицитов мощности в диапазоне длительности от 30 секунд до 5 минут и более известно кратковременное прерывание пароснабжения устройств, нагреваемых паром промежуточного отбора. При этом в распоряжение паровой турбины поступает увеличенное количество тепловой энергии, мощность турбины увеличивается. Выигранное таким образом время в большинстве случаев является достаточным, чтобы вывести мощность нагрева в парогенераторе до допустимой граничной мощности, если рассчитывать на длительные нагрузочные пики, или для того, чтобы активировать аккумулирующие электростанции.

Так, известна паротурбинная электростанция (патент США 3523421) с паровой турбиной, приводящей в действие генератор, и с подключенным к паровой турбине трубопроводом пара промежуточного отбора с вентилем, управляемым контрольным блоком. Способ эксплуатации такой паротурбинной электростанции предусматривает, в зависимости от нагрузки, увеличение предложения пара паровой турбине посредством регулирования отбора промежуточного пара от турбины. Регулирование выполняют при помощи контрольного блока, управляющего вентилем, установленным на трубопроводе пара промежуточного отбора.

Особенность этого вида регулирования выражается в том, что система срабатывает со значительным временем задержки. Поэтому такое регулирование не является пригодным для компенсации пиковых нагрузок настолько быстро, чтобы не наступал провал мощности или частотный спад в энергосети. Кроме того, энергетическая установка при таком регулировании большую часть времени работает в режиме недогруза, что приводит к уменьшению коэффициента полезного действия, увеличивает эксплуатационные затраты, требует строительства более мощных паротурбинных электростанций, чем это необходимо для энергообеспечения потребителей в нормальном режиме работы энергосети.

В качестве прототипа заявляемой объединенной энергосистемы выбрана объединенная энергосистема, известная по патенту Российской Федерации RU2121746, МПК⁶ H02J 15/00, H02J 3/06, F01K 7/34, дата подачи заявки 1992.11.20.

Объединенная энергосистема включает множество генераторов электрической энергии, соединенных общей энергетической сетью, а также потребителей электрической энергии, подключенных к общей энергетической сети. Генераторы электрической энергии выполнены в виде паротурбинных электростанций. Часть паротурбинных электростанций снабжена устройствами регулирования предложения пара паровым турбинам путем управления расходом пара промежуточного отбора. Часть паротурбинных электростанций снабжена сверхпроводяшими магнитными накопителями электрической энергии.

Каждая паротурбинная электростанция содержит резервуар питательной воды, парогенератор с экономайзером, испарителем и перегревателем, турбины, генератор электрической энергии. Вход парогенератора (вход экономайзера) соединен с резервуаром питательной воды. К выходу парогенератора (выход перегревателя) через трубопровод пара высокого давления подключена паровая турбина высокого давления. Выход паровой турбины высокого давления соединен с двухпоточной паровой турбиной низкого давления, которая соединена последовательно с паровой турбиной высокого давления. Турбины соединены с валом генератора электрической энергии. Обе ступени низкого давления паровой турбины низкого давления подключены через трубопровод отработавшего пара к конденсатору. Выход конденсатора через конденсатный насос и подогреватель конденсата соединен с резервуаром питательной воды. Резервуар питательной воды через насос питательной воды и подогреватель питательной воды соединен с входом парогенератора (вход экономайзера).

Паротурбинная электростанция работает следующим образом. Питательная вода подается в парогенератор, где превращается в перегретый пар высокого давления. Пар высокого давления поступает на вход паровой турбины высокого давления, далее на двухпоточную паровую турбину низкого давления. В турбинах тепловая энергия пара превращается в механическую энергию, которая приводит в действие связанный с турбинами генератор электрической энергии. Отработанный пар после турбин поступает в конденсатор, где превращается в конденсат, который направляют в резервуар питательной воды.

Часть паротурбинных электростанций, которые снабжены устройствами регулирования предложения пара паровым турбинам, имеют следующие конструктивные особенности.

К выходу паровой турбины высокого давления подключен первый трубопровод пара промежуточного отбора, который через первый регулировочный вентиль и подогреватель питательной воды соединен с резервуаром питательной воды. К одной из ступеней паровой турбины низкого давления подключен второй трубопровод пара промежуточного отбора, который через второй регулировочный вентиль и подогреватель конденсата соединен с входом конденсатора. Паротурбинная электростанция содержит также контрольный блок-регулятор с измерительными линиями, которые измеряют электрический ток и/или зависящие от него параметры, как, например, частоту, напряжение, мощность в общей энергетической сети, определяя соотношения генерируемых и потребляемых мощностей в общей энергосистеме. Контрольный блок-регулятор соединен управляющими линиями с первым и вторым регулировочными вентилями в трубопроводах пара промежуточного отбора.

В нормальном режиме эксплуатации, когда резервная мощность не требуется, пар промежуточного отбора от турбины низкого давления через второй регулировочный вентиль направляется в подогреватель конденсата и оттуда – в конденсатор. За счет этого подогревают конденсат, поступающий в резервуар питательной воды. Дальнейший подогрев питательной воды выполняют паром промежуточного отбора от турбины высокого давления, который через первый регулировочный вентиль направляют в подогреватель питательной воды и оттуда – в парогенератор.

При дефиците генерируемой мощности, например при выходе из строя одной из паротурбинных электростанций, контрольный блок-регулятор управляет одновременно обоими регулировочными вентилями в трубопроводах пара промежуточного отбора в направлении их закрытия. Следствием этого является то, что в распоряжение паровой турбины низкого давления поступает больше пара, мощность турбины увеличивается, генератор электрической энергии вырабатывает и передает в общую электрическую сеть дополнительную энергию, компенсируя дефицит генерируемой мощности. При уменьшении спроса на мощность в общей электрической сети оба регулировочных вентиля в обоих трубопроводах пара промежуточного отбора управляются в направлении открывания, переводя установку в обычный режим работы.

Часть паротурбинных электростанций может быть укомплектована сверхпроводящими магнитными накопителями электрической энергии.

Сверхпроводящий магнитный накопитель электрической энергии содержит сверхпроводящую магнитную катушку, охлаждающую магнитную катушку, холодильную установку, систему управления, обеспечивающую режим накопления электрической энергии или режим передачи накопленной энергии в общую электрическую сеть. Сверхпроводящий магнитный накопитель управляется контрольным блоком-регулятором, измеряющим параметры общей энергетической сети и определяющим соотношения генерируемых и потребляемых мощностей в общей энергосистеме. При дефиците генерируемой мощности сверхпроводящий магнитный накопитель передает накопленную энергию в общую электрическую сеть. В обычном режиме работы энергосистемы происходит накопление энергии сверхпроводящим магнитным накопителем.

Прерывание отбора промежуточного пара с использованием сверхпроводящих магнитных накопителей электрической энергии позволяет компенсировать нагрузочные пики с длительностью в диапазоне от 0,1 секунды до 5 минут. Этот временной интервал является достаточным для запуска других резервных носителей энергии, таких как гидроаккумулирующие электростанции или газотурбинные электростанции.

Общими признаками прототипа и заявляемой объединенной энергосистемы являются: объединенная энергосистема, включающая множество генераторов электрической энергии, соединенных общей энергетической сетью, множество потребителей электрической энергии, подключенных к общей энергетической сети.

Генерирующие агрегаты объединенной энергосистемы при таком регулировании большую часть времени работают в режиме недогруза, что приводит к уменьшению коэффициента полезного действия, увеличивает эксплуатационные затраты, требует строительства более мощных паротурбинных электростанций, чем это необходимо для энергообеспечения потребителей в нормальном режиме работы энергосети. Кроме того, при регулировании промежуточного отбора пара от турбин система срабатывает со значительным временем задержки, что при внезапных пиковых нагрузках может привести к провалу мощности или частотному спаду в энергосети.

В основу изобретения поставлена задача усовершенствования объединенной энергосистемы, в которой за счет особенностей построения энергосистемы и выбора параметров управления обеспечивается стабильный режим работы электрогенерирующих агрегатов вне зависимости от соотношения генерируемых и потребляемых мощностей в энергосистеме.

Поставленная задача решается тем, что в объединенной энергосистеме, включающей множество генераторов электрической энергии, соединенных общей энергетической сетью, множество потребителей электрической энергии, подключенных к общей энергетической сети, согласно изобретению потребители электрической энергии содержат выделенную группу потребителей-регуляторов, объединенных системой централизованного управления, каждый потребитель-регулятор энергии содержит электрическую машину, выполненную с возможностью работы в режиме электродвигателя или в режиме электрогенератора, блок преобразования электрической энергии в тепловую энергию, выполненный в виде гидродинамического теплогенератора с возможностью соединения с валом электрической машины, блок накопления тепловой энергии, связанный с гидродинамическим теплогенератором и выполненный в виде жидкостного аккумулятора тепловой энергии с разделенными жидкостной и паровой фазами, блок преобразования тепловой энергии в механическую энергию, связанный с паровой фазой жидкостного аккумулятора и выполненный в виде паровой турбины или паровой поршневой машины с возможностью соединения с валом электрической машины.

Перечисленные признаки составляют сущность заявляемой объединенной энергосистемы.

Существенные признаки изобретения находятся в причинно-следственной связи с достигаемым техническим результатом.

Так, если в объединенной энергосистеме, которая включает множество генераторов электрической энергии, соединенных общей энергетической сетью, и множество потребителей электрической энергии, подключенных к общей энергетической сети, выделить среди потребителей электрической энергии группу потребителей-регуляторов, объединенных системой централизованного управления, каждый потребитель-регулятор выполнить в виде электрической машины, которая может работать в режиме электродвигателя или в режиме электрогенератора, блока преобразования электрической энергии в тепловую энергию, выполненного в виде гидродинамического теплогенератора с возможностью соединения с валом электрической машины, блока накопления тепловой энергии, связанного с гидродинамическим теплогенератором и выполненного в виде жидкостного аккумулятора тепловой энергии с разделенными жидкостной и паровой фазами, блока преобразования тепловой энергии в механическую энергию, связанного с паровой фазой жидкостного аккумулятора и выполненного в виде паровой турбины или паровой поршневой машины с возможностью соединения с валом электрической машины, то становится возможным корректировать соотношения генерируемых и потребляемых мощностей при стабильном режиме работы электрогенерирующих агрегатов.

Объясняется это тем, что при таком подходе объектами управления для целей корректировки соотношения генерируемых и потребляемых мощностей могут быть потребители электрической энергии (выделенная группа потребителей-регуляторов). Генераторы электрической энергии при этом переводятся в стационарный, наиболее эффективный режим работы с максимальной нагрузкой.

Так, в обычном режиме эксплуатации все генераторы электрической энергии работают в наиболее эффективном режиме работы с максимальной нагрузкой. Потребители-регуляторы работают в режиме потребления электроэнергии с выработкой тепловой энергии, которую накапливают и/или передают в тепловую сеть.

При нагрузочном пике, иначе выражаясь, при дефиците общей введенной мощности генерирующих электростанций часть выделенных потребителей-регуляторов автоматически выводят из режима потребления электроэнергии. При этом каждый из указанных потребителей-регуляторов может работать в режиме передачи накопленной тепловой энергии в теплосеть, или в режиме преобразования накопленной тепловой энергии в электрическую энергию с передачей ее в общую электросеть, или в комбинированном режиме с передачей накопленной тепловой энергии в теплосеть и с передачей электрической энергии в общую электросеть. При этом режим работы генераторов электрической энергии не изменяется.

При нормализации генерируемых и потребляемых мощностей указанные потребители-регуляторы переводят в обычный режим потребления электрической мощности.

Таким образом корректируют соотношения генерируемых и потребляемых мощностей в объединенной энергосистеме без изменения режима работы генераторов электрической энергии.

При выполнении преобразователей электрической энергии в тепловую энергию в виде гидродинамических теплогенераторов с электрическим приводом их отключение или включение происходит практически мгновенно, что решает проблемы удержания “секундной резервной мощности”.

Ниже приводится подробное описание объединенной энергосистемы со ссылками на чертежи, на которых представлено:

Фиг.1 – Объединенная энергосистема, блочная схема.

Фиг.2 – Объединенная энергосистема, схема потребителя-регулятора.

Объединенная энергосистема включает множество генераторов электрической энергии 1, соединенных общей энергетической сетью 2, множество потребителей электрической энергии 3, подключенных к общей энергетической сети 2.

Потребители электрической энергии содержат выделенную группу потребителей-регуляторов 4, объединенную системой централизованного управления 5 с возможностью переключения режимов работы указанных потребителей-регуляторов 4.

Объединенная энергосистема содержит диспетчерский центр 6, который соединен управляющими линиями 7 с генераторами электрической энергии 1, управляющими линиями 8 с потребителями электрической энергии 3, управляющей линией 9 с энергетической сетью 2, управляющей линией 10 с системой централизованного управления 5 потребителями-регуляторами 4. Система централизованного управления 5 соединена управляющими линиями 11 с потребителями-регуляторами 4.

Каждый потребитель-регулятор включает электрическую машину 12, выполненную в виде электрической асинхронной машины с фазным ротором с возможностью работы в режиме электродвигателя или в режиме электрогенератора, блок преобразования электрической энергии в тепловую энергию, выполненный в виде гидродинамического кавитационного теплогенератора 13 с возможностью соединения с валом 14 электрической машины 12 через управляемую муфту 15, блок накопления тепловой энергии, выполненный в виде жидкостного аккумулятора тепловой энергии 16 с разделенными жидкостной 17 и паровой 18 фазами и связанный с теплогенератором 13 трубопроводами 19, 20 с управляемыми вентилями 21, 22, блок преобразования тепловой энергии в механическую, выполненный в виде паровой турбины 23 (или паровой поршневой машины) с возможностью соединения с валом 14 электрической машины 12 через управляемую муфту 24. Паровая турбина 23 соединена с паровой фазой 18 аккумулятора тепловой энергии 16 трубопроводом 25 с управляемым вентилем 26 и с конденсатором 27 через трубопровод 28. Жидкостная фаза 18 аккумулятора тепловой энергии 16 через трубопровод 29 с управляемым вентилем 30 связана с теплообменником 31. Теплообменник 31 и конденсатор 27 связаны с теплогенератором 13 трубопроводом 32 обратной воды с управляемым вентилем 33 и с трубопроводами теплосети 34. Подпитку системы водой выполняют через трубопровод 35 с управляемым вентилем 36. Каждый потребитель-регулятор также содержит блок управления 37, соединенный силовыми линиями 38, 39 соответственно с электрической машиной 12 и с общей электрической сетью 2, управляющими линиями 40, 41, 42 соответственно с электрической машиной 12, управляемой муфтой 15, управляемой муфтой 24, а также управляющими линиями (для упрощения чертежа не показаны) с управляемыми вентилями 21, 22, 26, 30, 33, 36.

Каждый потребитель-регулятор работает следующим образом.

В зависимости от характеристик общей электрической сети 2, которая контролируется блоком управления 37, потребитель-регулятор может автоматически по команде блока управления 37 или с помощью ручного управления переводится и работать в следующих основных режимах.

1. Режим потребления энергии от общей электрической сети 2, преобразования электрической энергии в тепловую с аккумулированием тепловой энергии

В указанном режиме электрическая машина 12 по команде блока управления 37 переводится в режим работы “двигателя”. Муфта 15 включена. Муфта 24 исключена. Управляемые вентили 21 и 22 открыты. Управляемые вентили 26, 30, 33 закрыты. Рабочая жидкость (вода) поступает от аккумулятора тепловой энергии 16 через вентиль 22 на вход теплового генератора 13. Из выхода теплового генератора 13 вода через вентиль 21 поступает в аккумулятор тепловой энергии 16. Вода циркулирует по указанному замкнутому контуру, нагревается в результате преобразования электрической энергии в тепловую. Тепловая энергия (нагретая вода) аккумулируется в жидкостном аккумуляторе тепловой энергии 16 с образованием паровой 18 и жидкостной 17 фаз. Конструктивные особенности аккумулятора тепловой энергии данного типа разрешают обеспечить необходимую мощность аккумулятора без особых технических проблем.

2. Режим использования накопленной тепловой энергии с передачей электрической энергии в общую электрическую сеть 2

В указанном режиме электрическая машина 12 по команде блока управления 37 переводится в режим работы “генератора”. Муфта 15 выключена. Муфта 24 включена. Управляемые вентили 26, 33, 22 открыты соответствующими сигналами блока управления 37. Пар из паровой зоны 18 аккумулятора 16 поступает через вентиль 26 на вход паровой турбины 23, выход паровой турбины 23 через трубопровод 28 соединен с конденсатором 27. Выход конденсатора 27 через открытые вентили 33, 22 соединен с жидкостной зоной 17 аккумулятора тепловой энергии 16. В таком режиме паровая турбина 23 передает механическую энергию к электрической машине 12, которая работает в режиме “генератора”. Электрическая энергия, вырабатываемая электрической машиной 12, передается через силовые линии 38, 39 к общей электрической сети 2 под контролем блока управления 37.

3. Режим использования накопленной тепловой энергии с передачей ее в теплосеть 34

В указанном режиме электрическая машина 12 отключена. Муфта 15 выключена. Муфта 24 выключена. Управляемые вентили 21, 26 закрыты, а управляемые вентили 30, 33, 22 открыты соответствующими сигналами блока управления 37. Нагретая вода из жидкостной зоны 17 аккумулятора 16 поступает через вентиль 30 к теплообменнику 31 и дальше через трубопровод 32 обратной воды, вентили 33, 22 поступает в жидкостную зону 17 аккумулятора тепловой энергии 16. В таком режиме тепловая энергия из аккумулятора 16 передается через теплообменник 31 в теплосеть 34.

4. Режим использования накопленной тепловой энергии с передачей электрической энергии в общую электрическую сеть 2 и с передачей тепловой энергии в теплосеть 34

В указанном режиме электрическая машина 12 по команде блока управления 37 переводится в режим работы “генератора”. Муфта 15 выключена. Муфта 24 включена. Управляемые вентили 22, 26, 30, 33, открыты соответствующими сигналами блока управления 37. Пар из паровой зоны 18 аккумулятора 16 поступает через вентиль 26 на вход паровой турбины 23, выход паровой турбины 23 через трубопровод 28 соединен с конденсатором 27. Выход конденсатора 27 через открытые вентили 33, 22 соединен с жидкостной зоной 17 аккумулятора тепловой энергии 16. Паровая турбина 23 передает механическую энергию к электрической машине 12, работающей в режиме “генератора”. Электрическая энергия, вырабатываемая электрической машиной 12, передается через силовые линии 38, 39 к общей электрической сети 2 под контролем блока управления 37. Нагретая вода из жидкостной зоны 17 аккумулятора 16 поступает через вентиль 30 к теплообменнику 31 и дальше через трубопровод 32 обратной воды, вентили 33, 22 поступает в жидкостную зону 17 аккумулятора тепловой энергии 16. Тепловая энергия от теплообменника 31 и конденсатора 27 отводится в теплосеть 34.

Понятно, что схема потребителя-регулятора разрешает реализовать разные комбинированные режимы работы. Указанные, а также другие возможные режимы работы реализуются в границах сущности изобретения известными средствами, например путем подключения к системе соответствующих контуров с соответствующими регулируемыми вентилями, которые управляются блоком управления автоматически или вручную. Такие средства широко известны и не являются предметом изобретения.

Эксплуатируют объединенную энергосистему следующим образом.

Непрерывно контролируют электрические параметры объединенной энергосистемы (напряжение, частоту, генерируемую и потребляемую мощность). Количество контролируемых параметров должно быть достаточным для оценки соотношения генерируемых и потребляемых мощностей. Корректируют соотношения генерируемых и потребляемых мощностей по результатам контроля электрических параметров объединенной энергосистемы. Корректировку выполняют путем переключения режимов работы потребителей-регуляторов 4, объединенных системой централизованного управления 5. Контроль электрических параметров общей энергетической сети выполняют диспетчерским центром 6 объединенной энергосистемы, а переключение режимов работы потребителей-регуляторов 4 выполняют через систему централизованного управления 5 по командам диспетчерского центра 6.

В обычном режиме эксплуатации объединенной энергосистемы потребители-регуляторы 4 потребляют электрическую энергию, генерируют тепловую энергию, аккумулируют тепловую энергию, обеспечивают потребителей тепловой энергии.

При нагрузочном пике (при дефиците введенной мощности генераторов электрической энергии 1) часть потребителей-регуляторов 4 автоматически выводятся из режима потребления электрической энергии в один из возможных режимов работы: режим использования накопленной тепловой энергии с передачей электрической энергии в общую электрическую сеть 2; режим использования накопленной тепловой энергии с передачей ее в теплосеть 34; режим использования накопленной тепловой энергии с передачей электрической энергии в общую электрическую сеть 2 и с передачей тепловой энергии в теплосеть 34.

При нормализации генерируемых и потребляемых мощностей указанные потребители-регуляторы 4 включают или переводят в обычный режим потребления электрической мощности.

Таким образом корректируют соотношения генерируемых и потребляемых мощностей в объединенной энергосистеме. При этом режим работы генераторов электрической энергии не изменяется. Генераторы электрической энергии постоянно работают в стационарном, наиболее экономически выгодном режиме работы с минимальным расходом топлива и с максимальной нагрузкой.

Объединенная энергосистема, которая заявляется, обеспечивает:

1. Качественное удовлетворение спроса на тепловую энергию.

В действующих объединенных энергосистемах работает значительное количество отопительных и промышленных котельных разнообразных типов и назначений. Большинство из них находится в состоянии физического износа. Кроме того действует большое количество ТЭЦ, сооруженных в 50-тые – 70-тые годы минувшего столетия. Большинство из них имеют морально устаревшее, неэкономичное оборудование.

Учитывая высокий моральный и физический снос основных теплогенеруючих мощностей, а также повышение цен на основные виды топлива, в особенности на естественный газ, качественное удовлетворение спроса на тепловую энергию существующими системами централизованного теплоснабжения на базе ТЭЦ и котельных на естественном газе проблематично вследствие неэкономичности и ненадежности их работы. Положение усложняется также неудовлетворительным состоянием изношенных тепловых сетей, большая часть из которых характеризуется высокой аварийностью, значительными потерями тепловой энергии в процессах транспорта и распределения тепла.

Опыт использования потребителей-регуляторов, выполненных в виде преобразователей электрической энергии в тепловую энергию, указывает на возможность двукратного сокращения годовых затрат энергии на отопление. Исходя из этого внедрение указанных потребителей-регуляторов в полном объеме разрешит, на примере Украины, обеспечить теплом до 20% площади жилого фонда. Экономия естественного газа составит при этом 2-8 млрд м³ на год.

2. Повышение надежности и энергетической безопасности объединенной энергосистемы.

Одной из проблем обеспечения надежности работы энергетической системы является предотвращение системных аварий, которые могут возникнуть вследствие внезапного резкого роста электрической нагрузки или аварийного отключения крупных энергоблоков АЭС и ТЭЦ. В данное время такая задача решается путем отключения электрических потребителей, что приводит к экономическим убыткам потребителей электроэнергии.

Внедрение потребителей-регуляторов, выполненных в виде преобразователей электрической энергии в тепловую энергию, разрешит эффективнее выполнять задачи выравнивания дисбаланса мощности без существенных убытков для потребителей электрической и тепловой энергии и обеспечит:

– автоматическое регулирование потребляемой электрической мощности без регулирования энергоблоков за счет высокого быстродействия нагрузки-разгрузки потребителей-регуляторов;

– повышение уровня потребления электрической энергии в часы ночных провалов электрической нагрузки, что обеспечит работу энергоблоков в условиях равномерной наиболее эффективной мощности;

– повышение коэффициента использования установленной мощности энергоблоков тепловых электростанций в 1,5-1,7 раз за счет эффективного выравнивания суточных графиков электрических нагрузок энергосистемы;

– использование потребителей-регуляторов в качестве синхронных компенсаторов сетей 0,4-10,0 кВ, где существует на сегодня значительный дефицит таких компенсаторов.

Мировые тенденции роста цен на газ, зависимость цен и условий снабжения от колебаний мировой конъюнктуры, а также от дестабилизирующих неэкономических факторов обуславливают необходимость сокращения абсолютных и относительных уровней использования естественного газа в тепловой энергетике. Внедрение потребителей-регуляторов как высокоэффективных теплогенеруючих мощностей приведет к экономному и эффективному использованию естественного газа.

3. Снижения загрязнения окружающей среды.

Использование потребителей-регуляторов, выполненных в виде преобразователей электрической энергии в тепловую энергию, разрешит получать тепловую энергию на мощностях, абсолютно не загрязняющих окружающую среду, сократить выбросы оксидов азота в атмосферу, на примере Украины, на 1,6-6,4 тыс.т в год.

4. Возможность интеграции с другими объединенными энергосистемами, например с Европейской Энергосистемой.

Например, Украина имеет значительные возможности наращивать экспорт электрической энергии, в том числе у стран Европы, в случае перехода на параллельную работу с энергосистемой Европы (LJCTE). Тем не менее, для полноценной интеграции необходимо решить проблему повышения качества электроэнергии, которая экспортируется, в частности проблему повышения точности поддержки частоты в 10 раз. Внедрение потребителей-регуляторов, выполненных в виде преобразователей электрической энергии в тепловую энергию и владеющих свойствами быстродействующего регулятора частоты, в значительной мере решает и эту проблему.

Формула изобретения

Объединенная энергосистема, включающая множество генераторов электрической энергии, соединенных общей энергетической сетью, множество потребителей электрической энергии, подключенных к общей энергетической сети,
отличающаяся тем, что потребители электрической энергии содержат выделенную группу потребителей-регуляторов, объединенных системой централизованного управления, каждый потребитель-регулятор энергии содержит электрическую машину, выполненную с возможностью работы в режиме электродвигателя или в режиме электрогенератора, блок преобразования электрической энергии в тепловую энергию, выполненный в виде гидродинамического теплогенератора с возможностью соединения с валом электрической машины, блок накопления тепловой энергии, связанный с гидродинамическим теплогенератором и выполненный в виде жидкостного аккумулятора тепловой энергии с разделенными жидкостной и паровой фазами, блок преобразования тепловой энергии в механическую энергию, связанный с паровой фазой жидкостного аккумулятора и выполненный в виде паровой турбины или паровой поршневой машины с возможностью соединения с валом электрической машины.

РИСУНКИ