Связанные одной сетью (о природе энергосистемы и веерных отключениях)

Вадим Гламаздін eircenter.com/ua-analiitika/svyazannyie-odnoj-setyu-o-prirode-energosistemyi-i-veernyix-otklyucheniyax/

Две самых обсуждаемых темы последнего времени из области энергетики – сложности предстоящего отопительного сезона и перспектива возвращения в нашу жизнь такого, казалось, забытого атрибута жизни 90-х, как «веерные» отключения электроэнергии. Первая тема сама по себе достойна отдельного материала. Данная статья – попытка проанализировать, почему мы снова заговорили об отключениях.

Прежде всего, надо разобраться в том, что такое Объединенная Энергосистема (ОЭС) Украины. ОЭС – это большой и сложный организм. Она включает в себя все виды генерирующих мощностей (электростанций), все электрические сети (провода) как магистральные, так и распределительные (те, что доходят до каждого дома) и все сетевое оборудование (распределительные устройства, трансформаторные станции и т.п.). ОЭС Украины – одна из наиболее разнообразных по типу генерации в мире. В ней представлены практически все возможные типы электростанций: атомные станции (АЭС), гидростанции (ГЭС), тепловые станции (ТЭС), теплоэлектроцентрали (ТЭЦ), возобновляемые источники (ВиЭС – солнечные, ветровые, биотопливные, биогазовые). Нет только геотермальных и приливно-отливных. При этом электростанции рассредоточены по всей территории страны, но связаны одной общей сетью, в результате чего энергия от каждой станции поставляется именно в те регионы, в которых она нужна в каждый момент времени.

Рис. 1 – Объединенная энергосистема Украины: все регионы страны объединены общей сетью, в которую выдают энергию все электростанции.

Почему так? Зачем было объединять все в такой большой и сложный комплекс, а не сделать отельные местные системы, скажем, в каждой области?

Все дело в том, что спрос на электроэнергию всегда разный и сильно различается по времени суток. В сутках есть два пика потребления (времени, когда нужно больше всего энергии) – утро и, особенно, вечер – когда потребляется наибольшее количество электроэнергии. И есть провал потребления – ночь – когда потребляется минимум энергии. В украинской энергосистеме разница между пиком и провалом составляет почти 25%, т.е. на минимуме спроса потребляется почти на четверть меньше энергии, чем на максимуме.

Постоянное потребление в системе (т.е. то, которое есть даже в часы самого низкого спроса) называется базовой нагрузкой. Переменная часть потребления (т.е. та, которая изменяется на протяжении суток в зависимости от спроса) называется маневренной нагрузкой.

Главный источник маневренной нагрузки и особенно пикового потребления – население. А главный производитель энергии во время пиковых нагрузок – ТЭС. Это связано с тем, что вся произведенная электроэнергия полностью потребляется в момент выработки, т.к. ее невозможно накопить и запасти на складах. И сбросить излишки выработки нам тоже некуда, т.к. наша энергосистема не синхронизирована с европейской (где есть дефицит энергии). А в российской системе, с который мы работаем синхронно, наша энергия не нужна – у них достаточно своей, которая, к тому же, дешевле нашей. Соответственно, когда нужно мало энергии, часть станций приходится останавливать, а когда нужен максимум – нужно запускать в работу резервные. И так каждый день, иногда по нескольку раз.

Рис. 2 – Усредненный суточный график потребления электроэнергии и его покрытие разными мощностями при нормальных условиях работы всех электростанций.

Делать это с атомными энергоблоками невозможно технологически – работающие атомные блоки (а есть еще такие, которые остановлены на плановые ремонты или вовсе не подключены к сети) работают круглые сутки на полную мощность. Также на полную мощность работают все подключенные к сети блоки ТЭЦ. Это связано с тем, что основной продукт их работы – теплота, а электроэнергия является дополнительным продуктом. Соответственно, регулирование осуществляется двумя оставшимися видами станций – ГЭС и ТЭС. В первую очередь используются ГЭС, т.к. их проще всего запустить/остановить и их энергия самая дешевая. Однако, общая мощность ГЭС в нашей энергосистеме всего 9% – и это в самом лучшем случае, когда наполненность рек максимальная. Т.е. их просто не хватает для регулирования. С учетом небольшой мощности и определенной зависимости от природных условий, ГЭС используются в ОЭС Украины для покрытия именно максимальных пиковых нагрузок. Основную же часть маневренной (т.е. переменной) нагрузки – а это от 15 до 20% общего потребления – регулируются ТЭС.

Причем, неважно, где территориально расположена станция – она все равно участвует в регулировании всей системы. Ведь в объединенной энергосистеме все генерирующие мощности объединены в общую сеть и именно в общую сеть выдают свою мощность. А значит, если, например, в восточной части страны местной генерации становится недостаточно и начинается дефицит энергии – в работу запускаются дополнительные мощности из западной части страны. И наоборот. Второй важный момент – в объединенной энергосистеме не возможна ситуация, когда в одних областях (например в тех, где нет никакой местной генерации) электроэнергии не хватает, а в остальных, где есть свои электростанции – все хорошо. Если где-то потребление начинает превышать производство, то электроэнергия перетекает из профицитных областей в дефицитные и снижается общий уровень покрытия нагрузки по всей системе. На каком-то этапе начинает наблюдаться общий дефицит.

Между тем, ТЭС участвуют не только в покрытии маневренных и пиковых нагрузок. В реальной жизни порядка 45% всей электроэнергии, производимой в Украине, производится на АЭС, порядка 8% – на ГЭС, около 4% – на ТЭЦ и до 1% – на ВиЭС. Оставшиеся 42 % производится на ТЭС. Соответственно, ТЭС являются не только основой маневрирования системы, но и одним из двух главных источников покрытия базовой нагрузки

Рис. 3 – Распределение производства электроэнергии по типам генерирующих мощностей (по итогам 2013 года).

И сегодня работоспособность большей части ТЭС Украины находится под угрозой.

Всего в Украине четырнадцать крупных ТЭС. Из них двенадцать поставляют электроэнергию только на украинский энергетический рынок, а две – и в Украину, и на экспорт. Пять из этих станций находятся в Донецкой области: Зуевская ТЭС, Кураховская ТЭС, Славянская ТЭС, Старобешевская ТЭС и Углегорская ТЭС. Еще одна – Луганская ТЭС – в Луганской области. Шесть станций из четырнадцати, практически половина. Их суммарная установленная мощность составляет около 15% общей установленной мощности в стране.

Практически все эти станции находятся или в зоне боевых действий, или в непосредственной близости к ней. В результате одна станция разрушена, одна заминирована. Еще одна не работает с момента аварии еще в прошлом году. Остальные пока работают – но на часть из них проблематично подвезти топливо, т.е. после срабатывания складов они остановятся.

Но и те ТЭС, которые находятся за пределами Донбасса тоже не могут похвастать полным отсутствием проблем. Ведь уголь для их работы тоже добывается на Донбассе. А поскольку большинство шахт также расположены в зоне боевых действий, часть их также разрушена, еще часть остановлена по соображениям безопасности. Но даже с тех шахт, которые пока еще работают (а их немало), не всегда есть возможность вывезти уголь, т.к. разрушены основные транспортные артерии – железнодорожные пути и мосты. В результате без пополнения запаса топлива остаются еще три станции, которые расположены в других регионах Украины.

Рис. 4 – ТЭС Украины: годовое производство (по итогам 2013 года), процент от общего производства в системе и текущее состояние станций.

Если посмотреть на распределение производства электроэнергии ТЕС, то станет очевидно, что сегодня под угрозой остановки находится более 25% генерирующих мощностей. И если предположить худший вариант развития событий – остановку проблемных станций – мы получим ситуацию, при которой активная нагрузка станет выше активной мощности генерации. Т.е., спрос на электроэнергию будет выше, чем возможности ОЭС по производству. Что приведет к аварийной ситуации в системе.

Как только нагрузка начинает превышать мощность генерации в системе начинает падать рабочая частота тока. При этом в узлах нагрузки (на крупных распределительных станциях) падает напряжение, что вызывает своего рода цепную реакцию – дополнительное снижение частоты, снижение напряжения и т.д. Как известно, рабочая частота в нашей системе составляет 50 Гц. Как только частота падает ниже 49,2 Гц – наступает аварийная ситуация и автоматика просто отключает всю систему.

Именно для того, чтобы не допустить глобальной аварии, в энергосистемах всех стран практикуются веерные отключения потребителей. Диспетчер в режиме реального времени отслеживает изменения нагрузки и мощности, и если развитие ситуации может привести к превышению нагрузки над мощностью – диспетчер отключает часть потребителей. Таким образом, жертвуя на какое-то время снабжением части потребителей, диспетчер спасает всю систему от глобальной аварии. Ведь отключенные потребители, как правило, проводят без энергоснабжения всего несколько часов в сутки, причем их можно предупредить заранее и даже составить график планируемых отключений. В то время, как глобальная авария, если она случится, может оставить без энергоснабжения сразу всех потребителей в системе на время от нескольких часов до нескольких дней. И если несколько дней без бытового освещения еще можно пережить, то несколько дней неработающей канализации в крупном городе практически неизбежно приводят к экологической катастрофе. А для отключенного химзавода достаточно и нескольких часов, чтобы произвести выброс отравляющих веществ с непрогнозируемыми последствиями…

Рис. 5 – Усредненный суточный график потребления: при остановке всех проблемных ТЭС и работе других типов генерации на полную мощность в системе нет возможности покрыть всю необходимую нагрузку.

Кого же, в случае необходимости, отключают в первую очередь? Очевидно, тех потребителей, которые а) изначально находятся в маневренной зоне графика потребления и б) не имеют угроз при кратковременном отключении энергоснабжения. Т.е., население, электротранспорт, наружное освещение.

Но почему наше правительство заговорило о веерных отключениях уже сейчас? Ведь пока еще работают практически все станции и уж точно не наблюдается дефицита мощности в системе?

По оценкам Министерства энергетики сегодня на проблемных ТЭС осталось топлива на период от 10 до 50 дней работы (в зависимости от режима работы станций). И пока нет никаких признаков улучшения ситуации в зоне боевых действий – нет и надежды на скорое восстановление путей сообщения. А значит, угроза остановки проблемных станций с каждым днем лишь увеличивается.

Инициируя «превентивные» отключения уже сейчас, правительство старается минимизировать использование в системе проблемных станций и, таким образом, накопить на их складах некий аварийный запас угля, который можно будет использовать в том случае, если ситуация начнет развиваться по самому худшему сценарию, т.е. подвоз угля с шахт будет по-прежнему невозможен, а импорт угля для замещения наладить не удастся.

Таким образом, отключения помогут создать некий запас прочности для энергосистемы, продлить срок работы ТЭС и сгладить потенциальный недостаток мощности. В том режиме, который предлагается сейчас, отключения позволят уменьшить потребление на величину от 20 до 40 млн кВт-ч в сутки и, соответственно, сэкономить от 10 до 20 тысяч тонн угля в сутки – примерно треть от потенциального дефицита.

В теории есть и более простой путь – можно просто покупать электроэнергию за границей. Но на практике, с чисто технической точки зрения, эта заграница в нашем случае всего одна – Россия. А значит, в нашем случае такой вариант не работает. И, при плохом сценарии, нам придется терпеть отключения.

Есть и еще один способ если не предотвратить совсем, то значительно уменьшить необходимость и длительность отключений. Все мы можем и должны сокращать потребление электроэнергии – менять лампы на энергосберегающие, менять старые электроприборы на более эффективные, отключать от сети неиспользуемые приборы, отключать максимум всего уходя из дома и т.д. Также надо переносить максимум потребления на ночь – период провала в системе. Стиральные машины, водонагреватели, посудомойки – все это, и много чего еще, может работать ночью. Каждый из нас должен делать все, что в его силах, для сокращения и балансирования потребления. Ведь энергетическая безопасность страны – общее дело всех ее граждан.