Zasada działania oraz wpływ na środowisko elektrowni szczytowopompowej

Transkrypt

1 Zasada działania oraz wpływ na środowisko elektrowni szczytowopompowej w Żarnowcu Energię wód można podzielić na energię wód śródlądowych oraz energię mórz. Powstawanie energii wód śródlądowych jest związane z cyklem krążenia wody w przyrodzie. Źródłem tej energii w istocie jest energia słoneczna. Energetykę wodną można podzielić na dwa rodzaje: elektrownie wodne wykorzystujące potencjał energetyczny wody oraz elektrownie wodne szczytowo-pompowe przechowujące energię wytworzoną w innych elektrowniach (w Polsce elektrowniach cieplnych węglowych) w okresach małego zapotrzebowania (w nocy) by oddać ją w okresach zapotrzebowania szczytowego. Potencjał energetyczny naszych wód ocenia się na 12 TWh rocznie. Wykorzystywany jest obecnie w ok. 15%. Uwzględniając prawie całkowity brak ujemnego wpływu na środowisko, ten margines energetyki jest dla gospodarki bardzo ważny. Elektrownie szczytowo-pompowe uczestniczą w wyrównywaniu szczytowych (maksymalnych) oraz minimalnych obciążeń systemu elektroenergetycznego i w ciągu doby są uruchamiane 1-2 razy w cyklu pracy pompowej i turbinowej- ten rodzaj pracy nazywa się pracą programową. W pracy programowej, elektrownia produkuje drogą szczytową energię elektryczną w momentach jej niedoboru w sieci. Energia ta produkowana jest za pomocą wody doprowadzanej z górnego zbiornika. W momentach tzw. doliny nocnej lub dziennej kiedy odbiorcy pobierają mało energii a jest ona nadal produkowana przez tradycyjne elektrownie pompy będące jednocześnie generatorami pobierają tanią energię elektryczną z systemu elektroenergetycznego przy czym energii elektrycznej do napędu pomp dostarczają elektrownie parowe, jądrowe i wodne przepływowe. W czasie szczytu obciążenia elektrycznego woda jest doprowadzana do turbiny wodnej, sprzężonej bezpośrednio z synchroniczną maszyną elektryczną, i następuje przetwarzanie nagromadzonej w górnym zbiorniku energii wody na energię elektryczną. Elektrownia szczytowo-pompowa ze względu na swoje dobre właściwości rozruchowe może brać udział w pokrywaniu szybkich zmian obciążenia w systemie elektroenergetycznym- ten rodzaj pracy nazywa się pracą regulacyjną. Zbiornikami górnymi elektrowni pompowej mogą być zbiorniki naturalne, np. jeziora lub zbiorniki sztuczne. Jako zbiorniki dolne są stosowane jeziora, spiętrzone wody w dolinach rzek, stare sztolnie kopalniane lub specjalnie wybudowane zbiorniki sztuczne. Przynajmniej jeden ze zbiorników musi być uzupełniany wodą naturalnego dopływu w celu pokrycia strat wynikających z parowania i przecieków wody. W elektrowni szczytowo-pompowej, jak w żadnej innej elektrowni wodnej, bardzo ważnym parametrem jest spad. Im większy jest spad, tym dla określonej ilości energii wymagana jest mniejsza pojemność zbiorników, co wpływa na zmniejszenia nakładów inwestycyjnych. Pojemności zbiorników wystarczają zwykle na 2-6 godzinna pracę turbinową. Elektrownie pompowe w zasadzie powinny mieć spady ponad 100m, jednak są budowane również obiekty z mniejszymi spadami. Największa w Polsce elektrownia wodna położona nad Jeziorem Żarnowieckim w woj. pomorskim na pobrzeżu kaszubskim około 15 kilometrów w linii prostej od morza Bałtyckiego i około 46 km od Trójmiasta. Została ona uruchomiona w 1983 roku. W początkowych planach miała współpracować z elektrownią jądrową.

2 Elektrownia Wodna Żarnowiec jest wyposażona w cztery odwracalne, hydrozespoły (turbiny typu Francis, generatory synchroniczne) o nominalnej mocy 179 MW w systemie pracy generatorowej i 210 MW w systemie pracy pompowej. Poszczególne zespoły pracują w układzie blokowym (poza nielicznymi wyjątkami w zakresie układów pomocniczych) stanowiąc cztery niezależne ciągi technologiczne i wyprowadzenia mocy z niezależnym sterowaniem poszczególnych zespołów. Jak już wspomniałem najważniejszymi funkcjami elektrowni szczytowo-pompowych w tym także elektrowni w Żarnowcu są: łagodzenie krzywej dobowego obciążenia systemu elektroenergetycznego [uzupełnianie braków w szczytach oraz wykorzystywanie nadmiaru energii w dolinach], pokrywanie nagłych ubytków i występujących przyrostów mocy w systemie elektroenergetycznym, optymalizowanie pracy krajowego systemu elektroenergetycznego przez prowadzenie szybkiej i stałej regulacji dostarczanej do systemu mocy czynnej, regulowanie rozpływów mocy biernej w systemie (regulacja napięcia szczególnie w węźle północnym w którym nie ma innych zawodowych wytwórców energii i linie biegną z południa ), a przede wszystkim utrzymywanie wysokiego współczynnika dyspozycyjności ogólnej elektrowni. Elektrowni Wodnej Żarnowiec - wobec regulacyjno-interwencyjnego charakteru jej pracy - postawione zostały specjalne wymagania, w tym przede wszystkim: dostosowanie poszczególnych urządzeń i obiektów do pracy we wszystkich żądanych reżimach (pompowy, turbinowy, kompensatorowy i rezerwowy wirującej), maksymalne zapewnienie automatyzacji wszystkich procesów technologicznych, uzyskanie możliwie najniższych czasów operacyjnych rozruchu elektrowni do wszystkich systemów pracy i przy przejściach systemowych z zapewnieniem zdalnego sterowania bezpośrednio z Krajowej Dyspozycji Mocy, kompleksowe podniesienie wartości elektroenergetycznej regionu poprzez współprace elektrowni szczytowo-pompowej z projektowaną elektrownią atomową zapewnienie wysokiej niezawodności pracy urządzeń głównych i pomocniczych elektrowni w warunkach dużej ilości uruchomień i zmiany stanów pracy. Elementy EW Żarnowiec Zbiornik górny jest tworem całkowicie sztucznym. Przy powierzchni całkowitej 122 ha i pojemności użytkowej m3 wody, zbiornik stanowi "akumulator" energii elektrycznej w ilości kwh. Ta ilość wody pozwala na zasilanie przez około 5.5 godziny systemu elektroenergetycznego mocą 716 MW. Szczytowe zapotrzebowanie mocy w województwie pomorskim osiąga wielkość 600 MW (zimowy szczyt wieczorny). Porównanie tych dwóch wielkości daje wyobrażenie, jak dużym źródłem mocy jest Elektrownia Wodna Żarnowiec. Powtórne uzupełnienie wody w zbiorniku górnym wymaga około 6.5 godziny pracy czterech hydrozespołów w ruchu pompowym. Czas trwania cykli pracy elektrowni, wynikający z pojemności użytecznej zbiornika w średnich statystycznych warunkach pracy

3 systemu elektroenergetycznego, zapewnia pokrycie najdłużej trwających szczytów rannych i wieczornych. Dobowe wahania poziomu wody w zbiorniku górnym, wynikające z cyklicznej pracy elektrowni, wynoszą 16 m. Dno opróżnionego zbiornika pomieściłoby 130 boisk piłkarskich. Na budowę obwałowań, których długość wynosi 3777 m, użyto materiału wybranego z niecki. Ilość przemieszczonej ziemi wyniosła m3. Rurociągi derywacyjne Cztery stalowe rurociągi derywacyjne doprowadzające wodę do pompo-turbin mają długość 1100 m każdy i są podzielone na osiem odcinków. Średnica ich zmienia się od 7100 mm przy komorze wlotowej do 5400 mm w siłowni. Grubość blach stalowych użytych na ich budowę zmienia się odpowiednio od 15 do 32 mm. Trasa rurociągu podzielona jest na osiem odcinków, które wsparto na stałych i ruchomych podporach. Na budowę rurociągów zużyto ton wysokogatunkowej stali o podwyższonej wytrzymałości. Maksymalny przepływ wody czterema rurociągami wynosi 700 m3/s, czyli tyle, ile wynosi średni roczny przepływ Wisły w okolicach Warszawy. Siłownia elektrowni Siłownia elektrowni to budynek o wysokości ponad 60 m, z tego 2/3 znajduje się pod ziemią. Tam też, na poziomie 17 metrów poniżej poziomu morza, znajdują się cztery turbiny Francis'a o średnicy wirników 6 m, obracanych siłą mas wodnych, napędzają hydrogenerator, którego wirnik waży ponad 420 ton. Aby posadowić wirnik turbiny należało wykonać wykop, którego dno osiągnęło poziom 33 m poniżej poziomu morza. Była to w czasie budowy największa depresja w Polsce. Na Żuławach Wiślanych najgłębsza depresja osiąga 1.8 m poniżej poziomu morza. Dzisiaj podczas normalnego ruchu elektrowni można suchą stopą osiągnąć poziom 26 m poniżej poziomu morza. Praca elektrowni jest całkowicie zautomatyzowana, a uruchamianie i wyłączanie poszczególnych hydrozespołów realizowane jest zdalnie z Krajowej Dyspozycji Mocy w Warszawie. Dodatkowo również zdalnie Dyspozytor Krajowej Dyspozycji Mocy reguluje wielkość mocy elektrowni oddawanej przez hydrozespoły pracujące w systemie turbinowym. Hydrozespoły elektrowni umożliwiają płynną regulację w tzw. automatycznej regulacji mocy i częstotliwości: ARCM w granicach 120 MW do 190 MW. Przeprowadzona w roku 2000 modernizacja układu przepływowego hydrozespołu nr 2 pozwoliła na rozszerzenie jego zakresu regulacji w granicach od 60 MW do 190 MW. W rezultacie pozwala to na pokrycie 90% zakresu regulacyjnego całej elektrowni w granicach od 60 do 716 MW - to znakomita poprawa parametrów techniczno - ruchowych elektrowni. Łącznie rocznie hydrozespoły pracują około godzin, a w ciągu doby każdy z hydrozespołów uruchamia się średnio dwukrotnie, co w skali rocznej daje łączną ilość rozruchów około 3000 razy. Kanał odpływowy Kanał wylotowy jest tworem sztucznym i łączy elektrownię z Jeziorem Żarnowieckim. Woda po przejściu przez turbinę wypływa poprzez luki zastawek remontowych i krat do kanału odpływowego. Kanał ma długość 835 m. Największa jego głębokość wynosi 13 m -

4 przy siłowni elektrowni, a szerokość dna 250 m przy wlocie do Jeziora Żarnowieckiego. Przy pracy czterech turbin prędkość wody w kanale nie przekracza 1 m/s. Zbiornik dolny Naturalnym zbiornikiem dolnym elektrowni jest rynnowe Jezioro Żarnowieckie. Rozległa rynna lodowcowa umiejscowiona jest między dwoma wzgórzami plejstoceńskiej wysoczyzny morenowej. Kępą Żarnowiecką od strony wschodniej i Kępą Gniewińską od strony zachodniej. Całkowita powierzchnia jeziora wynosi 1470 ha, a jego pojemność -121 mln m3. Przez całą 7,5 km długość jeziora, z południa na północ, przepływa rzeka Piaśnica. Wpływa ona u jego południowego brzegu jako Piaśnica Górna, aby przez regulowany jaz na północnym krańcu wypłynąć jako Piaśnica Dolna. Od strony zachodniej wpływa do jeziora Struga Bychowska. W sumie, średniorocznie obie te rzeki zasilają jezioro w ilości ok. 2,4 m3/s wody. Największa głębokość jeziora wynosi 19,4 m. W czasie jesienno-zimowych sztormów wysokość fal gnanych północnym wiatrem wzdłuż jeziora dochodzi do 1,5 m. Poziom zwierciadła wody w jeziorze zmienia się w rytm zmian cyklu pracy elektrowni, a różnica między poziomem najwyższym (godziny przedpołudniowe i późne godziny wieczorne po pracy generacyjnej turbinowej), a poziomem najniższym (godziny poranne i popołudniowe po pracy silnikowej - pompowej) wynosi około 1 metr. Jak już wspomniałem elektrownie szczytowo-pompowe są bardzo ważną częścią energetyki gdyż przez łagodzenie krzywej dobowego zapotrzebowania na energię elektryczną, wypełniane są funkcje regulacyjne optymalizujące pracę systemu. Jest jednak niezastąpiona i szczególnie cenna wtedy, gdy trzeba natychmiast pokryć awaryjne ubytki mocy na skutek wypadnięcia z ruchu dużych jednostek elektrowni cieplnych, gdy istnieje konieczność eliminacji nadmiaru mocy, gdy trzeba zbilansować wymianę energii z zagranicą. Kiedy należy zapewnić właściwą jakość dostarczonej energii, w tym poziomu napięcia w węzłach sieciowych. Jednocześnie dużym atutem elektrowni szczytowo-pompowych jest ich znikomy wpływ na środowisko. Elektrownia w Żarnowcu dobrze wpasowała się w otocznie i pozytywnie wpływa na jezioro. Spełnia szereg funkcji związanych z regulacją i utrzymaniem właściwych stosunków wodnych, zapewnia bezpieczeństwo przeciwpowodziowe na obszarze swego działania. Celem polepszenia ochrony przed potencjalnym zanieczyszczeniem wód prowadzonych jest szereg działań. Zastosowano np. oleje biodegradowalne. Systematycznie w ramach procesu modernizacji przechodzi się na łożyska samosmarne zaś w miejscach ewentualnych wycieków zainstalowano szczelne misy. Zmodernizowano systemy usuwania oleju z wód przeciekowych a także wprowadzono automatyczny system kontroli zapór oraz szeroko zakrojony proces kontroli wszystkich aspektów środowiskowych. Oczywiście niezawodna, pewna praca elektrowni, a tylko taka ma znaczenie dla potrzeb Krajowego Systemu Elektroenergetycznego ma swą cenę. Ponadto standardy pracy systemu, wobec integracji z UE muszą spełniać ostre wymagania techniczne, ekologiczne, ekonomiczne.

5 Za jakość i niezawodność wymagający odbiorcy płacą wysoką cenę, z usług niepewnych po prostu rezygnują. Dobrze jest, jeżeli nakłady ponoszone na modernizację urządzeń elektrowni zwracają się. Taka sytuacja miała miejsce w przypadku najbardziej kosztownych przedsięwzięć w omawianej elektrowni. Modernizacja części przepływowej na hydrozespole nr 2 podniosła jej sprawność. Ma to aspekt ekonomiczny, ale również i środowiskowy. Zostały przezwojone stojany dwóch generatorów. Wprowadzono znacznie bardziej nowoczesne uzwojenia o trwalszej izolacji i lepszych parametrach. To wpływa z kolei na dyspozycyjność elektrowni, itp. Zainwestowanie przez Elektrownie Szczytowo- Pompowe S.A. znacznych środków na modernizację zakładu (w okresie ostatnich 10 lat) sprawiło, że elektrownia Żarnowiec dostosowała się do wymogów standardów europejskich jeśli chodzi o elektrownie szczytowo-pompowe i jest obecnie najnowocześniejszym obiektem tego rodzaju w Polsce. Źródła: Jan Jakub Lech Hrynkiewicz L., Tokarz J. Elektrownia Wodna Żarnowiec historia i dzień dzisiejszy; Energetyka 8/2003 Hrynkiewicz Andrzej Z. Skąd brać energię? Wiedza i Życie nr 11/2000 Energia Środowisko Dodatek promocyjno-reklamowy do "RZECZPOSPOLITEJ". nr 268 (6946) 16 listopada 2004 r. Notatki własne sporządzone podczas wizyty w Elektrowni Wodnej Żarnowiec odbytej w ramach Ćwiczeń Kompleksowych dla MSOŚ Pobrzeże w maju 2004