System energetyczny zbiór obiektów do pozyskiwania, przetwarzania, przesyłania i użytkowania energii wraz z ich funkcjonalnymi powiązaniami.

Transkrypt

1 Krajowy System Energetyczny - KSE System energetyczny zbiór obiektów do pozyskiwania, przetwarzania, przesyłania i użytkowania energii wraz z ich funkcjonalnymi powiązaniami. Cel działania KSE - ilościowe i jakościowe zaspokajanie potrzeb odbiorców energii, zarówno indywidualnych jak i zespołowych. Podstawowe podsystemy KSE: 1. podsystem paliw stałych 2. podsystem paliw ciekłych 3. podsystem gazoenergetyczny 4. podsystem elektroenergetyczny 5. podsystem cieplnoenergetyczny Problemy w planowaniu i optymalizacji systemu: zasięg poszczególnych podsystemów i ich wzajemne powiązania (energetyka przemysłowa i zawodowa, gospodarka skojarzona); zewnętrzne powiązania; dynamiczny rozwój zapotrzebowania na energię (elastyczność systemu); wrażliwość na zakłócenia (elementy rezerwowe); Podsystem elektroenergetyczny System elektroenergetyczny zbiór urządzeń do wytwarzania, przesyłu i rozdziału energii elektrycznej, połączonych ze sobą funkcjonalnie dla realizacji procesu ciągłej dostawy energii elektrycznej odbiorcom. 33

2 Główne elementy systemu: Elektrownie, ciepłownie i sieci elektroenergetyczne Cechy systemu elektroenergetycznego: wytwarzanie energii elektrycznej, przesyłanie jej i przetwarzanie odbywa się praktycznie równocześnie; brak możliwości magazynowania energii elektrycznej; każdorazowe pozbawienie odbiorców energii (nawet krótkotrwałe) powoduje duże straty; wymagania szczególnie wysoka niezawodność pracy systemu; system jest rozległy terytorialnie, obejmuje cały kraj i jest powiązany z innymi krajowymi systemami elektroenergetycznymi (UCPTE kraje EWG + Polska, Czechy, Słowacja, Węgry). Rys. 18. Uproszczony schemat systemu elektroenergetycznego 34

3 Klasyfikacja elektrowni Najczęściej stosowane kryteria klasyfikacyjne: 1) rodzaj wykorzystywanej energii pierwotnej; 2) przynależność administracyjna; 3) czas pracy w ciągu roku (zależny od wartości jednostkowego kosztu wytwarzania energii elektrycznej); 1) Podział elektrowni ze względu na rodzaj wykorzystywanej energii pierwotnej a) elektrownie cieplne b) elektrownie wodne c) elektrownie niekonwencjonalne b) Elektrownie cieplne są to zakłady produkujące energię elektryczną na skalę przemysłową i wykorzystujący do tego celu energię paliw organicznych (konwencjonalnych) lub jądrowych. Energia paliwa Kocioł parowy lub Reaktor Energia cieplna Turbina parowa lub gazowa Energia mechaniczna Prądnica (generator) Energia elektryczna Rys. 19. Ideowy schemat przemian energii w elektrowni cieplnej W zależności od rodzaju silnika cieplnego elektrownie cieplne dzielą się na: elektrownie parowe klasyczne (konwencjonalne), w których czynnikiem roboczym jest wytworzona w kotle para wodna, wykonująca pracę w turbinie parowej; elektrownie parowe jądrowe, w których energii cieplnej dostarcza czynnikowi roboczemu paliw jądrowych w reaktorze; 35

4 elektrownie gazowe, w których czynnikiem roboczym jest gaz będący produktem spalania paliwa i wykonujący pracę w turbinie gazowej; W zależności od rodzaju oddawanej energii elektrownie cieplne dzielą się na: elektrownie kondensacyjne, wytwarzające tylko energię elektryczną w turbozespołach kondensacyjnych; elektrociepłownie, wytwarzające energię elektryczną i cieplną, oddawaną na zewnątrz w postaci pary lub gorącej wody w ilości co najmniej 10% produkowanej energii. b) Elektrownie wodne zamieniają energię potencjalną wody (energię spadku wód) na energię mechaniczną w turbinie wodnej, a następnie na energię elektryczną w prądnicy napędzanej przez turbinę wodną. elektrownie przepływowe - wykorzystują naturalny, ciągły przepływ cieku wodnego (nie mają zbiornika do magazynowania wody); np.: El. Włocławek, Dębe elektrownie zbiornikowe - wyposażone w zbiorniki wody dla lepszego wykorzystania cieku wodnego; Rożnów, Tresna, Porąbka, Czchów. Otmuchów elektrownie pompowe (szczytowo-pompowe) - w okresach małego obciążenia systemu elektroenergetycznego woda jest przepompowywana ze zbiornika dolnego do górnego; Porąbka-Żar, Żarnowiec elektrownie zbiornikowe z członem pompowym - zbiorniki górne są częściowo napełniane przez dopływy naturalne, a częściowo (w okresach małych obciążeń) uzupełniane wodą tłoczoną przez pompy ze zbiorników dolnych Solina, Niedzica 36

5 c) Elektrownie niekonwencjonalne elektrownie słoneczne; elektrownie wiatrowe; elektrownie morskie, itd. 2) Podział elektrowni ze względu na przynależność administracyjną: elektrownie zawodowe; elektrownie przemysłowe. 4) Podział elektrowni ze względu na czas pracy w ciągu roku: elektrownie podstawowe - pracują z prawie niezmiennym obciążeniem przez większość dni w roku (elektrownie parowe o małym jednostkowym koszcie paliwa i dużej sprawności, elektrownie jądrowe i elektrociepłownie); elektrownie podszczytowe - zmniejszają znacznie swoje obciążenie w dolinach obciążenia systemu (starsze elektrownie parowe, elektrownie wodne ze zbiornikiem o niedużym czasie napełniania); elektrownie szczytowe - uruchamiane tylko w okresach szczytowego obciążenia każdej doby (elektrownie gazowe i gazowo-parowe, specjalne elektrownie parowe o szybkim rozruchu, stare elektrownie parowe o dużym koszcie paliwa). 37

6 Podział elektrowni wg zadań: N I elektrownie podstawowe N II elektrownie podszczytowe N III elektrownie szczytowe Rys. 20. Podział elektrowni ze względu na czas pracy w ciągu roku: - N I elektrownie podstawowe - N II elektrownie podszczytowe - N III elektrownie szczytowe 38

7 Tablica 12. Wielkości charakterystyczne krajowej energetyki w dziedzinie wytwarzania energii elektrycznej 2005r. Moc zainstalowana w elektrowniach (ogółem) 34,7 GW Energetyka zawodowa 32,12 GW Liczba elektrowni cieplnych zawodowych 55 Moc największej elektrowni cieplnej (El. Bełchatów) 4440 MW Średnia sprawność wytwarzania energii elektrycznej w elektrowniach cieplnych 33,1% Liczba elektrociepłowni 48 Moc zainstalowana w elektrowniach wodnych 2 GW Moc największej elektrowni wodnej (EL. Żarnowiec) 716 MW Liczba elektrowni wodnych (>0,5 MW) 96 Energetyka przemysłowa 2,55 GW Moc elektrowni wiatrowych 280 MW Liczba elektrowni wiatrowych ( ) 142 Rys. 21. Struktura produkcji energii elektrycznej w 2005 r. 39

8 Tabela 13. Struktura produkcji energii elektrycznej w 2004 i 2005 r. Produkcja energii [GWh] Segment Produkcja w kraju ogółem z tego: elektrownie zawodowe w tym: elektrownie cieplne: z tego elektrownie spalające: węgiel kamienny węgiel brunatny gaz współspalanie biopaliw elektrownie wodne elektrownie przemysłowe z tego: cieplne w tym: gazowe źródła odnawialne elektrownie niezależne pozostałe Źródło: Informacja statystyczna o energii elektrycznej grudzień 2005 r., Agencja Rynku Energii S.A. 1 Z czego: 72 MW el. wodne, 123 MW el. wiatrowe, 31 MW el. biogazowe, 1 MW el. na biomasę; na podstawie danych za grudzień 2005 r., Informacja statystyczna o energii elektrycznej, Agencja Rynku Energii SA. 40

9 Tabela 14 Dane charakterystyczne KSE w roku 2005 Rodzaj wielkości Jednostka Wartość Roczne zużycie energii GWh ,0 Maksymalne zapotrzebowanie na moc Minimalne zapotrzebowanie na moc Zapotrzebowanie średnie roczne Moc osiągalna elektrowni na koniec roku Moc dyspozycyjna elektrowni (średnia roczna) MW MW Moc największej elektrowni cieplnej Moc największej elektrowni wodnej MW Moc największego bloku elektrowni cieplnej MW 500 Największe napięcie znamionowe sieci kv 750 Długość linii 750 kv km 114 Długość linii 400 kv km Długość linii 220 kv km

10 Rys. 22. Schemat procesu technologicznego elektrowni parowej i jego podział na najważniejsze układy. I- układ paliwo powietrze spaliny II- III- IV- układ cieplny (parowo-wodny) Układ chłodzenia Układ wyprowadzenia mocy 1 - palenisko, 2 doprowadzenie paliwa, 3 doprowadzenie powietrza do spalania, 4 odprowadzenie żużla i popiołu, 5 podgrzewacz wody, 6 parownik, 7 przegrzewacz par, 8 odprowadzenie spalin, 9 turbina, 10 skraplacz, 11 pompa skroplin, 12 zbiornik wody zasilającej, 13 pompa wody zasilającej, 14 woda uzupełniająca, 15 podgrzewacz wody zasilającej, 16 chłodnia kominowa, 17 pompa wody chłodzącej, 18 źródło wody (dla otwartego obiegu chłodzenia),19 prądnica, 20 transformator blokowy, 21 transformator potrzeb własnych. 42

11 Stan elektrowni i kierunki ich rozwoju w kraju i na świecie Stabilizacja parametrów pary w elektrowniach parowych konwencjonalnych. Najczęściej stosowane ciśnienia pary dolotowej: MPa - dla jednostek o mocy MW MPa - dla jednostek o mocy MW MPa - dla jednostek o mocy do 1300MW Temperatura pary świeżej i wtórnie przegrzanej wynoszą ok C (rzadziej C) W Polsce Znaczna koncentracja mocy w elektrowniach: udział elektrowni o mocy powyżej 1000 MW około 64% mocy systemu; Moc największej elektrowni wodnej (elektrownia pompowa Żarnowiec) 716 MW. bloki o mocy 200 MW 63 sztuki bloki o mocy 360 MW 16 sztuk blok o mocy MW 1 sztuka bloki o mocy 500 MW 2 sztuki (wprowadzone od 1982r.) Na świecie Bloki energetyczne konwencjonalne: 1000 MW (Japonia) 1200 MW (WNP) 1300 MW (USA) 2 Pierwsza synchronizacja

12 Podstawowe wielkości charakteryzujące moc elektrowni Moc zainstalowana elektrowni suma mocy znamionowych turbozespołów wchodzących w jej skład: k Pi = Σ j = 1 Moc osiągalna elektrowni moc, jaką elektrownia może osiągnąć w sposób trwały przy dobrym stanie urządzeń i przeciętnych warunkach pracy, przy czym przez trwałość rozumie się pracę ciągłą z określoną mocą w czasie nie krótszym niż 15h. o i P nj P = P-P u gdzie: Pu moc uwięziona, czyli trwałe ubytki mocy spowodowane wadami układu technologicznego, zmianami konstrukcyjnymi itp. Moc dyspozycyjna elektrowni moc osiągalna zmniejszona o ubytki mocy spowodowane wyłączeniem niektórych urządzeń np. w celu dokonania remontów planowych (Pr) lub też wskutek nieprzewidzianych uszkodzeń (Pa moc wytrącona awaryjnie): P = P -P -P = P-P -P -P d o r a Rezerwa mocy różnica między mocą osiągalną wszystkich elektrowni Po i aktualnym obciążeniem systemu Pt. i R = P -P t o t u r a 44

13 Wykresy obciążeń P S obciążenie szczytowe, największe obciążenie występujące w trakcie trwania doby, tzw. szczyt obciążenia P min najmniejsze obciążenie na wykresie tzw. dolina obciążenia Rys. 23. Dobowy wykres obciążenia systemu elektroenergetycznego i rozdział zadań między elektrownie: a) wykres dobowy kalendarzowy b) wykres dobowy uporządkowany 1 elektrownie podstawowe 2 elektrownie podszczytowe 3 elektrownie szczytowe 45

14 Rys. 24.Dobowe wykresy obciążeń: a) wykres dobowy kalendarzowy (do analizy zmienności obciążeń w czasie); b) wykres dobowy uporządkowany (do odczytywania łącznego czasu występowania poszczególnych obciążeń); 46

15 Rys. 25. Dobowy wykres uporządkowany Praca systemu oddana w ciągu doby: A = T tdt 0P A= Ps Ts = Pśr T A T s= Ps czas użytkowania mocy szczytowej A P śr = T obciążenie średnie T PŚr A m= S = T P = P T średni stopień obciążenia elementu systemu P S S t m t = P chwilowy A stopień obciążenia S P gdzie: Pt obciążenie w chwili t ogólna ilość pracy w czasie T o m d = P najmniejszy stopień obciążenia S 47

16 Koszty wytwarzania energii elektrycznej Całkowite koszty roczne (w zł/rok): gdzie: K = K r + K + w n(o) Kn(o) zdyskontowane nakłady inwestycyjne na budowę elektrowni; Kes - roczne koszty eksploatacyjne stałe (koszty remontów, obsługi); Kez - roczne koszty eksploatacyjne zmienne (koszty paliwa, wody oraz materiałów zużytych do produkcji) r - rata rozszerzonej reprodukcji Jednostkowy koszt wytwarzania energii elektrycznej (w zł/kwh): gdzie: k w K = A w a = K n(o) a es r+ K A es + K A = P T roczna produkcja energii elektrycznej a i i netto oddawanej do sieci [kwh]; K r + K n(o) es k w = + Pi Ti K A K ez ez a ez k w Rys. 26. Zależność kosztu wytwarzania energii w elektrowni cieplnej od czasu użytkowania mocy zainstalowanej (1 rok = ~8760 h) 48

17 Przesył i rozdział energii elektrycznej Sieci elektroenergetyczne Sieć elektroenergetyczna jest to zespół urządzeń służących do przesyłania, przetwarzania i rozdzielania energii elektrycznej. W skład sieci wchodzą: linie napowietrzne lub kablowe; stacje transformatorowe; stacje rozdzielcze. Podstawowe zadania linii energetycznych: a) wyprowadzenie mocy z elektrowni i przesył do określonej stacji bez odbiorców po drodze linie przesyłowe; b) rozdział energii elektrycznej na określonym terenie linie rozdzielcze; c) łączenie elektrowni w celu ich współpracy, lepszego wykorzystania rezerw i zwiększania niezawodności zasilania odbiorców. Moc prądu trójfazowego stosowanego obecnie w systemach elektroenergetycznych [kw]: P= 3 U I cosϕ gdzie: U napięcie międzyprzewodowe [kv] I - natężenie prądu w przewodach [A] cosj - współczynnik mocy, charakteryzujący przesył mocy biernej. 49

18 Straty mocy czynnej przy przesyle [kw]: ΔP = 3 R I = R S U gdzie: R rezystancja jednego przewodu linii [Ω]; S wartość mocy pozornej [kva]; 2 S = P + Q 2 Stosowane w polskim systemie elektroenergetycznym napięcia znormalizowane: sieci przesyłowe: WN (najwyższe napięcia) WN (wysokie napięcia) sieci rozdzielcze: SN (średnie napięcia) nn (niskie napięcia) 750, 400, 220 kv 110 kv 1-60 kv poniżej 1 kv Koszty przesyłania i rozdzielania energii elektrycznej Całkowite koszty roczne przesyłania energii [zł/a] gdzie: K = K r + K + K p n(o) es Kn(o) zdyskontowane nakłady inwestycyjne na budowę linii [zł]; ez 50

19 Kes - roczne koszty eksploatacyjne stałe (koszty kapitalnych remontów, utrzymania, obsługi i administracji [zł/a]); Kez - roczne koszty eksploatacyjne zmienne, zależne od ilości przesyłanych mocy i energii (koszty strat mocy i energii [zł/a]); r - rata rozszerzonej reprodukcji Nakłady inwestycyjne na budowę linii Kn(o) zależą od wartości napięcia, przekroju i materiału przewodów, długości linii i jej rodzaju (kablowa czy napowietrzna, na słupach żelaznych czy betonowych itp.) Rys. 27. Optymalizacja kosztów przesyłania energii na przykładzie gospodarczego przekroju przewodów Gospodarczy przekrój przewodów Sg: przekrój przewodów odpowiadający minimalnej wartości Kp; musi również spełniać warunki techniczne, takie jak dopuszczalny spadek napięcia w linii, graniczna temperatura przewodów itp. W polskich sieciach stosowane są przewody aluminiowe (wzmocnione rdzeniem stalowym) o przekrojach: 120, 240 i 525 mm 2. Rys. 28. Schemat krajowej sieci elektroenergetycznej (na następnej stronie) 51

20 52

21 Źródło: Rys. 29. Uproszczony schemat krajowej sieci elektroenergetycznej 53