Электроэнергетика

Производство электроэнергии в каждый момент времени должно соответствовать размерам потребления (с учетом нужд самих электростанций и потерь в сетях), поэтому возникающие на основе электроэнергетики связи обладают постоянством, непрерывностью и осуществляются мгновенно.

Электроэнергетика решающим образом воздействует не только на развитие, но и на территориальную организацию хозяйства, в первую очередь самой промышленности. Передача электроэнергии на все большие расстояния способствует освоению топливно-энергетических ресурсов независимо от того, насколько они удалены от мест потребления. Развитие электронного транспорта расширяет территориальные рамки промышленности. В то же время благодаря возможности промежуточного отбора электроэнергии для снабжения тех районов, через которые проходят высоковольтные магистрали, увеличивается плотность размещения промышленных предприятий. На основе массового использования в технологических процессах электроэнергии и тепла (пар, горячая вода) возникают электроемкие (алюминий, магний, титан, ферросплавы и др.) и теплоемкие (глинозем, химические волокна и др.) производства, где доля топливно-энергетических затрат в себестоимости готовой продукции значительно больше по сравнению с традиционными отраслями промышленности. В частности, мощные гидроэлектростанции притягивают к себе предприятия, специализирующиеся на электрометаллургии, электрохимии, электротермии или на сочетании разных электротехнологических процессов. Электроэнергетика отличается большим райоцообразующим Значением. Так, в Сибири она во многом определяет производственную специализацию районов. Здесь электроэнергетика служит одной из основ формирования территориально-производственных, в том числе промышленных, комплексов.

Развитие электроэнергетики России основывается на следующих принципах: концентрация производства электроэнергии путем строительства крупных районных электростанций, использующих дешевое топливо и гидроэнергоресурсы; комбинированное производство электроэнергии и тепла для теплофикации городов и индустриальных центров; широкое освоение гидроэнергоресурсов с учетом комплексного решения задач электроэнергетики, транспорта, водоснабжения, ирригации и рыбоводства; развитие атомной энергетики, особенно в районах с напряженным топливно-энергетическим балансом; учет экологических требований при создании объектов электроэнергетики; создание энергосистем, формирующих единую высоковольтную сеть страны.

Электроэнергетика, наряду с газовой промышленностью, принадлежит к отраслям ТЭК, сохранившим стабильность развития. По общему объему производства электроэнергии Россия уступает США в 4 раза. В то же время она дает электроэнергии столько, сколько Германия и Великобритания вместе взятые. В 1998 г. производство электроэнергии составило 827 млрд кВт-ч, в том числе на тепловых электростанциях — 564, гидроэлектростанциях — 159 и атомных электростанциях — 104 млрд кВт-ч.

Размещение электроэнергетики в целом зависит от двух основных факторов; топливно-энергетических ресурсов и потребителей электроэнергии. До появления высоковольтного электронного транспорта электроэнергетика ориентировалась главным образом на потребителей, используя привозное топливо. Зависимость электроэнергетики от размещения основных потребителей сказывается и в настоящее время. Наибольшее количество электроэнергии дают такие развитые в индустриальном отношении районы, как Центральный и Уральский. Однако возможность создания высоковольтных линий значительной протяженности освобождает электроэнергетику от одностороннего влияния потребительского фактора. Возникли межрайонные связи по «ввозу» и «вывозу» электроэнергии. Возрастает роль топливно-энергетического фактора в размещении электростанций {рис. 5.4, см.

По степени обеспеченности потенциальными топливно-энергетиче- -скими ресурсами все экономические районы можно условно разделить на три группы: с наиболее высокой степенью обеспеченности топливно-энергетическими ресурсами — Дальний Восток, Восточная Сибирь, а также Западная Сибирь; с относительно высокой степенью обеспеченности топливно-энергетическими ресурсами — Север и Северный Кавказ; с низкой степенью обеспеченности топливно-энергетическими ресурсами — центральные районы европейской части, Северо-Запад, Поволжье и Урал.

Первая группа районов (а также в известной мере и вторая) обладает благоприятными предпосылками для создания мощных энергетических баз с массовым производством электроэнергии и энергоемкой продукции для снабжения европейской части страны. Районы третьей группы, наоборот, в большинстве своем имеют напряженный топливно-энергетический баланс, что ограничивает или вообще исключает развитие энергоемкой промышленности.

Во всех районах страны среди топливно-энергетических ресурсов преобладает минеральное топливо. Но влияние гидроэнергоресурсов на специализацию промышленности сильнее всего выражено в Восточной Сибири, которая располагает самыми крупными и эффективными ресурсами гидроэнергии.

В электроэнергетике сложилась тенденция строительства мощных тепловых электростанций на дешевом топливе, атомных электростанций, а также экономичных гидроэлектростанций. Более четким стало разделение труда между районами. Так, в европейской части прирост производства электроэнергии до недавнего времени достигался преимущественно на атомных и гидравлических (в том числе гидроаккумулирующих) электростанциях. Строительство новых конденсационных тепловых электростанций здесь фактически прекращено, но действующие их мощности расширяются в связи с ограничением развития атомной энергетики.

Основные в составе электроэнергетики — тепловые электростанции (без атомных). Они производят свыше 2/3 всей электроэнергии. Среди тепловых электростанций можно различать конденсационные (КЭС) и теплоэлектроцентрали (ТЭЦ).

Одна из главных тенденций развития отечественной электроэнергетики — создание мощных тепловых электростанций преимущественно на дешевом твердом топливе. Особенно велико значение угля открытой добычи.

Первостепенную роль среди тепловых установок играют конденсаци онные электростанции (КЭС). Тяготея одновременно к источникам топлива и к местам потребления электроэнергии, они обладают самым широким распространением.

Самые крупные тепловые электростанции (по 2 млн кВт'и более каждая) расположены в Центральном районе — Конаковская и Костромская

ГРЭС, в Поволжье — Заинская ГРЭС, на Урале — Ириклинская, Пермская, Рефтинская и Троицкая ГРЭС, в Западной Сибири — Сургутская ГРЭС, в Восточной Сибири — Назаровская ГРЭС. Особенно выделяются своими размерами такие ГРЭС, как Рефтинская (3,8 млн кВт) и Костромская (3,6 млн кВт). Ряд тепловых электростанций действует на углях открытой добычи: канско-ачинском — Березовская ГРЭС-1 (проектная мощность 6,4 млн кВт), южноякутском — Нерюнгринская ГРЭС, забайкальском — Харанорская и Гусиноозерская ГРЭС, а также на попутном газе — Сургутские ГРЭС-1 и 2. Продолжается сооружение новых ГРЭС: Нижневартовской и Уренгойской (Западная Сибирь), Березовской-2 (Восточная Сибирь).

Ориентация КЭС на топливные базы эффективна при наличии ресурсов дешевого и нетранспортабельного топлива, например бурого угля открытой добычи (типа канско-ачинского), торфа и сланцев.

Теплоэлектроцентрали (ТЭЦ), в отличие от КЭС, привязаны только к потребителям, так как радиус передачи тепла (пара, горячей воды) невелик (максимум — 15—20 км).

ТЭЦ представляет собой установку по комбинированному производству электроэнергии и тепла, в связи с чем коэффициент полезного использования топлива повышается до 70% против 30—35% на КЭС. Максимальная мощность ТЭЦ меньше, чем КЭС, но на некоторых из них уже превышен рубеж 1 млн кВт (ТЭЦ-21, 22 и 23 Мосэнерго и Нижнекамская ТЭЦ).

В последнее время среди тепловых электростанций появились установки принципиально новых типов: газотурбинные электростанции (ГТ), где вместо паровых действуют газовые турбины на жидком или газообразном топливе, что в основном снимает проблему водоснабжения и тем самым повышает значение дефицитных по воде районов для их размещения; парогазотурбинные установки (ПГУ), в которых тепло отработавших газов используется для подогрева воды с целью получения пара низкого давления в парогенераторах; магнитогидродинамические генераторы (МГД-генераторы) для непосредственного преобразования тепловой энергии в электрическую.

Газотурбинные установки действуют или готовятся к вводу в эксплуатацию на Краснодарской и Шатурской ГРЭС, парогазотурбинные — на Невинномысской и Кармановской ГРЭС (800 тыс, кВт), МГД-генераторы — на ТЭЦ-2 Мосэнерго и Рязанской ГРЭС (580 тыс. кВт).

Атомные электростанции используют в высшей степени транспортабельное топливо. При расходе 1 кг урана (235U) выделяется тепло,

эквивалентное сжиганию 2,5 тыс. т лучшего угля. Эта характерная особенность совершенно исключает зависимость АЭС от топливно-энергетического фактора и обеспечивает наибольшую маневренность размещения.

Россия имеет приоритет в мирном использовании атомной энергии.

В 1954 г. вступила в строй первая опытная Обнинская АЭС (Центральный район). Сейчас в стране действует 9 атомных электростанций, на которых установлено 32 ядерных реактора суммарной мощностью более 21 млн кВт. По объему производства электроэнергии на АЭС Россия уступает США, Франции и Японии, причем США — в 2,5 раза.

АЭС были сооружены преимущественно в наиболее густонаселенных районах европейской части. Некоторые из них появились в уязвимых с экологической точки зрения местах, например в верховьях ряда рек. Это вызывает негативное отношение общественности к развитию атомной энергетики, резко усилившееся после чернобыльской аварии.

При правильной эксплуатации АЭС — наиболее экологически чистые источники энергии. По сравнению с обычными тепловыми электростанциями они требуют в тысячи раз меньше воздуха для разбавления выбросов (в основном инертных газов) до допустимых концентраций (в расчете на единицу вырабатываемой электроэнергии). Йх функционирование не приводит к возникновению «парникового» эффекта, который является главным образом следствием массового использования органического топлива (угля, нефти, газа), особенно на тепловых электростанциях.

У нас в стране на долю АЭС приходится немногим более 1/10, тогда как в США — Vs, ФРГ — свыше 1/3, а во Франции — более 2/з общего количества производимой электроэнергии.

На территории европейской части страны действуют мощные АЭС: в Центральном районе — Калининская (2 млн кВт) и Смоленская (3 млн кВт), в Центрально-Черноземном районе — Нововоронежская (2,5 млн кВт) и Курская (4 млн кВт), на Северо-Западе — Ленинградская (4 млн кВт), на Севере — Кольская (1,8 млн кВт), в Поволжье Балаковская (3 млн кВт), на Урале — Белоярская (860 тыс. кВт). В восточных районах сооружена Билибинская АТЭЦ.

Почти вся атомная энергетика в настоящее время использует реакторы на медленных нейтронах. Первая в России атомная электростанция с реактором на быстрых нейтронах (БН) действует на Урале Белоярская АЭС, с реактором мощностью 600 тыс. кВт (БН-600).

На АЭС нашей страны применяются реакторы в основном двух типов: водо-водяные энергетические реакторы (ВВЭР) мощностью по 440 и 1000 тыс. кВт (ВВЭР-440 и ВВЭР-1000) и реакторы большой мощности, канальные (РБМК) мощностью по 1000 тыс. кВт (РБМК-1000). Всего действуют 6 энергоблоков с реакторами ВВЭР-1000 (первый из них был установлен на Нововоронежской АЭС) и 11 энергоблоков с реакторами

)

РБМК-1000, которыми оснащены Ленинградская, Курская и Смоленская АЭС. После чернобыльской аварии намечен вывод из эксплуатации реакторов РБМК с заменой их более безопасными.

Геотермические электростанции, в основе работы которых лежит освоение глубинного тепла земных недр, принципиально напоминают ТЭЦ, но в противоположность последним связаны не с потребителями, а с источниками энергии. В России первая ГТЭС — Паужетская (11 тыс. кВт) — сооружена на Камчатке. Там же начато строительство Мутновской ГТЭС (150—200 тыс. кВт).

Гидроэлектростанции — весьма эффективные источники электроэнергии. Они используют возобновимые ресурсы, что позволяет сокращать перевозки и экономить минеральное топливо (на кВт • ч расходуется около 0,4 кг условного топлива), обладают простотой управления и очень высоким коэффициентом полезного действия (более 80%). По этим причинам гидроэлектростанции производят электроэнергию более дешевую, чем тепловые установки; ее себестоимость в 5—6 раз ниже.

Характер реки, ее режим и другие условия определяют тип ГЭС. В горных районах, например, обычно встречаются высоконапорные гидроэлектростанции, иногда деривационного типа, т. е. с отводными каналами (или трубами) более крутого уклона, чем в реке, что создает необходимое падение. На равнинных реках действуют только приплотинные (а также их разновидность — совмещенные) ГЭС с меньшим напором, но с гораздо более значительным расходом воды.

В России самые мощные ГЭС созданы на Волге и Каме, Ангаре и Енисее, Оби и Иртыше и других преимущественно равнинных реках. Здесь формируются крупнейшие в мире гидроэнергетические каскады.

В составе Волжско-Камского каскада действуют такие мощные гидроэлектростанции, как Самарская (2,5 млн кВт), Волгоградская (2,3 млн кВт), Саратовская (1,4 млн кВт), Чебоксарская (1,4 млн кВт), Боткинская (1 млн кВт) и др. общей мощностью 11,5 млн кВт.

Волжско-Камский и другие каскады гидроэлектростанций на реках европейской части страны находятся в пределах районов с огромным промышленным потенциалом, и их значение состоит прежде всего в том, чтобы свести к минимуму имеющийся здесь дефицит электроэнергии. Однако массовое строительство ГЭС на равнинных реках в европейской части повлекло за собой ряд негативных явлений, связанных главным образом с возникновением крупных водохранилищ, что сопровождалось изъятием из сельскохозяйственного оборота ценных земель, переносом населенных пунктов, нарушением экологического равновесия.

Гидроэлектростанции восточных районов призваны играть пионерную роль в развитии производительных сил. На их основе формируются промышленные комплексы, специализирующиеся на энергоемких производствах.

В восточных районах, особенно в Сибири, сосредоточены наиболее эффективные по технико-экономическим показателям ресурсы гидроэнергии. Об этом можно судить на примере Ангаро-Енисейского каскада, в составе которого находятся самые крупные в стране гидрозлектростан- ции: Саяно-Шушенская (6,4 млн кВт), Красноярская (6 млн кВт), Братская (4,6 млн кВт), Усть-Илимская (4,3 млн кВт). Сооружается Богучанская ГЭС (4 млн кВт). Общая мощность каскада в настоящее время — около 22 млн кВт.

Гидроаккумулирующие электростанции способны успешно решать «проблему пика», обеспечивая необходимую маневренность в использовании мощностей энергетических систем. ГАЭС как источники пиковой мощности независимы от естественных колебаний речного стока. Кроме того, в отличие от ГЭС, их строительство вызывает значительно меньшее затопление земельных площадей под водохранилища.

В эксплуатацию введена Загорская ГАЭС (1,2 млн кВт). Развернуто строительство Центральной ГАЭС (3,6 млн кВт).

Приливные электростанции используют энергию напора, который создается между морем и отсеченным от него заливом (бассейном) во время прилива (и в обратном направлении при отливе).

В настоящее время в России действует опытная Кислогубская ПЭС (1,2 тыс. кВт) у северного побережья Кольского п-ова, разрабатываются проекты Лумбовской (320 тыс. кВт) на побережье Кольского п-ова с отсечением залива площадью 70 км2, Мезенской (1,3 млн кВт) и Кулойской (0,5 млн кВт), бассейны которых будут образованы плотинами в Мезенской губе Белого моря, и, наконец, Беломорской ПЭС (14 млн кВт) с гигантской плотиной, отсекающей всю мелководную часть Мезенской губы. Изучается вопрос о строительстве Тугурской ПЭС (8 млн кВт) в заливе Охотского моря.

Важнейшая тенденция развития электроэнергетики — объединение электростанций в энергосистемах, которые осуществляют производство, передачу и распределение электроэнергии между потребителями. Энергосистема представляет собой взаимообусловленное (в пределах той или иной территории) сочетание электростанций разных типов, работающих на общую нагрузку.

При совместной работе в энергосистеме для каждой электростанции имеется возможность выбрать наиболее экономичный режим нагрузки, который соответствует ее особенностям. Например, мощные КЭС и АЭС ориентированы в основном на покрытие базисной нагрузки, действуя в относительно постоянном режиме. Отчасти эти функции выполняют ГЭС (без регулирования) и ТЭЦ (в зимний период, когда графики потребления тепла и электроэнергии совпадают). Пиковую нагрузку обычно принимают на себя ГЭС, и особенно ГАЭС, отличающиеся значительной маневренностью в производстве электроэнергии.

В энергосистемах, которые распространяют свое влияние на районы с разным поясным временем, а также с неодинаковой продолжительностью светового дня, достигается возможность широко маневрировать производством электроэнергии как во времени, так и в пространстве. Несовпадение пиковых нагрузок в отдельных частях подобных энергосистем позволяет по мере надобности перебрасывать электроэнергию во встречных направлениях с запада на восток и с севера на юг.

Отечественная практика освоила самые высокие в мире напряжения для массовых передач электроэнергии как переменного (500 кВ и больше), так и постоянного (800 кВ и больше) тока. К началу 90-х годов протяженность всех электросетей составила 1 млн км, в том числе на высоковольтные магистрали (более 400 кВ) приходилось 50 тыс. км.

® настоящее время функционирует Единая энергетическая система (ЕЭС) России. В ее состав входят многочисленные электростанции европейской части и Сибири, которые работают параллельно, в едином

режиме, сосредоточивая более 4/5 суммарной мощности электростанций страны.

Р°ШЛОМ имелось несколько Объединенных энергетических систем (ОЭС), наиболее мощные из них — Центральная, Уральская и Сибирская, Теперь энергетические системы организованы практически в каждом субъекте Российской Федерации. Электростанции европейской части страны объединены такими высоковольтными магистралями, как Самара — Москва (500 кВ), Самара — Челябинск, Волгоград — Москва

(эОО кВ), Волгоград — Донбасс (800 кВ постоянного тока), Москва

Санкт-Петербург (750 кВ).

В европейской части действуют многочисленные тепловые электростанции (КЭС и ТЭЦ) на донецком угле, местном топливе (подмосковных, уральских и других углях, сланцах, торфе), природном газе и мазуте, а также атомные электростанции. Немалая роль принадлежит гидроэлектростанциям, покрывающим пиковые нагрузки крупных промышленных районов и узлов. Формирование ЕЭС европейской части окончательно завершено.

Для Сибири характерна примерно одинаковая роль тепловых и гидравлических установок. Мощные тепловые электростанции на углях открытой добычи Канско-Ачинского, Иркутского, Кузнецкого бассейнов и уникальные гидравлические установки Ангаро-Енисейского каскада связаны между собой высоковольтной магистралью Иркутск — Братск — Красноярск Кузбасс (500 кВ). По размерам и технико-экономическим показателям использования топливно-энергетических ресурсов в перспективе эта энергетическая система не будет иметь себе равных в мире.

На Дальнем Востоке до недавнего времени действовали только тепловые электростанции преимущественно на местных углях. Теперь появились гидравлические установки.

За пределами ЕЭС страны пока остались изолированно работающие электространции Дальнего Востока, Дальнейшее ее развитие обусловлено прежде всего усилением связи в направлении Сибирь — Центр на основе формирования Канско-Ачинского и других топливно-энергетических комплексов.

Результат развития рыночных отношений в электроэнергетике — акционирование региональных государственных энергосистем и создание Российского акционерного общества энергетики и электрификации — РАО «ЕЭС России», на которое приходится 220 млн кВт установленной мощности. В отличие от этого атомная энергетика представляет собой государственную собственность.

Для свободного доступа к распределительной сети производителей и потребителей электроэнергии все системообразующие ЛЭП передаются на федеральный уровень.

В свое время было создано международное энергетическое объединение «Мир», в которое входили национальные энергетические системы стран Восточной Европы, а также энергосистема Монголии. И сейчас Россия экспортирует электроэнергию в страны как ближнего (СНГ), так и дальнего зарубежья.

Разрабатывается проект (в основном с участием Германии и Франции) сооружения своего рода энергетического моста через Белоруссию и Польшу для снабжения электроэнергией европейских стран. Это обеспечит более благоприятные условия развития экспортной составляющей отечественной электроэнергетики, поскольку сейчас все высоковольтные ЛЭП на Запад проходят только через территорию Украины.

Переориентация энергопотребления с производственных нужд на жизнеобеспечение населения касается прежде всего электроэнергии как самого качественного энергоносителя. Если в 1990 г. на жизнеобеспечение населения у нас в стране расходовалось немногим более 30% общего электропотребления, то к 2000 г. эта составляющая возрастет до 41 — 42%, а к 2010 г. — до 43—44% .

Из энергетической стратегии России следует, что интенсивность потоков природного газа и угля по территории страны в основном зависит от их конкурентоспособности на тепловых электростанциях. Расчеты подтверждают конкурентоспособность электростанций на кузнецком угле в Поволжье и восточной части Центрального района и на обогащенном канско-ачинском угле — на Урале, в Волго-Вятском районе и на Дальнем Востоке.

Основой отечественной энергетики в перспективе по-прежнему будут единые федеральные энергетические системы — газоснабжающая и электроэнергетическая, которые обеспечивают формирование внутренних рынков и участие страны на внешних энергетических рынках, Как естественные монополии они будут действовать в режиме государственного регулирования и контроля.

По имеющимся оценкам, на уровне 2010 г. в европейской части страны будет потребляться, как и в настоящее время, 2/3 всего топлива и электроэнергии с максимальными значениями на Урале, в Центральном районе и Поволжье (свыше 2/5 общего объема потребления в стране).

Весьма благоприятными остаются перспективы экспорта энергоносителей. К традиционной ориентации на западные рынки возможно прибавление экспортных потоков нефти, природного газа и электроэнергии из Восточной Сибири и Дальнего Востока в Китай.