Voimajärjestelmien kuormitustilat ja optimaalinen kuormanjako voimalaitosten välillä
Energiankulutus ja siten järjestelmien kuormitus on epätasaista: sillä on tyypillisiä vaihteluja vuorokauden sisällä sekä vuodenaikojen vaihtelua vuoden sisällä. Nämä vaihtelut määräytyvät pääasiassa yritysten — sähkön kuluttajien, väestön tähän elämänrytmiin liittyvän työrytmin, vähäisemmässä määrin — maantieteellisten tekijöiden mukaan.
Yleensä päivittäiselle syklille on aina ominaista suurempi tai pienempi kulutuksen väheneminen yöllä, vuosisyklin osalta kesäkuukausina. Näiden kuormituksen vaihteluiden syvyys riippuu käyttäjien koostumuksesta.
Ympäri vuorokauden toimivilla yrityksillä, erityisesti jatkuvat teknologiset prosessit (metallurgia, kemia, hiilikaivosteollisuus), on lähes sama kulutustapa.
Metalli- ja koneenrakennusteollisuuden yrityksissä on jopa kolmivuorotyössä huomattavia energiankulutuksen vaihteluita, jotka liittyvät tavanomaiseen tuotantotoiminnan vähenemiseen yövuorojen aikana. Yötyössä yhdessä tai kahdessa vuorossa havaitaan energiankulutuksen jyrkkä lasku. Kesäkuukausina on havaittavissa myös kulutuksen tuntuva lasku.
Energiankulutuksen voimakkaammat vaihtelut ovat tyypillisiä elintarvike- ja kevyen teollisuuden yrityksille, suurin epätasainen kulutus on kotitaloussektorilla.
Järjestelmän kuormitustila heijastaa kaikkia näitä energiankulutuksen vaihteluita summatussa ja tietysti hieman tasoittetussa muodossa. Kuormitusolosuhteet esitetään yleensä kuormitusaikataulun muodossa.
Päivittäisessä kaaviossa tunnit on piirretty abskissalle ja kuormat MW tai % maksimikuormasta on piirretty ordinaatalle. Suurin kuormitus putoaa useimmiten iltatunneille, jolloin valaistus on päällekkäin tuotannon energiankulutuksella. Siksi maksimipiste siirtyy jonkin verran vuoden sisällä.
Aamutunneilla on kuormitushuippu, mikä kuvastaa maksimaalista tuotantoaktiivisuutta. Iltapäivällä kuormitus laskee, yöllä jyrkästi.
Kuukaudet on piirretty vuosikaavioiden abskissalle ja kuukausittaiset kilowattituntimäärät tai kuukausittaiset huippukuormitukset on piirretty ordinaatalle. Maksimikuormitus putoaa vuoden lopussa — sen luonnollisen kasvun vuoksi vuoden aikana.
Epätasainen lataustapa, toisaalta energiantuotantolaitteiden monimuotoisuus ja toisaalta niiden toiminnalliset ja teknis-taloudelliset ominaisuudet muodostavat järjestelmähenkilökunnalle monimutkaisen tehtävän optimaalisen kuormituksen jakautumisessa asemien ja tuotantoyksiköiden välillä.
Sähköntuotannolla on hintansa. varten lämpöasemat — Nämä ovat huoltohenkilöstön ylläpidon, laitekorjausten, poistojen lisäksi polttoainekustannuksia.
Eri asemilla, riippuen niiden teknisestä tasosta, tehosta, laitteiden kunnosta, yhden Vt • h:n ominaistuotantokustannus on erilainen.
Yleinen kriteeri kuormituksen jakautumiselle asemien välillä (ja aseman sisällä lohkojen välillä) on vähimmäiskäyttökustannukset tietyn sähkömäärän tuotannosta.
Kustannukset voidaan esittää jokaiselle asemalle (jokaiselle yksikölle) toiminnallisena suhteessa lataustilaan.
Edellytys kokonaiskustannusten minimille ja siten kuormien optimaalisen jakautumisen ehto järjestelmässä on muotoiltu seuraavasti: kuorma on jaettava siten, että asemien (yksiköiden) suhteellisten askelmien tasaisuus säilyy aina.
Lähetyspalvelut laskevat etukäteen asemien ja yksiköiden lähes suhteelliset askelmat eri kuormitusarvoilla ja ne näytetään käyrinä (katso kuva).
Suhteelliset kasvukäyrät
Vaakaviiva heijastaa tämän kuorman jakautumista, joka vastaa optimaalista tilaa.
Järjestelmän kuormituksen optimaalisella jakautumisella asemien välillä on myös tekninen puoli.Kuormituskäyrän muuttuvan osan, erityisesti terävien ylähuippujen, kattavia yksiköitä käytetään nopeasti muuttuvissa kuormitusolosuhteissa, toisinaan päivittäisin pysäytyskäynnistyksin.
Nykyaikainen voimakas höyryturbiiniyksiköt eivät ole mukautettuja tällaiseen toimintatapaan: niiden käynnistyminen kestää useita tunteja, käyttö vaihtelevalla kuormituksella, erityisesti usein pysähdyksissä, johtaa onnettomuuksien lisääntymiseen ja kiihtyneeseen kulumiseen, ja siihen liittyy myös ylimääräinen melko herkkä liiallinen kulutus polttoaineesta.
Siksi järjestelmien kuormituksen "huippujen" kattamiseksi käytetään toisen tyyppisiä yksiköitä, jotka ovat teknisesti ja taloudellisesti hyvin mukautettuja jyrkästi muuttuvaan kuormitukseen.
Ne ovat ihanteellisia tähän tarkoitukseen vesivoimalat: hydrauliyksikön käynnistys ja täysi kuormitus vievät yhdestä kahteen minuuttia, eivät liity ylimääräisiin häviöihin ja ovat teknisesti melko luotettavia.
Huippukuormia kattamaan suunnitellut vesivoimalat rakennetaan dramaattisesti lisääntyneellä kapasiteetilla: tämä vähentää pääomainvestointia 1 kW:lla, mikä tekee sen verrattavissa erityisinvestointiin tehokkaisiin lämpövoimalaitoksiin ja varmistaa vesivarojen täydellisemmän käytön.
Koska mahdollisuudet rakentaa vesivoimalaitoksia ovat monilla alueilla rajalliset, missä alueen topografia mahdollistaa riittävän suurien nostokorkeuksien saamisen, rakennetaan pumppuvoimaloita (PSPP) kattamaan kuormituspiikkejä.
Tällaisen aseman yksiköt ovat yleensä käännettäviä: järjestelmän vikatuntien aikana ne toimivat pumppuyksiköinä nostaen vettä korkealle sijoitetussa säiliössä. Täyden kuormituksen aikana ne toimivat sähköntuotantotilassa syöttämällä säiliöön varastoitua vettä.
Niitä käytetään laajalti kattamaan kaasuturbiinivoimaloiden kuormituspiikkejä. Niiden käynnistäminen kestää vain 20-30 minuuttia, kuorman säätäminen on helppoa ja taloudellista. Myös GTPP-huippujen kustannusluvut ovat suotuisat.
Sähköenergian laadun indikaattoreita ovat taajuuden ja jännitteen pysyvyysaste. Vakiotaajuuden ja jännitteen ylläpitäminen tietyllä tasolla on erittäin tärkeää. Taajuuden pienentyessä moottoreiden nopeus pienenee vastaavasti, minkä vuoksi niiden käyttämien mekanismien suorituskyky heikkenee.
Ei pidä ajatella, että taajuuden ja jännitteen lisäämisellä on suotuisa vaikutus. Taajuuden ja jännitteen kasvaessa häviöt kaikkien sähkökoneiden ja -laitteiden magneettipiireissä ja keloissa kasvavat jyrkästi, niiden lämpeneminen lisääntyy ja kuluminen kiihtyy. Lisäksi moottoreiden taajuuden ja siten myös kierrosluvun muutos uhkaa usein hylätä tuotteen.
Taajuusvakio varmistetaan ylläpitämällä tasa-arvo järjestelmän primäärimoottorien tehollisen tehon ja generaattoreissa magneettivuon ja virtojen vuorovaikutuksesta syntyvän vastakkaisen mekaanisen kokonaismomentin välillä. Tämä vääntömomentti on verrannollinen järjestelmän sähköiseen kuormaan.
Järjestelmän kuormitus muuttuu jatkuvasti.Kuorman kasvaessa generaattoreiden jarrutusmomentti tulee suuremmaksi kuin päämoottoreiden tehollinen vääntömomentti, nopeuden ja taajuuden pienenemisen uhka. Kuorman vähentämisellä on päinvastainen vaikutus.
Taajuuden ylläpitämiseksi on tarpeen muuttaa päämoottoreiden tehollista kokonaistehoa vastaavasti: ensimmäisessä tapauksessa lisäys, toisessa lasku. Siksi taajuuden jatkuvan pitämiseksi tietyllä tasolla järjestelmässä on oltava riittävä tarjonta erittäin liikkuvaa valmiustehoa.
Taajuussäädön tehtävänä on nimetty asema, joka toimii riittävällä määrällä vapaata, nopeasti mobilisoituvaa tehoa. Vesivoimalat pystyvät parhaiten hoitamaan nämä vastuut.
Lisätietoja taajuudensäätöominaisuuksista ja -menetelmistä on täällä: Taajuussäätö sähköjärjestelmässä