Гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС) представляют собой комплексные объекты гидроэнергетики, совмещающие функции генерации и накопления энергии. Используя избыточную электроэнергию в периоды провалов графика нагрузки для перекачки воды из нижнего водохранилища в верхнее и сбрасывая ее обратно для выработки электроэнергии в пиковые часы, ГАЭС стали незаменимым регулирующим базисом для энергосистем нового типа.

В структуре вспомогательного оборудования ГАЭС система сжатого воздуха (ССВ) является ключевым источником приводной энергии, обеспечивающим безопасную эксплуатацию гидроагрегатов и высокочастотный перевод режимов их работы. Технологически данная система разделяется на систему сжатого воздуха среднего давления (отжатие воды для перевода в режим синхронного компенсатора, питание гидроаккумуляторов регуляторов скорости и др.) и систему сжатого воздуха низкого давления (механическое торможение гидроагрегата и ремонтные нужды). Показатели переходного процесса и быстродействия данных систем напрямую определяют динамические регулирующие свойства агрегатов в современных энергосистемах.

1. Система сжатого воздуха среднего давления: основной источник приводной энергии и контур управления высокого давления

Рабочее давление в системе среднего давления обычно составляет 4,0–8,5 МПа, а в качестве источников снабжения в основном применяются поршневые воздушные компрессоры. Данная система обеспечивает частые переводы режимов работы гидроагрегатов и питание высоковольтных управляющих компонентов накопления энергии. К точкам с высоким расходом воздуха и к мгновенной подпитке предъявляются жесткие технические требования в рамках следующих пяти ключевых сценариев применения:

● Пуск в насосном режиме и отжатие воды для режима синхронного компенсатора: При переводе агрегата из остановленного состояния в насосный режим или в режим синхронного компенсатора (СК), система обязана за минимальный промежуток времени подать сжатый воздух высокого давления в камеру рабочего колеса. Это позволяет принудительно отжать уровень воды ниже направляющего аппарата (так называемый «пуск с отжатием воды»), устраняя колоссальное гидравлическое сопротивление от вращения колеса в воде. Данный процесс требует от источника среднего давления исключительно высокой мгновенной производительности и достаточного аккумулированного объема.

● Компенсация утечек воздуха при вращении рабочего колеса: В режиме синхронного компенсатора рабочее колесо вращается с высокой скоростью в воздушной среде. Из-за физических зазоров в уплотнении вала и направляющем аппарате происходит непрерывная утечка сжатого воздуха из камеры. Система среднего давления должна осуществлять динамическую подпитку по замкнутому контуру для удержания уровня воды ниже безопасной отметки, предотвращая подтопление рабочего колеса и возникновение недопустимой вибрации.

● Наддув масловоздушных баков (гидроаккумуляторов) регулятора скорости и входного шарового затвора: Являясь источником приводной энергии для критически важных регулирующих клапанов станции, масловоздушные баки системы регулирования и входного шарового затвора должны длительное время находиться под высоким давлением воздушной подушки. Система среднего давления обеспечивает первоначальную зарядку и точную рабочую подпитку данных емкостей, гарантируя требуемую скорость срабатывания гидравлического привода для быстрого регулирования и аварийного закрытия затворов.

● Продувка системы: Выполнение плановой продувки ответственных трубопроводов и арматуры сжатым воздухом высокого давления для удаления внутренних загрязнений, обеспечения чистоты оборудования и надежности его эксплуатации.

2. Система сжатого воздуха низкого давления: механическое торможение и общепромышленный пневмопривод

Стандартное рабочее давление в системе низкого давления составляет 0,6–1,0 МПа, что удовлетворяет непрерывные потребности в регламентном обслуживании и механическом торможении. В качестве источников снабжения низкого давления обычно используются винтовые воздушные компрессоры.

● Механическое торможение гидроагрегата: При выполнении команды на остановку гидроагрегата и снижении частоты вращения до критического диапазона (30% – 35% от номинальной), система низкого давления подает воздух в тормозные поддомкрачивающие устройства (тормоза). За счет механического трения обеспечивается быстрая, плавная и полная остановка агрегата, что предотвращает его длительное ползучее вращение на низких оборотах, способное вызвать подгорание и повреждение сегментов упорного подшипника.

● Ремонтные нужды и питание пневматического инструмента: Обеспечение стандартизированным распределенным потоком сжатого воздуха ремонтных шкафов, пневмоинструмента и технологического оборудования на всех отметках машинного зала.

Несмотря на то, что система сжатого воздуха ГАЭС классифицируется как «вспомогательное оборудование», в условиях создания гибких и высоконадежных энергосистем нового типа ее технические характеристики напрямую определяют границы безопасной работы основного оборудования. Согласно отраслевым стандартам, утвержденным Государственным энергетическим управлением КНР и Китайскимветом электроэнергетики, точность переходных процессов и стабильность давления в ССВ выступают ключевыми факторами, определяющими успешность перевода режимов работы гидроагрегатов и качество их участия в регулировании частоты и покрытия пиков нагрузки.