Содержание к диссертации
Условные обозначения 6
Введение 7
ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ПОТЕРЬ И НАГРУЗОК В ДИЗЕЛЬНЫХ ЭЛЕК ТРОСТАНЦИЯХ АВТОНОМНЫХ СЕТЕЙ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ. ОЦЕНКА МЕТОДИК РАСЧЕТА И ВЫБОРА ПАРАМЕТРОВ ДИ ЗЕЛЬНЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
1.1. Потери на дизельных электростанциях 13
1.1.1. Классификация потерь 13
1.1.2. Дизель - генераторы в дизельных электростанциях и потерив них
1.1.3. Потери во вспомогательном оборудовании 23
1.2. Факторы, влияющие на потери в дизельной электростанции.. 25
1.3. Способы снижения потерь при выработке электроэнергии на дизельной электростанции 28
1.4. Методики определения типов и количества дизельгенераторов для дизельных электростанций 29
1.5. Методики расчета потерь и определения расхода топлива на дизельных электростанциях 31
Выводы по первой главе 33
ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ДИЗЕЛЬНЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ АВТОНОМНЫХ ЭНЕРГОСИСТЕМ 34
2.1. Анализ дизельных электростанций в населенных пунктах сельской местности (на примере Хабаровского края) 34
2.2. Характеристики дизель-генераторов, установленных на дизельных электростанциях автономных энергосистем 40
2.3. Нагрузки дизельных электростанций автономных энергосистем малых населенных пунктов Хабаровского края 50
2.4. Потери в энергосистемах малых населенных пунктов Хабаровского края 54
Выводы по второй главе 55
ГЛАВА 3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТИПОВ ДИЗЕЛЬ-ГЕНЕРАТОРОВ, УС ТАНАВЛИВАЕМЫХ НА ДИЗЕЛЬНЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯХ, И РЕЖИМОВ ИХ РАБОТЫ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИХ МИНИМИЗАЦИЮ 56
СУММАРНОГО ГОДОВОГО РАСХОДА ТОПЛИВА ПРИ ВЫРА БОТКЕ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
3.1. Задача по выбору оптимальных параметров и режимов рабо ты дизельных электростанций и алгоритм ее решения 56
3.2. Оптимизация параметров и режимов работы дизельных электростанций, состоящих из выпускаемых дизель — генераторов, по минимальному годовому расходу топлива при заданном графике нагрузки 61
3.3. Методика определения оптимального распределения мощности между дизель-генераторами при их параллельной работе 85
3.4. Исследование и сопоставление эффективности различных способов распределения мощности между дизель-генераторами в дизельных электростанциях 91
3.4.1. Характеристики дизельной электростанции с двумя дизель-генераторами при пропорциональном распределении мощности нагрузки между дизель-генераторами 91
3.4.2. Характеристики дизельной электростанции с двумя дизель-генераторами при оптимальном мощности нагрузки между дизель-генераторами 94
3.4.3. Сопоставление эффективности рассмотренных способов распределения мощности нагрузки между дизель-генераторами 94
Выводы по третьей главе 105
ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ УПРАВЛЕ НИЯ ДИЗЕЛЬ-ГЕНЕРАТОРАМИ НА ДИЗЕЛЬНЫХ ЭЛЕКТРО СТАНЦИЯХ 106
4.1. Разработка алгоритма переключения дизель - генераторов, его техническая реализация 106
4.2. Определение мощностей нагрузки дизельной электростан ции, при которых целесообразно включать и выключать дизель - гене раторы 109
Выводы по четвертой главе 112
ГЛАВА 5. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ УПРАВЛЕНИЯ РЕЖИМАМИ РАБОТЫ ДИЗЕЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ 116
5.1. Экономические показатели дизельных электростанций автономных энергосистем (Хабаровского края) 116
5.2. Расчет снижения расхода топлива при оптимизации режимов работы дизель-генераторов на дизельных электростанциях и выборе оптимальных типов дизельных электростанций 122
Выводы по пятой главе 123
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 127
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 128
ПРИЛОЖЕНИЯ 139
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. ЛИСТИНГ ПРОГРАММЫ ДЛЯ ЭВМ: Опре деление типов и числа дизель-генераторов в дизельной электростан ции при проектировании 139
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. БЛОК-СХЕМА ПРОГРАММЫ: Определение типов и числа дизель-генераторов в дизельной электростанции при проектировании 150
ПРИЛОЖЕНИЕ 3. ФРАГМЕНТ ЛИСТИНГА ПРОГРАММЫ ДЛЯ ЭВМ: «Оптимизация работы дизель - генераторной электростан ции» 164
ПРИЛОЖЕНИЕ 4. Акты внедрения и использования 170
Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ работы обусловлена постоянным ростом цен на элек- Ф троэнергию и топливо, необходимостью уменьшения потерь энергии в v} процессе ее производства на электростанциях. Существующий уровень экономичности дизельных электростанций (ДЭС) недостаточен и не обеспечивает достижения максимально возможных энергетических показателей ДЭС. Требуется разработка новых подходов к проблеме повышения энергоэффективности ДЭС.
Особенностью ДЭС автономных энергосистем является ограниченность возможностей проведения на них экспериментальных исследований и неполнота получаемой исходной информации. Неполнота исходных данных, необходимых для определения энергетических характеристик ДЭС, обусловлена тем, что невозможно проводить точные измерения нагрузок во все время ее эксплуатации. Нагрузки ДЭС подвержены случайным ко- К лебаниям и меняются в течение года. Это переносит задачу поиска спосо бов улучшения характеристик ДЭС в область разработки и исследования математических моделей.
Вопросами проектирования и эксплуатации энергосистем посвящены работы Ю.С. Железко, Г.Е. Поспелова, К.Д. Панфилова, А.А. Потреби- ф ча, А.П. Алексеева, Г.Ф. Кудряшева и др. Однако особенностям работы автономных электростанций уделено гораздо меньше внимания. Методы выбора режимов работы элементов автономных энергосистем и их параметров не обеспечивают минимизации расходов топлива на выработку электроэнергии. Они также не учитывают реальных факторов изменения нагрузки. Существующие методы проектирования ДЭС предусматривают выбор дизель-генераторов (ДГ) из условия обеспечения максимальной мощности нагрузки. При этом ДГ выбираются одинаковыми для обеспече ния унификации запчастей при ремонте. Не рассмотрены вопросы влияния сезонного и суточного изменения нагрузки на экономичность работы ДЭС. Графики работы ДГ в течение суток не обоснованы.
Вся задача определения рациональных типов ДГ и времени их работы является нелинейной оптимизационной задачей. Функция нагрузки ДЭС является нелинейной, а суточный график нагрузки обычно принимается ступенчатым с осреднением нагрузки по получасиям. Зависимости расхода топлива от мощности нагрузки для ДГ также являются нелинейными. Кроме этого, на малых нагрузках часть ДГ может отключаться, что приводит к скачкообразному перераспределению нагрузки между оставшимися работающими ДГ. Задача поиска минимума целевой функции суммарного расхода топлива ДЭС, содержащей большое количество различных элементов, имеющих, как непрерывные так и дискретные характеристики, не решена в строгой математической постановке. Учет быстро меняющихся экономических показателей стоимости оборудования и тарифов на электроэнергию и топливо приводит к трудностям экономического обоснования эффективности предложенных мероприятий по экономии топлива.
Задача повышения энергоэффективности ДЭС должна решаться с использованием всей полноты имеющейся информации при помощи моделей, учитывающих все реальные факторы, которые оказывают существенное влияние на экономические характеристики.
Таким образом, представляется актуальным проведение комплексных исследований по выявлению факторов, оказывающих наиболее существенное влияние на потери энергии в ДЭС, разработке адекватных математических моделей для расчетов оптимальных параметров и режимов работы ДЭС и способов управления ДГ на ДЭС.
ЦЕЛЬЮ РАБОТЫ является разработка методик расчета параметров дизельных электростанций (ДЭС) автономных энергосистем и способов управления режимами работы дизель-генераторов (ДГ) на ДЭС, обеспечивающих снижение расхода топлива на выработку электроэнергии. Для достижения поставленной цели решались следующие ЗАДАЧИ:
1. Анализ характеристик и режимов работы элементов автономных энергосистем, выявление оборудования с низкой энергоэффективностью и факторов, влияющих на потери энергии.
2. Разработка методик расчета потерь энергии на ДЭС, учитывающих реальное изменение нагрузки в процессе эксплуатации.
3. Разработка методики выбора типов ДГ и режимов их работы на ДЭС, обеспечивающих минимальный суммарный годовой расход.
4. Разработка метода определения оптимального распределения мощности между ДГ при их параллельной работе.
5. Разработка технического решения, обеспечивающего управление режимами работы ДГ в составе электростанции.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ:
1. Анализ структуры автономных энергосистем, выявление элементов с наибольшими потерями энергии и причин увеличения потерь.
2. Математическая модель для решения оптимизационной задачи по выбору параметров и режимов работы ДГ на ДЭС. Алгоритм и программное обеспечение для решения оптимизационной задачи.
3. Результаты расчетов по определению оптимальных параметров и режимов работы ДГ на ДЭС и их экономической эффективности.
4. Разработка инженерных методик и программного обеспечения для расчета потерь, учитывающих изменения реальных факторов нагрузки в процессе эксплуатации.
5. Выявление оптимального соотношения распределения мощностей между ДГА, обеспечивающего минимизацию суммарных потерь в ДЭС.
6. Разработка технических решений, реализующих предложенные способы управления режимами работы ДГ на ДЭС.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ основаны на математическом моделировании исследуемых процессов, программировании, методах теории автоматического управления.
НАУЧНАЯНОВИЗНА работы заключается в разработке:
1. Методики определения типов ДГ установленных на ДЭС и режимов их работы, обеспечивающих минимальный суммарный годовой расход топлива при работе по заданному графику нагрузки;
2. Методики определения оптимального распределения мощности между ДГ при их параллельной работе, обеспечивающей минимизацию суммарного расхода топлива;
3. Способа автоматического управления режимами работы ДГ на ДЭС;
4. Программного обеспечения, обеспечивающего расчет оптимальных параметров и режимов работы ДГ на ДЭС;
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНА ЧИМОСТЬ полученных результатов и выводов связана с возможностью уменьшения расхода топлива на выработку электроэнергии на ДЭС и достаточных для их реализации теоретических положений и заключается:
- в создании методик расчета потерь и расходов топлива в ДЭС, учитывающих реальные изменения нагрузки;
- в создании комплекса программ по выбору оптимальных режимов работы ДГ и типов ДГ на ДЭС, обеспечивающих минимизацию суммарного годового расхода топлива ДЭС;
- в разработке рекомендаций по выбору типов ДГ устанавливаемых на ДЭС и режимов их работы;
- в разработке технических решений, реализующих предложенный способ автоматического управления режимами работы ДГ на ДЭС.
Новизна и значимость технических решений подтверждены положительным решением на выдачу патента РФ. На созданные в процессе диссертационного исследования программные продукты получены свидетельства об официальной регистрации программы для ЭВМ №2005610436, №2005612791. Основные результаты работы опубликованы в научных изданиях.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТА ТЫ диссертационной работы были получены автором в ходе исследований, выполнявшихся в рамках научного направления «Разработка научных и методологических основ энергосберегающих технологий на основе вычислительного интеллекта», проводимого по плану научных работ кафедры «Электропривод и автоматизации промышленных установок» ГОУ ВПО Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета. Результаты научно-исследовательской работы реализованы при разработке комплекса программ по автоматизированному расчету расхода топлива на ДЭС в автономных энергосистемах. Эти программы используются при проведении научно-исследовательских работ по энергоаудиту и разработке мероприятий по снижению потерь энергии, проводимых Региональным учебно-научным инновационным центром энергосбережения «УНИЦЭ». Методика определения оптимальных режимов работы ДГ использовалось в муниципальных предприятиях жилищно-коммунального хозяйства Хабаровского края. В результате получено снижение расхода топлива при выработке электроэнергии на ДЭС.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и получили одобрение на: - региональной научно-практической конференции «Проблемы учета и управления потреблением энергоресурсов и воды», Хабаровск 2003; - IV-ой Межотраслевой научно-технической конференции «Автоматизация и прогрессивные технологии», Новоуральск, 2005; - Международной научно-технической конференции «Электромеханические преобразователи энергии», Томск, 2005; - V-ой Российской научно-технической конференции «Энергосбережение в городском хозяйстве, энергетике, промышленности», Ульяновск, 2006; - Всероссийской научно - технической конференции «Электроэнергия: от получения и распределения до эффективного использования», Томск, 2006.
ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертации опубликовано 10 работ: 7 статей и тезисов, 2 программы для ЭВМ, положительное решение о выдаче патента на способ снижения расхода топлива в дизельных электростанциях.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка используемой литературы и пяти приложений. Общий объем диссертации 171 страницы машинописного текста, в том числе 138 страниц основного текста, 75 рисунков и 32 таблицы, списка использованных источников из 106 наименований, 4 приложений на 33 , страницах, в которых представлены 2 описания разработанного программного обеспечения для ЭВМ, блок-схема программы, 2 акта о внедрении результатов диссертационной работы.
Автор выражает большую благодарность и признательность научному консультанту кандидату технических наук, Ткачевой Юлии Ильиничне за оказанную помощь в планировании работы, обсуждении научных результатов и большую консультативную работу при написании и представлении данной работы к защите.
