Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ состояния комплекса децентрализованного электроснабжения республики и определение задач повышения его энергоэффективности 8
1.1. Исследование энергетического баланса комплекса децентрализованного электроснабжения ОАО «Сахаэнерго» 8
1.2. Технико-экономические характеристики локальных систем электроснабжения на основе дизельных электростанций 18
1.3. Анализ удельных энергетических характеристик ДЭС региона 24
1.4. Выводы 46
2. Исследование соответствия режимов энергопотребления структуре и мощности комплекса децентрализованного электроснабжения Якутии 48
2.1. Анализ режимов энергопотребления автономных систем электроснабжения 48
2.2. Оптимизация структуры и мощности ДЭС локальных систем электроснабжения 63
2.3. Повышение энергетической эффективности ДЭС путем управления количеством одновременно работающих агрегатов 77
2.4. Определение рационального оперативного резерва мощности ДЭС 86
2.5. Выводы 91
3. Перспективы инверторных ДЭС и разработка энергосберегающих алгоритмов управления их режимами 93
3.1. Энергетические комплексы с переменной частотой вращения дизеля 93
3.2. Математическая модель ДЭС 97
3.3. Математическое моделирование рабочих режимов ДЭС 109
3.4. Разработка алгоритмов и систем управления режимами инверторной ДЭС 118
3.5. Выводы 128
4. Перспективные энергетические комплексы республики Саха (Якутия) с использованием возобновляемых энергоресурсов региона 129
4.1. Оценка экономической эффективности использования возобновляемых источников энергии 129
4.2. Обоснование метода оценки энергетической эффективности автономных ветродизельных энергетических комплексов 137
4.3. Разработка структуры энергоэффективных ветро-дизельных энергетических комплексов 148
4.4. Определение энергетической эффективности ветро-дизельных энергетических комплексов и оценка возможности их применения в энергетическом балансе децентрализованных зон 153
4.5. Выводы 165
Заключение 167
Список использованной литературы 169
- Исследование энергетического баланса комплекса децентрализованного электроснабжения ОАО «Сахаэнерго»
- Анализ режимов энергопотребления автономных систем электроснабжения
- Энергетические комплексы с переменной частотой вращения дизеля
- Оценка экономической эффективности использования возобновляемых источников энергии
Введение к работе
Актуальность. Около 70 % территории России относятся к зонам децентрализованного электроснабжения, на которых проживают по разным оценкам от 10 до 20 млн. человек. Большинство этих территорий расположены в районах с суровыми климатическими условиями - Сибирь, Дальний Восток, Крайний Север. Надежное энергообеспечение населения децентрализованных зон является важнейшей народнохозяйственной задачей, от успешного решения которой во многом зависит не только социально-экономическое развитие регионов, но и безопасность людей.
Для электроснабжения потребителей децентрализованных зон традиционно используются установки малой энергетики - малые электростанции, работающие на автономную электрическую сеть одного или нескольких близлежащих населенных пунктов. Основу малой энергетики России составляют дизельные электростанции, общее количество которых превышает 47 тыс., а установленная мощность достигает 15 млн. кВт.
Большинство функционирующих сегодня объектов малой энергетики в разных регионах России имеют ряд схожих проблем, обусловленных главным образом большим износом основного энергетического оборудования, острым дефицитом инвестиционных ресурсов, тяжелыми и дорогими условиями транспортировки грузов, удаленностью от центров снабжения и обслуживания и т.п. Вместе с тем, локальные системы электроснабжения децентрализованных зон, как правило, имеют и ряд существенных региональных отличий, связанных с природно-географическим положением региона, развитием инфраструктуры, наличием местных энергоресурсов и т.п. Кроме того, отдельные объекты малой энергетики обычно связаны едиными технологическими процессами завоза топлива и технического обслуживания в рамках одного региона.
Для регионов России, значительная часть которых не присоединена к центральным электрическим сетям, надежное функционирование комплекса децентрализованного электроснабжения является залогом энергетической безопасности, обеспечивающей защищенность граждан, общества, государства, экономики от внутренних и внешних факторов угроз дефицита всех видов энергии и энергетических ресурсов.
Энергетическая эффективность комплексов децентрализованного электроснабжения - важная компонента национальной безопасности страны, призванная ускорить ее социально-экономическое развитие, а повышение г энергетической эффективности комплексов децентрализованного ? электроснабжения является на сегодня актуальной задачей энергетики России. і Предмет исследования. Способы и методы повышения энергетической эффективности комплексов децентрализованного электроснабжения на примере Республики Саха (Якутия).
Объект исследования. Комплекс локальных систем электроснабжения Республики Якутия с учетом технических, географических, климатических, экономических, экологических условий и энергетического потенциала возобновляемых источников энергии территории.
Цель работы. Исследование комплекса децентрализованного электроснабжения Республики Саха (Якутия) и разработка рекомендаций по повышению энергоэффективности локальных систем электроснабжения, расположенных в отдаленных районах с суровыми климатическими условиями.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе поставлены и решены следующие задачи: | - проведен комплексный анализ эффективности использования энергетических ресурсов и установлены качественные и количественные функциональные зависимости основных влияющих факторов на процессы
, энергопотребления; * - определены закономерности формирования и регулирования графиков электрических нагрузок потребителей децентрализованных зон в I зависимости от сезонной составляющей и времени суток; * - разработана универсальная методика, позволяющая определять
I необходимый типоразмер и количество силовых агрегатов для вновь \ проектируемых и реконструируемых дизельных электростанций (ДЭС); f - разработана математическая модель дизельной электростанции, проведены
, исследования ее рабочих режимов с переменной частотой вращения и j, получены рациональные законы управления ДЭС, обеспечивающие
I минимизацию расхода топлива на частичных режимах работы; - разработана методика оценки энергетической эффективности автономных ветро-дизельных энергетических комплексов, позволяющая решать широкий круг задач, связанных с оптимизацией структуры и режимов гибридных энергустановок с источниками электропитания различных типов.
Методы исследования. При выполнении диссертационной работы использовались: методы анализа и обобщения данных, приведенных в научно-технической литературе; статистические методы анализа данных; методы многофакторного и кластерного анализа совокупности показателей; методы исследования надежности энергетических систем; математические методы нечеткой логики; методы математического моделирования технико-экономических показателей объектов энергетики.
Научная новизна работы. В результате выполнения исследований получены следующие новые научные результаты: выявлены на примере Республики Саха (Якутия) особенности энергообеспечения потребителей децентрализованных зон в условиях Крайнего Севера, и установлены функциональные зависимости основных влияющих факторов на процессы энергопотребления; разработана методика прогнозирования* графиков электрических нагрузок потребителей в децентрализованных зонах с учетом численности населенного пункта, его географического положения, времени года, температуры и времени суток; разработан алгоритм оптимального выбора числа и мощности рабочих силовых агрегатов и оперативного резерва мощности автономных дизельных электростанций (ДЭС) по критерию минимума приведенных затрат; разработана универсальная методика оценки энергоэффективности автономных ветро-дизельных энергокомплексов, позволяющая оптимизировать структуру и режимы гибридных энергетических установок с источниками электропитания различных типов.
Практическая ценность работы: - предложенная методика» прогнозирования графиков электрических нагрузок потребителей децентрализованных зон может быть использована для краткосрочного и долгосрочного планирования режимов работы ДЭС, что обеспечит повышение их энергетической эффективности и надежности. методики оптимального выбора числа и мощности рабочих силовых агрегатов и оперативного резерва мощности ДЭС позволяют обеспечить заданный уровень надежности электроснабжения потребителей и сократить расход дизельного топлива на 10-20 %;. доказана возможность уменьшения расхода дизельного топлива на 15-20 % за счет использования рабочего режима дизель-генераторов при переменной частоте вращения и предложен алгоритм реализации контроллера системы автоматического управления инверторной ДЭС, обеспечивающий минимизацию расхода топлива; предложены схемные решения энергоэффективных ветро-дизельных энергетических комплексов, разработаны методики оценки их энергетической и экономической эффективности, даны рекомендации по условиям, объемам и районам их рационального применения в Якутии.
Достоверность результатов диссертационной работы. Полученные в результате выполнения диссертационной работы научные результаты, выводы и рекомендации базируются на доказанных и общепризнанных фундаментальных положениях соответствующих областей наук, теоретически обоснованы и подтверждены результатами экспериментов и опытной эксплуатации в реальных условиях.
Реализация результатов работы. Результаты работы использованы в ОАО «Сахаэнерго» для оценки эффективности эксплуатации существующих ДЭС, прогнозирования графиков электрических нагрузок потребителей, выработки рекомендаций по повышению энергоэффективности комплекса децентрализованного электроснабжения региона.
Результаты исследований использованы в учебном процессе Электротехнического института Томского политехнического университета в материалах дисциплины «Нетрадиционные способы производства электроэнергии» инновационной образовательной программы подготовки магистров «Возобновляемые источники энергии» и курса «Автоматизированные системы управления» для студентов, обучающихся по специальности «Электроснабжение промышленных предприятий».
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры электроснабжения промышленных предприятий Томского политехнического университета, на Межрегиональном научно-техническом семинаре «Энергетика Северо-Востока: состояние, проблемы и перспективы развития», г.Якутск, 2004 г., на Всероссийской научно-технической конференции «Электроэнергия: от получения и распределения до эффективного использования», г.Томск, 2008 г., на Международном научно-техническом семинаре «Системы электроснабжения с возобновляемыми источниками энергии», г.Томск, 2009 г.
Публикации. Основные положения и результаты выполненных исследований отражены в 10 публикациях, в том числе 2 монографиях и двух изданиях, рекомендованных ВАК.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, содержащих 174 страниц основного текста, 35 таблиц, 69 рисунков и списка литературы из 74 наименований.
В первой главе проведен анализ состояния и перспектив развития комплекса децентрализованного электроснабжения Республики Якутия, определены первоочередные задачи, по повышению его энергетической эффективности.
Вторая глава работы посвящена исследованию соответствия режимов энергопотребления структуре и мощности комплекса децентрализованного электроснабжения, характерного для условий Севера.
В третьей главе проведены исследования рабочих режимов ДЭС с переменной частотой вращения дизеля и определены- перспективы их применения в комплексе децентрализованного электроснабжения.
В четвертой.главе диссертационной работы определены перспективы и методические подходы для использования, местных возобновляемых энергетических ресурсов в энергетическом балансе отдаленного региона с суровыми климатическими условиями.
В заключении сформулированы основные научные, результаты работы, даны.рекомендации по их-практическому использованию.
Исследование энергетического баланса комплекса децентрализованного электроснабжения ОАО «Сахаэнерго»
Базовой отраслью промышленности любого государства является энергетика, уровень развития которой во многом определяет условия жизни и быт граждан. В силу особенностей природно-географического положения Якутии энергетическая отрасль имеет для нее особое значение.
Республика Саха (Якутия) расположена на северо-востоке Сибири и является крупнейшим административно-территориальным образованием в Российской Федерации: ее территория (свыше 3 млн. кв. км) составляет 18 % площади РФ. Огромная по площади территория Якутии заселена сравнительно слабо и неравномерно. Численность населения Республики составляет 950,7 тыс. чел., из которых 64 % проживают в городских поселениях и 36 % - в сельской местности [13].
Энергообеспечение региона осуществляет АК «Якутскэнерго», которая занимает одно из первых мест среди региональных энергетических компаний России по площади обслуживания и по количеству генерирующих источников. Якутская энергосистема представляет собой достаточно развитый энергетический комплекс, в котором представлены за исключением атомной все виды генерации: гидрогенерация каскада Вилюйских ГЭС, газовая генерация Якутской ГРЭС и Якутской ТЭЦ, генерация на угле Нерюнгринской ГРЭС [33].
Основой комплекса децентрализованного электроснабжения региона является дочерняя компания АК «Якутскэнерго» - ОАО «Сахаэнерго», специализирующаяся на малой энергетике. Территория обслуживания ОАО «Сахаэнерго» составляет 2,2 млн. км2 с населением 139,2 тыс. человек, проживающих в 18-ти улусах республики [54]. Жители населенных пунктов и родовых селений северных улусов занимаются сельскохозяйственным производством: разведением крупного рогатого скота, коневодством, оленеводством, рыболовством и охотой. В регионе не функционируют крупные производственные мощности, в связи с этим энергообеспечение, в основном, носит социальный характер.
Зона деятельности ОАО «Сахаэнерго» расположена на территории со сложнейшими климатическими условиями (перепад температур от + 40 С летом до - 65 С зимой). К специфическим особенностям северного края относятся большая территория, крайне низкая плотность населения, слабо развитая сеть коммуникаций между населенными пунктами. Энергообеспечение населения в таких условиях является стратегическим фактором жизнедеятельности региона, от которого зависит не только эффективность функционирования отраслей народного хозяйства, но здоровье и жизнь людей.
Устойчивое социально - экономическое развитие Якутии невозможно без эффективно функционирующих систем жизнеобеспечения, главенствующую роль в которых играет энергетическая отрасль. Две трети территории Республики Якутия относятся к зонам децентрализованного энергообеспечения, электроснабжение потребителей в которых осуществляется от автономных дизельных», электростанций (ДЭС). Соответственно приоритетным направлением, социально-экономического развития Республики является повышение надежности и эффективности электроснабжения потребителей в зонах децентрализованного энергоснабжения.
Определить основные направления повышения эффективности малой энергетики Республики можно на основе комплексного системного анализа основных технологических процессов производства, распределения и потребления электрической энергии в децентрализованных зонах. Исходными данными для анализа являются технико-экономические характеристики основного энергетического оборудования, находящего на балансе ОАО «Сахаэнерго», электрические схемы ДЭС и распределительных сетей; географические и климатические условия региона, численность населения-и структура, секторов экономики, балансы; по производству, и потреблению электрической энергии за 2004-2008 гг. Потребление и производство электрической энергии являются связанными технологическими процессами, на которые оказывают непосредственное влияние множество самых разнообразных факторов: географические и климатические условия региона, численность населения и структура секторов экономики объектов электроснабжения, собственные и хозяйственные нужды электростанций, потери в электрических распределительных сетях и коммерческие потери, износ и эффективность работы основного генерирующего оборудования ДЭС (рис.1.1).
Определение вида зависимостей основных влияющих факторов на процессы производства и потребления электрической энергии в децентрализованных зонах Республики Саха (Якутии) является первоочередной задачей анализа. Анализ электрического баланса проведен для периода 2004 - 2006гг. Производителями электрической энергии в зонах децентрализованного электроснабжения Республики Саха являются автономные источники электроснабжения - ДЭС различной мощности. Количество и суммарная установленная мощность агрегатов ДЭС представлены в табл. 1.1. Средняя установленная мощность на один агрегат составляет 450 кВт, среднее время наработки на один агрегат к 2007 году достигло 25038 часов. Выработка электрической энергии по «Сахаэнерго» за рассматриваемый период практически не изменялась и находилась в пределах 388435 - 431013 тыс. кВтч. (см. рис. 1.2). Средняя выработка на один агрегат - 642 - 712 тыс. кВтч в год. Расход электроэнергии на собственные и хозяйственные нужды ДЭС изменялся в пределах от 5,7 % в 2004 году до 5,2 % в 2006 году от выработки. Потери электрической энергии в 2004 - 2006 гг. по «Сахаэнерго» составляют 13 - 15 % от выработки. Динамика изменения электрического баланса ОАО «Сахаэнерго» за последние три года представлена на рис.1.3. Представленные результаты свидетельствуют о том, что электрический баланс «Сахаэнерго» стабилен, и его значительные изменения в дальнейшем могут быть связаны только с введением в строй крупных объектов производственного или социально-бытового назначения. Полезный отпуск электрической энергии на уровне 80 % от выработки свидетельствует о том, что имеются значительные резервы по повышению эффективности режимов работы основного электрооборудования и снижению непроизводственных потерь электрической энергии.
Анализ режимов энергопотребления автономных систем электроснабжения
Режимы работы потребителей электрической энергии не остаются постоянными, а непрерывно изменяются в течение суток, недель и месяцев года. Соответственно изменяется и нагрузка всех звеньев передачи и распределения электроэнергии и генераторов электрических станций.
Знание графиков нагрузки позволяет определять величину сечений проводов и жил кабелей, оценивать потери напряжения, выбирать мощности генераторов электростанций, рассчитывать системы электроснабжения проектируемых предприятий, решать вопросы технико-экономического характера и многое другое.
Особое значение графики электрических, нагрузок имеют в автономных системах электроснабжения, построенных на базе дизельных электростанций. Связано это с тем, что большинство дизель-генераторов обеспечивают хорошие технико-экономические показатели при загрузке от 25 до 80 % от номинальной. В режимах работы при нагрузках близких к номинальной снижается надежность генерирующих источников и уменьшается их КПД; длительная работа дизель-генераторов в режимах малых нагрузок недопустима из-за возможного закоксовывания цилиндров дизеля и связана с завышенным удельным расходом топлива.
В соответствии с «Правилами технической, эксплуатации дизельных электростанций» режим, работы станции должен планироваться. При этом важнейшую роль в планировании занимает прогнозирование графиков потребления электрической,энергии.
Долгосрочное планирование режимаї электростанции должно осуществляться для характерных периодов года и должно предусматривать составление годовых, квартальных, месячных балансов энергии и баланса мощности на час максимума нагрузок; составление годовых и месячных планов ремонта основного оборудования электростанции, устройств релейной защиты и автоматики; разработку схем соединений электростанции, тепловых сетей для нормального и ремонтных режимов и т.п.
Краткосрочное планирование режима электростанции должно производиться с упреждением от суток до недели. Краткосрочное планирование должно предусматривать прогноз суточной электрической нагрузки; решения по заявкам на вывод, в ремонт или включение в работу оборудования с учетом мероприятий по ведению режима, изменению параметров настройки противоаварийной и режимной автоматики. Таким образом, определение закономерностей формирования и регулирования графиков электрических нагрузок децентрализованных потребителей является необходимой задачей для повышения эффективности режимов работы как дизель-генераторов, так и автономной системы электроснабжения в целом. Показатели, определяющие вид графиков электрических нагрузок потребителей, весьма различны (направленность хозяйственной деятельности, уровень комфортности коммунально-бытовой сферы, особенности климатических условий и др.) и ИХІВЛИЯНИЄ трудно заранее предусмотреть и классифицировать. Специфика электроснабжения региона, связанная с огромной территорией обслуживания, значительных различий в составе потребителей, численности населения, географического положения и климатических условий практически исключает общие закономерности в формировании суточных и сезонных графиков нагрузок различных объектов электроснабжения. На 128 ДЭС «Сахаэнерго» установлено 605 генераторов различных типоразмеров номинальной мощностью от 13 до 12000 кВт, суммарной мощностью 270562.5 кВт. От ДЭС осуществляется электроснабжение населенных пунктов с численностью населения от 11 до 10000 чел. Средняя выработка электрической энергии на одного человека составляет 3463 кВгч в год, при минимуме 420 и максимуме 12510 кВгч. Состав электрических нагрузок и характер энергопотребления во многом зависят от развития соответствующих секторов экономики объекта электроснабжения. В группе объектов животноводства в основном преобладают оленеводческие хозяйства, которые в зависимости от времени года находятся на весенних, летних, осенних или зимних пастбищах. В соответствии с такими перемещениями меняются местоположение потребителей энергии, состав электрических нагрузок и их мощность. В летнее время обслуживание отгонного животноводства носит кочевой характер. Энергия расходуется на обогрев и освещение жилищ животноводов, подогрев воды, пищеприготовление и ночное освещение открытых стоянок скота. В холодные периоды все поголовье скота перегоняется на зимние пастбища. В общей структуре энергопотребления в это время преобладают тепловые нагрузки - производственное и бытовое отопление помещений и подогрев воды. Из групп рассредоточенного сельскохозяйственного производства наиболее энергоемкими потребителями являются малые населенные объекты. Анализ зависимостей свидетельствует о том, что характер энергопотребления населенных пунктов значительно различается друг от друга. Для приближенного определения необходимого количества электрической энергии в зависимости от численности населения можно воспользоваться выражениями, полученными в первой главе настоящей работы. Однако, данные выражения позволяют оценить только обобщенный показатель - годовое потребление электроэнергии. Для детального анализа необходимо выявить закономерности формирования суточных и сезонных графиков электрических нагрузок. Общей закономерности в формировании суточных и сезонных графиков нагрузок объектов электроснабжения в децентрализованных зонах Республики Саха (Якутия) выявить не представляется возможным ввиду значительных различий в составе потребителей, численности населения, географического положения и климатических условий. Определить основные закономерности формирования графиков электрических нагрузок в данных условиях можно только на основе системного анализа экспериментальных данных, полученных в результате эксплуатации ДЭС в течении длительного периода времени. При этом необходима разработка универсальной методики, позволяющей по определенным статистическим данным определять основные закономерности формирования графиков электрических нагрузок для любого объекта электроснабжения со специфическими для него особенностями [41].
Энергетические комплексы с переменной частотой вращения дизеля
Важнейшим техническим показателем автономной дизельной электростанции (ДЭС), обеспечивающей питание децентрализованных потребителей, является число и мощность установленных силовых агрегатов. Именно этот показатель определяет надежность электроснабжения потребителей и от него во многом зависит эффективность работы ДЭС.
В соответствии с [49] суммарная мощность рабочих дизельных электроагрегатов должна покрывать максимальную расчетную нагрузку с учетом собственных нужд ДЭС и обеспечивать запуск электродвигателей. Количество рабочих агрегатов определяется в соответствии с графиком нагрузок и имеющейся номенклатурой электроагрегатов. Конкретных рекомендаций- и методик по выбору числа и мощности дизель-генераторов нормативные документы не содержат. Между тем этот показатель чрезвычайно важен, так как от него во многом зависят технико-экономические характеристики электростанции. Выбор рационального числа рабочих дизельных электроагрегатов, обеспечивающих наилучшие технико-экономические характеристики ДЭС, связан с учетом большого количества весьма противоречивых факторов. Отметим основные проблемы, связанные с этим выбором: 1. Дизель-генераторы необходимо периодически выводить из работы для проведения необходимого сервисного обслуживания, текущего и капитального ремонтов. Надежность электроснабжения потребителей при этом снижается. Периодичность и продолжительность технического обслуживания зависит от типоразмера силового агрегата. 2. Состав потребителей, получающих питание от ДЭС, может значительно различаться по мощности, количеству и режимам работы. При этом неизбежно изменение нагрузки станции в значительном диапазоне, как в течение суток, так и по сезонам года. При этом желательно обеспечить загрузку дизель-генераторов в пределах от 25 до 80 % от номинальной нагрузки. Загрузка выше этих пределов приводит к снижению ресурса дизельного двигателя; при малых нагрузках значительно увеличивается удельный расход топлива и проявляется эффект карбонизации, вызванной скоплением в цилиндрах несгоревших фракций топлива, что также негативно влияет наресурс двигателя. 3. Удельный расход топлива на выработку 1 кВгч электрической энергии зависит от типоразмера агрегата, у дизель-генераторов большой мощности он, как правило, ниже. Удельный расход топлива изменяется при работе дизель-генераторов на частичных режимах, с уменьшением нагрузки увеличивается. В данной работе предлагается методика оптимизации числа и типовой мощности рабочих дизельных электроагрегатов автономной ДЭС, используемой в качестве основного источника электроснабжения децентрализованных потребителей. В качестве критерия оптимизации используется минимум приведенных годовых затрат при заданном уровне надежности электроснабжения потребителей: где Ец — нормативный коэффициент эффективности: капиталовложений (в расчетах принимался равным 0.15, что соответствует сроку окупаемости 6.5 лет); К - капитальные вложения в ДЭС, руб; И - годовые расходы на эксплуатацию \ станции, руб; У - экономический ущерб от нарушения электроснабжения потребителей, руб. Выбор простого статистического метода для оценки экономической эффективности инвестиций - метода приведенных затрат в данном случае обоснован тем обстоятельством, что методы сравнительной эффективности используют в случаях, когда необходимо произвести выбор одного из нескольких технически реализуемых проектов, что полностью соответствует условию решаемой задачи. Методы оценки эффективности инвестиций, основанные на дисконтировании, такие как чистый дисконтированный доход, внутренняя норма доходности и индекс доходности, обычно применяют в случаях крупномасштабных инвестиционных проектов, реализация которых требует значительного периода времени. По мнению многих известных российских экономистов в условиях переходной экономики России, с характерной для них неопределённостью движения показателей инфляции, цен, налогообложения, амортизации, рентабельности, удельных капиталовложений! определяют нерациональность применения интегральных показателей для оценки эффективности инвестиций» в связи с невозможностью достоверного прогнозирования этих показателей в пределах жизненного цикла инвестиционных проектов 7-12 лет и более [14,22,23]
Номинальные мощности электроагрегатов и электростанций определены из государственных стандартов [18, 20] и соответствуют общепромышленным стационарным электроагрегатам и дизельным электростанциям трехфазного переменного тока.
Усредненная стоимость ДЭС (на начало 2008 года) определена по прайс-листам и каталогам известных отечественных производителей и поставщиков дизельных электростанций [51, 52]. В табл.2.3 приведены цены полнокомплектных стационарных ДЭС контейнерного исполнения и под капотом. Выбор такого варианта- исполнения станций обусловлен минимальными затратами на капитальное строительство и меньшими расходами на ввод в эксплуатацию.
Оценка экономической эффективности использования возобновляемых источников энергии
В настоящее время, при проведении научных исследований, направленных на повышение энергетической и экономической эффективности работы ДЭС широко применяются методы математического моделирования и компьютерной оптимизации. Актуальность проведения таких работ все более возрастает с ужесточением нормативов, ограничивающих выбросы вредных веществ, требований экономичности и высокой удельной мощности энергоустановок.
Полная математическая модель дизельной электростанции включает в себя математическое описание ее основных энергетических элементов: дизельного двигателя, электрического генератора, регулирующих устройств и нагрузки.
Значительные усилия разработчиков сосредоточены на развитии технологии Computational Fluid Dynamic (CFD), реализующей трехмерное моделирование течения газа и впрыскиваемого топлива в цилиндрах и коллекторах двигателей внутреннего сгорания (ДВС). В процессе расчета моделируются процессы испарения, сгоранияіи образования вредных веществ. Наибольшей популярностью пользуются программы: KIVA (Los Alamos); FIRE (AVL); VECTIS (Ricardo); STAR-CD (Computational Dynamics Ltd.). Программы позволяют моделировать развитие потоков газа и распыленного топлива в камере сгорания двигателя, движение пленок топлива, попавшего на стенки, поля температур и концентраций в рабочем объеме [39].
Минимальная стоимость лицензии на эксплуатацию программы на одном рабочем месте составляет около 60000 $, подготовка данных квалифицированным специалистом для одного варианта расчета занимает до 15 и более дней, время счета одного варианта: 30 и более часов.
Другим распространенным подходом, широко применяемым при математическом моделировании ДВС, является использование одномерных представлений рабочих, процессов. Мировыми лидерами по популярности здесь являются программы BOOST (AVL), WAVE (Ricardo), GT-Power (Gamma Technologies). Из отечественных разработок, доведенных до коммерческого исполнения, можно отметить программы ИМПУЛЬС и ВОЛНА (ЦНИДИ), а также программу ДИЗЕЛЬ-2/4т (МГТУ им. Баумана).
Подобные программные комплексы позволяют рассчитывать течение в разветвленных трубопроводах, оценивать неравномерность наполнения по цилиндрам, оптимизировать фазы газораспределения, подбирать агрегаты турбонаддува, настраивать трубопроводы. Время счета одного режима работы многоцилиндрового двигателя составляет 20-40 минут, инсталляции программы на 1 рабочем месте на 3 года составляет по разным данным от 50 до 70 тысяч долларов США [39].
Несмотря на очевидные достоинства, областью применения представленных выше программных комплексов является проектирование и оптимизация параметров двигателей внутреннего сгорания. Для изучения режимов работы ДЭС на частичных режимах с переменной частотой вращения можно использовать более простые кибернетические модели дизельных агрегатов. Так как целью исследования не является изменение конструктивного исполнения дизельного двигателя, он может быть представлен в виде простой функциональной (кибернетической) модели по типу «черного» ящика.
Функциональная модель (кибернетическая) - это математическая модель, устанавливающая взаимно однозначное соответствие между входными и выходным воздействиями объекта (системы) без отображения происходящих внутри процессов. Функциональные модели просты по структуре, строятся экспериментальными методами ипозволяют получить достоверные результаты при минимальных временных и экономических затратах.
В качестве исходных» данных математической модели дизельного двигателя можно использовать каталожные данные дизель-агрегатов, применяемых в ОАО «Сахаэнерго», или семейство их рабочих характеристик, снятых экспериментальным путем. Кроме математической модели непосредственно дизельного двигателя, для изучения рабочих режимов ДЭС с переменной частотой вращения, необходимы математические модели синхронного генератора, систем регулирования частоты вращения и выходного напряжения. Комплексная математическая модель электростанции должна адекватно описывать основные процессы энергопреобразования в ДЭС, построенной на базе стандартных общепромышленных технических устройств. В качестве математической модели дизельного двигателя использовалась функциональная модель, однозначно связывающая абсолютный расход топлива GT и развиваемую двигателем мощность N с частотой его вращения п, рис.3.3. Функциональная модель дизеля строится по его фактической нагрузочно-скоростной характеристике, которая устанавливает зависимость его эффективной мощности Ne, удельного расхода топлива ge и других параметров от частоты вращения вала п и среднего эффективного давления ре, рис.3. Нагрузочно-скоростная характеристика объединяет (синтезирует) скоростные и нагрузочные характеристики дизеля. Как правило, такие характеристики строятся на основании результатов обработки серии нагрузочных характеристик, соответствующих различным частотам вращения. Такая характеристика даёт сведения об основных показателях работы двигателя для любого возможного скоростного и нагрузочного режима. Как видно из рис. 3.4, по двум любым величинам определяются другие две важные величины, характеризующие работу двигателя. Если Л/е = idem, то величины среднего эффективного давления ре располагаются на гиперболе. Сетка изолиний мощностей наносится (строится) на основании обработки семейства нагрузочных характеристик. Процесс разработки математической модели ДЭС покажем на примере дизеля В2-450АВ-03, основные технические характеристики которого приведены в таблице 3.1, а внешняя характеристика представлена на рис. 3.5.
