image

Газовая промышленность № 5 2017

Энергоснабжение и энергосбережение

»  01.05.2017 11:00 ПРИМЕНЕНИЕ ЭНЕРГОУСТАНОВОК И ЭНЕРГОКОМПЛЕКСОВ НА БАЗЕ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ И АЛЬТЕРНАТИВНЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ ДЛЯ ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЯ ОБЪЕКТОВ ГАЗОВОГО КОМПЛЕКСА
В статье рассмотрены вопросы создания и применения комплектных энергоустановок и энергокомплексов на базе возобновляемых источников энергии (ВИЭ) для энергообеспечения объектов Единой системы газоснабжения (ЕСГ) России. Актуальность создания автономных блочно-комплектных энергоисточников на базе ВИЭ обусловлена необходимостью оптимизации затрат на организацию энергообеспечения объектов ЕСГ, требованиями законодательства в части энергосбережения и повышения эффективности использования природных ресурсов, а также требованиями импортозамещения изделий зарубежных производителей современными энергоустановками российского производства. Приведены основные требования, принципы построения и возможные конфигурации энергоустановок и энергокомплексов на базе ВИЭ.
Открыть PDF


В декабрьском номере журнала «Газовая промышленность» за 2016 г. обсуждались актуальные вопросы и аспекты использования возобновляемых источников энергии для энергообеспечения объектов Единой системы газоснабжения. Приведены основные достоинства, недостатки и определены основные критерии для оценки целесообразности и эффективности использования ВИЭ.

По результатам укрупненного анализа ветровой и солнечной активности определены регионы, перспективные для размещения энергоустановок на базе ВИЭ [1, 5, 6].

Учитывая актуальность и перспективность комплексного подхода к развитию и реконструкции систем энергообеспечения технологических объектов, в данной статье предлагается рассмотреть вопросы создания энергоустановок и энергокомплексов на базе ВИЭ, основные требования, а также вопросы выбора оптимальной конфигурации и комплектации таких изделий [2, 3].

Image_002.png

Если принять во внимание определение энергоустановки как комплекса оборудования, объединенного единым технологическим процессом получения определенного вида энергии, то применительно к изделиям на базе ВИЭ энергоустановками являются отдельная ветрогенераторная или отдельная солнечная энергоустановки.

Учитывая, что стабильная выработка энергии такими установками не может обеспечиваться без вспомогательных источников, для изделий на базе возобновляемых источников энергии более подходит определение «энергокомплекс», т. е. комплекс энергоустановок, расположенных в непосредственной близости друг от друга (на одной площадке), предназначенных для получения одного или нескольких видов энергии и управляемых единой системой автоматического (диспетчерского) управления, оснащенной системой учета и рационального использования энергоресурсов [4].

Энергокомплексы на базе возобновляемых источников энергии способны решать целый ряд важных задач, таких как:

  • выработка и распределение вырабатываемой энергии;

  • повышение живучести системы энергообеспечения за счет гибкого управления режимом работы энергоустановок в составе энергокомплекса;

  • снижение удельного расхода традиционных (углеводородных) энергоресурсов;

  • снижение удельных эксплуатационных расходов;

  • снижение негативного влияния на экологию;

  • оптимизация (зачастую снижение) и рациональное распределение капитальных затрат за счет возможности первоочередного строительства и ввода в работу и последующего поэтапного развития.

1.png

Исходя из перечня задач, можно сформулировать и основные требования к энергокомплексам на базе ВИЭ:

  • энергокомплекс должен обеспечивать требуемый уровень (категорию) надежности энергоснабжения потребителей;

  • объекты энергокомплекса рекомендуется размещать в непосредственной близости друг от друга (на одной технологической площадке);

  • управление объектами энергокомплекса должно осуществляться из единого центра управления;

  • система автоматизированного управления энергокомплексом должна обеспечивать гибкое и рациональное управление режимами работы всех объектов в составе энергокомплекса; автоматизированную диагностику технического состояния и определение неисправностей основных элементов энергокомплекса; автоматическую локализацию и ликвидацию основных нештатных ситуаций в работе энергокомплекса; учет потребляемых энергоресурсов и вырабатываемой энергии; диспетчерские функции в автоматическом и ручном режимах; ведение и архивирование журналов событий;

  • состав объектов энергокомплексов должен обеспечивать стабильное энергоснабжение потребителей во всех режимах функционирования, включая периоды технического обслуживания и ремонтов на оборудовании энергокомплекса;

  • рекомендованная периодичность технического обслуживания оборудования энергокомплексов – один раз в год;

  • состав объектов и конфигурация энергокомплексов должны обеспечивать возможность первоочередного строительства и ввода в эксплуатацию, возможность поэтапной реконструкции, наращивания и вывода из эксплуатации энергетических мощностей в соответствии с периодами жизненного цикла потребителей энергии [4].

При создании энергокомплексов на базе возобновляемых источников энергии большое значение имеет правильный подбор энергоисточников. Необходимо учитывать их совместимость (возможность совместной работы), технические характеристики и технологические возможности. Некорректный подбор энергоисточников может привести к значительному снижению эффективности работы энергокомплекса, необоснованному увеличению капитальных вложений и эксплуатационных расходов.

1_1.png

Рассмотрим основные критерии выбора энергоисточников и их основных элементов для энергокомплексов на базе ВИЭ.

При выборе типа солнечных панелей для солнечного модуля рекомендуется учитывать характер солнечной активности (прямой или рассеянный солнечный свет). Однако на территории России соотношение безоблачных дней и дней с верхней облачностью в среднем таково, что применение солнечных панелей, предназначенных преимущественно для рассеянного солнечного света, будет достаточно эффективно и не требуется обязательного наличия системы слежения за солнцем.

1_1_1.png

При выборе производительности солнечного модуля (количества панелей) необходимо учитывать следующее [6, 8]:

  • среднесуточная продолжительность активного светового дня – 8–10 ч;

  • за активный световой период солнечный модуль должен обеспечить выработку объема электроэнергии, равного суточному энергопотреблению.

Необходимое количество солнечных модулей можно определить по формуле:

Nсп = Wсут·Ксут/Рном·Тсвд·ККПД,

где Nсп – количество солнечных панелей (шт.); Wсут – среднесуточное энергопотребление (кВт·ч); Ксут – коэффициент, учитывающий среднесуточную продолжительность световой активности, равный 24/Тсвд; Тсвд – среднесуточная продолжительность световой активности (ч); Рном – номинальная мощность одной солнечной панели (кВт); ККПД – коэффициент, учитывающий потери в преобразователях (в среднем 0,9).

1_1_2.png1_1_3.png

Необходимо отметить, что если район размещения энергокомплекса кроме солнечной активности характеризуется стабильными ветрами и среднегодовой ветровой активностью 7 м/с
и более, а в составе энергокомплекса присутствует ветрогенераторная установка, то коэффициент Ксут можно принимать равным 1,2–1,5.

Некоторые разработчики солнечных электростанций рекомендуют принимать Ксут  не менее 5,0, мотивируя это возможностью получения большего объема энергии от солнечного модуля. Однако это приведет к значительному удорожанию энергоустановки и увеличению затрат на строительно­монтажные работы.

При выборе ветрогенераторной установки необходимо учитывать следующие факторы [7, 8]:

  • использование ветрогенераторов в качестве базового источника целесообразно в районах со среднегодовой скоростью ветра от 7 м/с и более;

  • в районах со среднегодовой скоростью ветра 4–7 м/с использование ветрогенераторов целесообразно только в качестве вспомогательного энергоисточника для получения дополнительной, но не гарантированной выработки электроэнергии;

  • в районах со среднегодовой скоростью ветра менее 4 м/с применение ветрогенераторных установок неэффективно и нецелесообразно;

  • максимально возможные скорости ветра в районе размещения определяют конструктивное исполнение ветрогенератора.

При выборе аккумуляторных батарей необходимо учитывать циклический режим их работы (ежесуточный режим глубокого разряда и полного заряда батареи). Для таких целей целесо­образно использовать литий­ионные аккумуляторы, обладающие значимыми преимуществами по сравнению со свинцовыми аккумуляторами на базе кислотного электролита:

  • количество циклов «разряд/заряд» достигает 8000–10 000 против 1500–1600;

  • допустимая глубина разряда – до 90 %, против 70 %;

  • удельные массогабаритные характеристики на 30–40 % лучше;

  • допустимая скорость заряда в 3–4 раза выше.

При определении необходимой емкости аккумуляторных батарей необходимо учитывать, что эффективная емкость (величина допустимого разряда) аккумуляторов должна обеспечивать накопление запаса энергии, необходимого для покрытия среднесуточной нагрузки в течение 15–20 ч.

Необходимо также помнить, что работа оборудования на низком напряжении ведет к увеличению токов и, следовательно, массогабаритных характеристик преобразователей и коммутационной аппаратуры. Практика определила следующие характерис­тики:

  • для среднесуточных нагрузок 1,0 кВт уровень напряжения АБ должен быть не менее 48 В;

  • для среднесуточных нагрузок 2,0 кВт – не менее 60 В;

  • для среднесуточных нагрузок 3,0–20,0 кВт целесообразно принимать уровень напряжения АБ не ниже 220 В.

Использование возобновляемых (ветро­солнечных) источников энергии позволяет значительно сократить расход традиционных углеводородных видов топлива. Однако эффективность работы этих ВИЭ напрямую зависит от природных явлений (наличие солнечного света и ветра).

Поэтому стабильная работа энергоустановок и энергокомплексов на базе ВИЭ возможна только при наличии вспомогательного топливопотребляющего источника энергии.

Выбор вспомогательного источника энергии зависит от периодичности и времени его работы, доступности топлива.

Дизель­генераторные (ДГА) и газопоршневые (ГПЭГ) электроагрегаты в настоящее время являются самыми доступными, имеют лучшее соотношение цены, надежности и качества, обладают высоким (40 %) КПД и ресурсом около 40 тыс. моточасов до капитального ремонта. При этом межрегламентный период для таких изделий составляет 250–400 моточасов, что требует достаточно частого проведения ТО и обусловливает относительно высокий уровень эксплуатационных расходов. Использование ДГА и ГПЭГ в качестве вспомо­гательных источников целесо­образно при расчетной ежемесяч­ной наработке до 100 моточасов.

В случаях, когда энергокомплексы на базе ВИЭ предполагается размещать в районах со средним уровнем ветровой и/или солнечной активности и расчетное время работы вспомогательного источника превышает 100 моточасов в месяц, имеет смысл рассматривать другие варианты вспомогательных энергоустановок с межрегламентным периодом 8000–10 000 моточасов.

Примером таких энергоустановок могут являться:

  • электрогенераторы на базе двигателей внутреннего сгорания с внешней маслосистемой и дополнительным маслобаком;

  • электрогенераторы на базе свободно­поршневых двигателей Стирлинга;

  • энергоустановки на базе термоэлектрических генераторов.

Отметим, что указанные энергоустановки предназначены для работы в базовом режиме. Их стоимость также на порядок выше по сравнению с традиционными ДГА и ГПЭГ. Поэтому основным обоснованием применения таких энергоустановок в составе энергокомплексов на базе ВИЭ является значительное снижение удельного расхода углеводородных видов топлива на выработку электроэнергии.

Дополнительное преимущество таких установок – это возможность утилизации тепла для собственных нужд энергокомплексов и обогрева внешних потребителей.

Что касается расхода электроэнергии на обогрев контейнеров и модулей, входящих в состав энергокомплексов, расчеты показывают: если на нужды теплоснабжения расходуется более 15–20 % среднесуточной выработки энергокомплекса, целесообразно для теплоснабжения применять отдельный или встроенный тепловой модуль на базе водогрейных солнечных модулей и/или автоматизированного котла. КПД тепловых модулей в 2 раза выше по сравнению с электрогенерирующими установками, следовательно, значительно повышается эффективность использования топлива.

Последним основным элементом энергоустановок и энергокомплексов на базе возобновляемых источников энергии является инвертор. При выборе мощности инвертора кроме среднесуточной величины потребляемой мощности необходимо учитывать и максимальные (пиковые) нагрузки. Величина максимальных кратковременных нагрузок может в 2–4 раза превышать среднесуточный уровень.

На рис. 1–3 представлены примеры модификаций и компоновок энергокомплексов на базе ВИЭ, созданных специалистами ОАО «НИПОМ» с учетом вышеперечисленных критериев.


1_1_4.png

ОАО «НИПОМ»

606007, РФ, Нижегородская обл.,

г. Дзержинск, ул. Зеленая, д. 10

Тел.: 8-800-100-43-44

E-mail: office@nipom.ru

www.nipom.ru



← Назад к списку