Повышение надежности электроснабжения конечных потребителей за счет применения детандер-генераторных установок на станциях понижения давления газа в москве

На правах рукописи

КОЖИЧЕНКОВ ВЛАДИМИР СЕРГЕЕВИЧ ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ КОНЕЧНЫХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ ЗА СЧЕТ ПРИМЕНЕНИЯ ДЕТАНДЕР-ГЕНЕРАТОРНЫХ УСТАНОВОК НА СТАНЦИЯХ ПОНИЖЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ ГАЗА В МОСКВЕ Специальность 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА 2012 2

Работа выполнена на кафедре «Электроснабжение промышленных предприятий» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ»

Научный консультант:

Доктор технических наук, профессор Кудрин Борис Иванович

Официальные оппоненты:

Заведующий кафедрой «Электроснабжение и электрические машины» Московского государственного агроинженерного университета им. В.П. Горячкина, доктор технических наук, профессор Лещинская Тамара Борисовна Доцент кафедры «Теоретической электротехники и электрификации нефтяной и газовой промышленности» Российского государственного университета нефти и газа им. И.М. Губкина, кандидат технических наук Трифонов Александр Александрович Ведущее предприятие: Закрытое акционерное общество «Экотеплогаз»

Защита состоится 29 июня 2012 года в аудитории М-611 в 14 ч. 00 мин.

на заседании диссертационного совета Д 212.157.02 при ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ» по адресу: 111250, Москва, ул. Красноказарменная, 13.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу: 111250, Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, Ученый Совет ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ».

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ».

Автореферат разослан « » 2012 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета Д 212.157. к.т.н., доцент Цырук С.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В соответствии с прогнозным балансом развития электроэнергетики на период 2009-2015 гг. и до 2020 г., разработанным Агентством по прогнозированию балансов в электроэнергетике, среднегодовые темпы прироста электропотребления на ближайшее десятилетие в России составят 1,9-2,8 %: от достигнутых 977,2 млрд.кВтч в 2010 г. до 1121,0 млрд.кВтч в 2015 г. и 1285,2 млрд.кВтч в 2020 г. Для объединенной энергетической системы Центра, включая ОАО «Мосэнерго», – основного производителя электрической энергии для Московского региона, объединяющего два субъекта Российской Федерации, – Москву и Московскую область, требуемый прирост электропотребления выше общероссийского и составит 2,2-3,2 %: от достигнутых 209,8 млрд.кВтч в 2010 г. до 242,0 млрд.кВтч в 2015 г. и 284,6 млрд.кВтч в 2020 г.

В последнее время вопрос надежного и бесперебойного энергообеспечения Московского региона становится особенно актуальным, в связи с тем, что резерв электрических мощностей в Москве в значительной степени исчерпан. В частности, 57 % электростанций ОАО «МОЭСК» считаются закрытыми для технологического присоединения. Кроме того, нарастает физический и моральный износ основных электросетевых установок, обусловленный истечением сроков их службы. Из-за отсутствия должного финансирования вынужденно проводится техническая политика по продлению срока службы оборудования, что существенно снижает уровень надежности электроснабжения конечных потребителей.

Проблема износа электрооборудования и невозможности, в ряде случаев, подключения к централизованной системе электроснабжения приводит к тому, что усиление и реконструкция электрических сетей в значительной степени финансируется потребителями за счет искусственных мер по завышению тарифов на электроэнергию и взимания платы за технологическое присоединение.

В связи с этим период 2010-2012 гг. характеризуется повышенным, ежегодно свыше 10 %, темпом роста цен для конечных потребителей, что объясняется расширением доли нерегулируемого сектора рынка электрической энергии и мощности, перехода на регулирование по принципу доходности инвестированного капитала (RAB) и постепенным увеличением нормы доходности, а также завершением работы рынка электроэнергетики переходного периода в 2011 году.

Рост тарифов в электроэнергетике, в силу высокой энергоемкости при строительстве и в промышленном производстве, увеличивает инфляцию, сдерживая темпы экономического роста.

Единственным выходом в сложившейся ситуации является проведение мероприятий по сокращению потребления энергетических ресурсов и рациональному их использованию.

Таким образом, исключительную важность приобретает развитие нетрадиционных технологий малой энергетики, которой в прогнозном балансе до 2020 г. отводится до 1,6 ГВт.

Существующий энергетический потенциал использования в Москве солнечной и ветровой энергий, а также биогазовых установок, не позволит даже в долгосрочной перспективе внести значительный вклад в модернизацию существующей централизованной системы электроснабжения и, одновременно, создать условия для развития и безубыточного функционирования объектов малой энергетики на основе возобновляемых источников энергии.

Поэтому крайне необходимо внедрение технологии, в которой будут учтены природно-географический фактор, структура производства и потребления энергоресурсов, характерные особенности столичного мегаполиса, показатели экономичности, экологичности и энергоэффективности.

Цель работы состоит в повышении надежности электроснабжения конечных потребителей за счет расширения и эффективного применения детандер-генераторных установок на станциях понижения давления газа в Москве.

В соответствии с поставленной целью в работе решаются следующие задачи:

1. Проведение анализа схемы и состояния надежности элементов системы электроснабжения конечных потребителей города Москвы с определением путей ее развития и модернизации, а также оценкой потенциала развития нетрадиционных источников энергии в условиях мегаполиса.

2. Исследование принципа, конструкции и режимов работы детандер генераторной установки в качестве источника электрической энергии.

3. Определение зон территориальной дифференциации детандер генераторных установок в Москве с расчетом установленной электрической мощности и токов короткого замыкания, определением схем, режимов работы и мест технологического присоединения.

4. Исследование режима работы детандер-генераторной установки мощностью 630 кВт параллельно с энергосистемой на примере ГРС «Южная» ГУП «МОСГАЗ» с определением оптимальных параметров электрической сети и условий устойчивой работы при внешних возмущениях.

5. Исследование автономного режима работы детандер-генераторной установки с разработкой методики оценки ее эффективности.

6. Разработка методов повышения эффективности использования детандер-генераторных агрегатов при независимом энергообеспечении конечных потребителей города Москвы.

Основные методы научных исследований. При выполнении работы использовались теоретические основы электротехники и теория электрических сетей и станций с применением методов математической статистики, ценологического подхода, регрессионного анализа, программно технического комплекса расчета токов короткого замыкания и режимов работы синхронных машин, а также методы физического моделирования.

Произведено математическое и физическое моделирование качественной, количественной и пространственной структуры детандер-генераторных агрегатов в проекции на Москву. Результатом теоретических исследований явилась разработанная методика определения эффективности работы детандер-генераторной установки в качестве автономного источника электроснабжения конечных потребителей. Данная методика позволяет рассчитать электрические параметры детандер-генераторного агрегата и газопоршневой (газотурбинной) установки, а также мощность холодильной машины при совместном режиме работы.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Систематизации проблем надежности электроснабжения конечных потребителей города Москвы на основе комплексного анализа электрической схемы и состояния технологического оборудования распределительной сети.

2. Обосновании эффективности применения детандер-генераторных агрегатов в Москве в целях обеспечения надежного электроснабжения конечных потребителей.

3. Определении зон территориальной дифференциации детандер генераторных установок, схем и мест их подключения к городской системе электроснабжения.

4. Получении диапазонов электрической мощности для определения схемы технологического присоединения детандер-генераторных агрегатов, при которых достигаются оптимальные показатели эффективности и финансовой реализуемости их установки на станциях понижения давления газа в Москве.

5. Разработке метода определения показателей эффективности работы детандер-генераторной установки в качестве независимого источника электроснабжения конечных потребителей.

6. Разработке математической модели оценки эффективности детандер генераторной технологии, позволяющей рассчитать электрические параметры детандер-генераторного агрегата и газопоршневой (газотурбинной) установки, а также холодильной машины в режиме тригенерации.

7. Разработке способа получения электрической и тепловой энергий, а также энергии холода на базе детандер-генераторной технологии для автономного энергоснабжения конечных потребителей города Москвы.

Практическая ценность и реализация полученных результатов заключается в следующем:

1. Обоснована возможность повышения надежности электроснабжения городских потребителей за счет установки детандер-генераторных агрегатов на станциях понижения давления газа в Москве, а также создания на их основе независимой электрической сети.

2. Определении зон территориальной дифференциации детандер генераторных установок в Москве, величины их установленной мощности, электрических схем и мест подключения, а также оптимальных режимов работы.

3. Определении диапазонов электрической мощности, при которых достигаются оптимальные показатели эффективности и финансовой реализуемости установки детандер-генераторных агрегатов в Москве.

4. Определении оптимальных параметров электрической сети и условий устойчивой работы детандер-генераторной установки мощностью 630 кВт при параллельной работе с энергосистемой.

5. Создании универсальной методики расчета показателей эффективности работы детандер-генераторной установки при автономном электроснабжении конечных потребителей.

6. Результаты работы могут быть использованы при разработке новых энергоэффективных схем применительно к малой энергетике, подготовке и реализации программ по развитию и модернизации распределительных электрических сетей, а также энергосбережению и повышению энергетической эффективности в городе Москве.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций диссертационной работы обеспечены физическими обоснованными допущениями, точностью теоретических и экспериментальных исследований, тем, что экспериментальные данные подтвердили корректность разработанной методики и проверены на действующей установке в Москве. Разработанные теоретические положения основываются на фундаментальных и прикладных научных дисциплинах, сопряженных с предметом исследования диссертации.

Реализация результатов работы.

Результаты работы внедрены в Москве на ГРС «Южная» государственного унитарного предприятия «МОСГАЗ».

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Определены зоны территориальной дифференциации детандер генераторных установок в Москве с расчетом установленной электрической мощности и токов короткого замыкания, определением схем, режимов работы и мест их технологического присоединения.

2. Определены оптимальные параметры электрической сети и условия устойчивой работы детандер-генераторной установки мощностью 630 кВт при параллельной работе с энергосистемой.

3. Разработан метод оценки показателей эффективности работы детандер-генераторной установки в качестве независимого источника энергии.

4. Разработана модель получения электрической и тепловой энергий, а также энергии холода, на базе детандер-генераторной технологии для энергообеспечения конечных потребителей города Москвы.

Апробация работы. Основные положения диссертации, ее отдельные решения и результаты докладывались на заседаниях кафедры ЭПП ФГБОУ «НИУ «МЭИ» в 2010, 2011 и 2012 годах и обсуждались на ряде конференций и семинарах, в том числе:

1. V Молодежной Международной научной конференции «Тинчуринские чтения» (г. Казань, КГЭУ, 28-29 апреля 2010 г.).

2. X Совете Межреспубликанской ассоциации делового и научно технического сотрудничества газовых хозяйств (Украина, г. Киев, 11-15 мая 2010 г.).

3. XXVII конференции «Москва: проблемы и пути повышения энергоэффективности» (г. Москва, Правительство Москвы, 27-29 октября 2010 г.).

4. XV Всероссийской научно-практической конференции (с международным участием) с элементами научной школы для молодежи «Федоровские чтения – 2010» (г. Москва, МЭИ (ТУ), 16-19 ноября 2010 г.).

5. XI Совете Межреспубликанской ассоциации делового и научно технического сотрудничества газовых хозяйств, посвященного 145-летию газового хозяйства города Москвы (г. Москва, ГУП «МОСГАЗ», 29 ноября 2010 г.).

6. Конференции «Энергоаудит и энергосервис. Проблемы и решения» (г. Москва, Правительство Москвы, 20 июня 2011 г.).

7. XXVIII конференции «Москва: проблемы и пути повышения энергоэффективности» (г. Москва, Правительство Москвы, 26-28 октября 2011 г.).

8. XVI Всероссийской научно-практической конференции (с международным участием) с элементами научной школы для молодежи «Федоровские чтения - 2011» (г. Москва, МЭИ (ТУ), 9-11 ноября 2011 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, в том числе 4 в изданиях, включенных в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией при Министерстве образования и науки Российской Федерации.

Объем и структура работы. Диссертационная работа изложена на 225 страницах, включая 29 таблиц и 21 иллюстрацию. Список использованной литературы включает 141 наименование работ отечественных и зарубежных авторов. Работа состоит из введения, 4 глав, заключения и 37 приложений. Приложения представлены на 93 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и основные задачи исследования, отражена научная новизна и практическая ценность, дана общая характеристика работы.

Первая глава посвящена системному анализу надежности электроснабжения конечных потребителей города Москвы. Обозначены настоящие и перспективные проблемы в электросетевом хозяйстве мегаполиса.

С учетом специфических особенностей Московского региона обосновано внедрение в местах с высокой плотностью электропотребления независимой от общегородской сети системы энергообеспечения конечных потребителей.

В первой главе показано, что энергетический потенциал предлагаемых нетрадиционных источников энергии в масштабах города многомиллионника, при неоспоримых преимуществах солнечных и биогазовых установок, недостаточен для решения задачи по созданию условий развития и модернизации распределительных объектов электроэнергетики с диверсификацией источников и поставщиков «органической» и «зеленой» энергии, обеспечению энергетической стабильности и экологической безопасности.

На основе анализа научной литературы и патентной документации по детандер-генераторным агрегатам (ДГА) дана оценка их энергетического потенциала и масштабности внедрения в качестве источника электрической энергии в Москве.

На основании изложенного сформулированы цели и задачи исследования.

Во второй главе автором проведены исследования работы ДГА в параллельном режиме с централизованной системой электроснабжения конечных потребителей города Москвы.

При организации параллельного режима работы, с учетом топологии схемы электроснабжения Москвы, возможны три варианта присоединения к ДГА электрической нагрузки конечных потребителей, а именно через (рис.1):

- сборку среднего напряжения питающего центра электросетевой организации (т. 1);

- сборку среднего напряжения распределительной подстанции электросетевой организации (т. 2);

- сборку среднего и/или низкого напряжения трансформаторной подстанции электросетевой организации (т. 3).

Рис. 1. Варианты технологического присоединения ДГА.

Применительно к выбору мест технологического присоединения ДГА выполнен технико-экономический анализ с оценкой периода окупаемости (payback period) с использованием следующей формулы:

Зкап (1) Tок, К инф Зэксп ) (Wэл t T где: Tок - период (срок) окупаемости ДГА;

Зкап – капитальные вложения на строительство ДГА, руб.;

К инф – коэффициент инфляции в рассматриваемом периоде;

Wэл – средняя мощность, генерируемая ДГА, кВт;

t – количество часов работы ДГА, ч;

T – стоимость электрической энергии (тариф), руб./кВтч;

З эксп – эксплуатационные затраты (издержки), руб.

В результате определено, что подключение ДГА:

1. При установленной мощности N ДГА 950 кВт предпочтительнее осуществлять к сборке среднего напряжения питающего центра, распределительной подстанции электросетевой организации.

2. В диапазоне мощностей от 200 N ДГА 950 кВт – к сборке среднего напряжения распределительной или трансформаторной подстанции электросетевой организации. При этом энергоблок должен быть оснащен системой автоматики, обеспечивающей ведение нормального режима функционирования энергосилового оборудования с пульта дистанционного управления, контроль за состоянием ДГА, останов агрегата при нарушении допустимых режимов работы с одновременной аварийной сигнализацией.

Это позволит отказаться от круглосуточного дежурства обслуживающего персонала, минимизировав фонд оплаты труда с достижением срока окупаемости установки в пределах 7 лет.

3. В диапазоне мощностей от 100 N ДГА 200 кВт – к сборке низкого напряжения трансформаторной подстанции электросетевой организации.

При таком варианте присоединения к ДГА предъявляются аналогичные вышеперечисленные требования по автоматизации.

4. При мощности N ДГА 100 кВт выбор ДГА следует производить из расчета генерации электрической энергии на собственные нужды станции при минимальных затратах на подогрев газа, что достигается за счет правильного выбора ступени редуцирования, т.е. отношения P1 / P2.

В целях реализации практической значимости полученных результатов проведен анализ режимов работы (загрузки) существующих центров питания и распределительных подстанций в Москве, в т.ч. питающих и отходящих линий электропередачи, с учетом оценки перспективных электрических нагрузок, с привязкой к месту расположения конкретной станции, используя метод наложения схем электроснабжения и газоснабжения Москвы.

На основе представленного ниже выражения определены электрические мощности ДГА при их размещении на станциях понижения давления газа в Москве:

Gг Н АД (2) Nэ, ДГА Г где: G г – массовый расход газа, кгс/см ;

Н АД – перепад энтальпий при адиабатическом процессе расширения газа в ДГА, кДж/кг;

ДГА – внутренний КПД ДГА;

Г – внутренний КПД электрогенератора.

В результате определен суммарный энергетический потенциал ДГА в Москве, равный 120,648 МВт.

Проведено определение зон территориальной дифференциации детандер-генераторных установок с определением схем, режимов работы и мест технологического присоединения. Результаты исследований на примере станции ГРП-1, расположенной в Восточном административном городе Москвы представлены ниже.

Таблица Определение точек технологического присоединения ДГА на примере ГРП- Расст.

Расст.

Расч.резерв Присоед.

Наим. К-во Доп. между № Напр., Марка и между мощности на нагрузка на ПС, РП ЦП/ ток, ДГА и п/п кВ сечение ПС и 01.01.2009 г., 01.01.2021 г., (РТП) КЛ А ПС МВт МВт РП, км (РП), км ПС- 1 110/10/6 0 25,1 - - - 0,8 ПС- 2 110/10 18 10,4 - - - 3,6 ПС- 3 110/10/6 7,2 3,3 - - - 3,8 2*(АПвПнг500) 501;

0,7;

0,2;

РП- 4 10 7,4 7,2 2/3 0, АПвПнг500 450 3, 237;

СБ150;

СБ150;

0,9;

0,9;

РП- 5 6 -1,2 0 2/3 237;

1, АСБ240 5, CБ150;

237;

РП- 6 10 1,6 1,1 2/2 2,2 1,3;

2, АПвПг240 249;

РП-3519 2/2 СБг150;

СБг 7 6 1,3 0 2,2 5,8;

5, 259;

СБ120;

СБ120;

259;

0,9;

0,9;

РП- 8 6 3,8 0 1/4 2, СБ120;

СБ120 259;

1,2;

1, 2*(АСБ120);

341;

РП- 9 6 5,4 0 1/4 2,6 4,5;

4, 2*(АСБ120) ААБ2л240;

250;

РП- 10 6 1,7 0 1/2 0,8 2,6;

2, ААБ2л240 Из таблицы 1 следует, что на ПС-45 и РП-14109 резерв мощности для потребителей отсутствует. При этом РП-14109 при максимумах потребления электрической мощности работает с перегрузкой в 1,2 МВт, что может повлечь необходимость в отключении потребителей.

РП-1904 подключена к одной ячейке на ПС-45 посредством одной сдвоенной питающей кабельной линии. Следовательно, к данным объектам для покрытия дефицита мощности и повышения категории надежности электроснабжения конечных потребителей требуется подключение ДГА (рис. 2).

Рис. 2. Наложение схем электроснабжения и газоснабжения города Москвы.

В целях определения технологической возможности и комплекса мер для подключения ДГА произведен расчет токов короткого замыкания.

Результаты расчетов с использованием программного комплекса «TKZ», разработанного на кафедре «Электроснабжение промышленных предприятий» ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ» для ГРП-1 приведены ниже.

Таблица Данные о расчетных значениях тока короткого замыкания Наименование ПС (РП) Расчетный ток короткого замыкания, кА ПС-45:

- секции 10 кВ 16, - секции 6 кВ 27, РП-14109 7, РП-1904 6, В третьей главе проводится исследование режимов работы ДГА мощностью 630 кВт типа ПЭГА-БИС/600, установленных на ГРС «Южная» ГУП «МОСГАЗ» (рис. 3), с расчетом установившихся и переходных режимов при внешних возмущениях.

Рис. 3. Конструкция ПЭГА-БИС/600, установленных на ГРС «Южная» ГУП «МОСГАЗ».

Анализ статических данных по опытно-промышленной эксплуатации энергоблока на ГРС «Южная» с января 2010 по апрель 2012 годов показывает наличие систематических остановов агрегатов вследствие срабатывания системы защиты по параметру «внешняя авария». Это приводит к полному прекращению выработки электроэнергии и необходимости перезапуска агрегатов, что осуществляется в ручном режиме дежурным персоналом станции и требует значительного количества времени. При этом наносится экономический ущерб предприятию из-за недоотпуска электрической энергии.

Исследования проводились с помощью программного комплекса «Крот», разработанного на кафедре «Электроснабжение промышленных предприятий» ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ», и выполненной модели замещения электрической сети (рис. 4).

Рис. 4. Электрическая схема подключения ПЭГА-БИС/600, установленных на ГРС «Южная» ГУП «МОСГАЗ».

В результате определен оптимальный режим работы сети и положение анцапфы силового трансформатора ТРДН-63000/110/10/10 в зависимости от количества включенных в сеть генераторов.

Произведены расчеты режимов электрической системы при возникновении:

1) в сети 110 кВ – трехфазного, междуфазного, двухфазного и однофазного замыканий на землю;

2) в сети 10 кВ – трехфазного и междуфазного коротких замыканий.

Наиболее неблагоприятным технологическим нарушением во внешней сети 110 кВ для генератора или группы генераторов на ГРС «Южная» является трехфазное к.з., при котором происходит существенное снижение напряжения на секции РП-20028 (U35) до значений равных 0,05-0,19 о.е.

(табл. 3).

Таблица Расчетные данные по токам и напряжению трехфазного короткого замыкания в узлах нагрузки при различных режимах работы генераторов Количество синхронных генераторов Номер узла 4 3 2 нагрузки Iк, кА U35, кВ Iк, кА U35, кВ Iк, кА U35, кВ Iк, кА U35, кВ 2 20.1099 1.895 20.0938 1.464 20.0764 1.006 20.0576 0. 11 11.2693 6.698 11.2328 6.504 11.1940 6.304 11.1527 6. 14 11.9760 1.496 11.7633 1.137 11.5413 0.767 11.3105 0. 26 7.4571 0.688 7.2095 0.517 6.9631 0.345 6.7184 0. 29 6.7893 0.482 6.5512 0.361 6.3067 0.240 6.0655 0. 32 6.4189 0.345 6.1726 0.258 5.9299 0.172 5.6911 0. Максимальное значение тока трехфазного к.з. в начальный момент времени при работе группы из четырех генераторов составляет 20,1 кА.

За время срабатывания выключателя и отключения тока к.з. его величина снизится незначительно (рис.5).

Рис. 5. Кривая изменения тока трехфазного короткого замыкания на шинах 110 кВ.

Ввиду отсутствия данных о времени отключения к.з. в сети 110 и 10 кВ, определено критическое время, в течение которого устойчивость генератора нарушится и он выпадет из синхронизма. В качестве исходных параметров приняты полученные расчеты установившихся и переходных режимов сети.

Критерием оценки выпадения из синхронизма генератора является приближение значения угла к с последующим изменением знака (рис.6).

Рис. 6. Изменение режима работы генератора с переходом на асинхронный ход:

а) изменение положения ротора (вектора ЭДС) при качаниях и асинхронном ходе;

б) изменение мощности от угла ;

в) изменение мощности от времени t.

Минимальное время перехода на асинхронный ход составляет 594 мс в режиме работы одного генератора при трехфазном к.з. (табл.4).

Таблица Расчетные данные в узлах нагрузки по напряжению и времени перехода на асинхронный ход при различных режимах работы генераторов Количество синхронных генераторов Номер узла 4 3 2 нагрузки t, мс U35, кВ t, мс U35, кВ t, мс U35, кВ t, мс U35, кВ 2 642 0.186 630 0.139 616 0.093 604 0. 14 644 0.124 630 0.095 617 0.064 604 0. 26 616 0.057 609 0.043 603 0.029 597 0. 29 608 0.040 604 0.030 599 0.029 595 0. 32 604 0.029 600 0.022 597 0.015 594 0. При этом выбег частоты генератора при длительности время к.з. в 644 мс составляет 1.0255 о.е. или 3077 об/мин.

На основе полученных результатов ниже представлена зависимость изменения времени перехода на асинхронных ход при различных режимах работы генераторов от места возникновения трехфазного к.з.

Рис.7. Зависимость изменения времени перехода на асинхронных ход при различных режимах работы генераторов от места возникновения трехфазного к.з.

В процессе исследований режимов работы ПЭГА-БИС/600 на ГРС «Южная» установлено, что срабатывание системы автоматики при понижении напряжения на шинах РП-20028 свыше 0,85 о.е. происходит без выдержки времени. При этом такое снижение напряжения возможно при междуфазном к.з., когда критическое время выпадения генератора из синхронной работы составляет более 2 с.

Следовательно, в целях повышения устойчивости работы энергоблока на ГРС «Южная» и сокращения количества остановов агрегатов при внешних технологических нарушениях в сети 110 и 10 кВ обосновано выполнение мероприятий по модернизации существующей системы автоматики с корректировкой выдержки времени и повышением точности срабатывания при снижении напряжения на шинах РП-20028. Результаты исследований позволяют в зависимости от места и вида к.з. в системе электроснабжения 110 и 10 кВ получить время выхода из синхронной работы с сетью генератора или группы генераторов, что необходимо для корректной настройки уставки времени срабатывания защиты.

Четвертая глава посвящена разработке методов повышения показателей энергетической эффективности ДГА при работе в качестве независимого источника электрической энергии.

Анализ представленных на рисунке 8 зависимостей позволяет сделать вывод о неоднородности потребления электрической энергии и генерации электрической мощности с использованием детандер-генераторной технологии на станциях понижения давления газа в течение года.

Рис. 8. Изменение электрической нагрузки РП-20028 и подключенного к ней энергоблока ПЭГА-БИС/600 на ГРС «Южная» ГУП «МОСГАЗ», приведенное к максимуму нагрузки Т.е. при PГЕН. PПОТР. для обеспечения электроснабжения требуется дополнительный источник энергии, например, ГПУ или ГТУ. Возможен вариант выбора номинальной мощности ДГА и подключения потребителей, исходя из условия минимального гарантированного производства электрической энергии. При этом либо заведомо снижается эффективность использования исследуемой технологии, либо увеличиваются сроки окупаемости установки. В обоих случаях, эксплуатация ДГА в качестве основного и/или резервного источника электрической энергии становится нерентабельной.

В целях оценки максимального энергетического эффекта от использования детандер-генераторной технологии (ДГТ) для конечных потребителей и определения электрической мощности ГПУ (ГТУ) при совместном режиме работе предложен коэффициент использования ДГТ, равный:

(3) N ДГА N ВХ N ХОЛ, ИПД H ДГА H U G ПГ GTM 1 G ВЫХ TM HU где: N ВХ – приращение электрической мощности ДГА за счет подогрева газа на входе;

N ХОЛ – приращение электрической мощности ДГА за счет подогрева газа на выходе;

H U – теплотворная способность природного газа;

GTM – адиабатическая работа ДГА;

GТМ – относительный отбор газа для H ДГА GПГ работы тепловой машины;

– коэффициент полезного действия тепловой ТМ GВЫХ машины;

GВЫХ – относительный отбор газа на его подогрев на выходе GПГ из ДГА;

G ВЫХ – расход газа на его подогрев после ДГА.

Из представленного выражения (3) следует, что при равенстве в нем нулю мощности N ХОЛ коэффициент использования ДГТ стремится к единице.

Следовательно, электрическая мощность источника энергии может быть выбрана по выражению для расхода газа ГПУ (ГТУ), а именно:

cP GПГ Т (4) GTM H U 1 TM В случае использования в качестве тепловой машины ГПУ необходимо знаменатель в этой формуле умножить на 0.7, что обусловлено значительным уносом тепла системой охлаждения двигателя.

Для выбора оптимального режима работы ДГА получены LХ аналитические выражения ) и изменение параметра от f( ИПД ИПД L ДГА величины (рис. 9).

LX LХ L ДГА LX 1.

Рис. 9. Зависимость f (Lx ) при различных значениях отношений давлений газа.

ИПД На основе полученных выводов автором предложена схема энергоутилизационного комплекса по выработке электрической и тепловой энергий, а также энергии холода, основанная на тригенерационной технологии с использованием ДГА (рис. 10).

Рис. 10. Принципиальная схема энергоутилизационного комплекса на базе ДГА.

При работе энергоутилизационного комплекса газ от подводящего газопровода под давлением 1,2 (0,6;

0,3) МПа при температуре t=0-5 0С после системы очистки поступает в коллектор станции (1) и одновременно подводится к коллектору кожухо-трубчатого теплообменного аппарата (2).

В результате работы ГПУ (ГТУ) (7) на природном газе с давлением 0,6 (0,3;

0,1) МПа, вырабатывается электрическая энергия, передаваемая конкретному конечному потребителю и/или группе потребителей. При этом от сжигания газа образуются продукты сгорания высокой температуры 300-500 0С, посредством которых в водогрейном котле-утилизаторе (6) осуществляется нагрев теплоносителя (например, воды) до температуры, необходимой для подогрева газа. Затем теплоноситель передается в теплообменный аппарат (2), установленный перед входом в турбину ДГА (3), где происходит нагрев газа. При подаче газа в ДГА после его подогрева ротор турбины приводится во вращение газодинамическими силами. Ротор турбины жестко связан с ротором генератора (8), который также начинает вращаться, вырабатывая электрическую энергию.

При проходе газа через турбину ДГА в сопловом и лопаточном аппарате происходит его расширение со снижением температуры газа на 25-45 0С в зависимости от соотношения входного и выходного давлений.

Поток охлажденного газа ометает поверхность стенок генератора ДГА, чем обеспечивается его охлаждение. Затем газ поступает в коллектор низкого давления, к которому с помощью трубопровода присоединяется блок отбора холода (4). В этом блоке газ отдает холод хладагенту с помощью теплообменного аппарата. При этом сам газ нагревается и при допустимой температуре отводится в трубопровод для его подачи потребителям, а охлажденный промежуточный хладоагент с помощью насосов подается к воздухоохладителям холодильника (5), где он нагревается и принудительно возвращается в блок отбора холода (4), в котором он вновь охлаждается и т.д.

В случае если предусматривается длительный цикл работу ГПУ или ГТУ с целью обеспечения постоянного графика выработки электроэнергии, часть тепловой энергии, образовавшейся в результате утилизации отработавших газов, может быть использована для теплоснабжения собственных нужд станции и/или сторонних потребителей. Кроме того, возможно использование тепловой энергии, которая образуется в рубашке охлаждения тепловой машины, что также повышает эффективность энергосиловой установки.

Данная тригенерационная схема позволяет использовать ДГА в качестве независимого источника электрической энергии с максимальным эффектом от использования детандер-генераторной технологии. В режиме недостаточной генерации электроэнергии ДГА вводятся в работу ГПУ (ГТУ), и, наоборот, при отсутствии потребления электрической нагрузки ГПУ (ГТУ) отключаются.

Следует отметить, что представленная выше математическая модель позволяет определить оптимальный режим работы энергоустановки при известных значениях параметров газа, электрической и холодильной нагрузки, осуществить правильный выбор установленной мощности ГПУ (ГТУ) и энергохолодильного комплекса, обеспечить их равномерную загрузку.

С позиции бесперебойного электроснабжения конечных потребителей электрическая схема представляет собой два независимых взаимно резервирующих источника питания, т.е. при наличии АВР в распределительной подстанции гарантировано обеспечивается I категория надежности.

Разработанная тригенерационная схема на базе ДГА является инновационной при производстве электрической и тепловой энергий, а также энергии холода, обладает высокой энергоэффективностью и обеспечивает:

– гарантированный объем генерации электрической мощности в течение года;

– необходимый уровень резервирования в системе электроснабжения;

– возможность одновременного производства трех видов энергии;

– инвестиционную привлекательность проекта внедрения детандер генераторной технологии на станциях понижения давления газа в Москве;

– создание конкурентных условий на рынке электроэнергии за счет низкой себестоимости 1 кВтч.

В настоящее время автором на основании полученных результатов исследований подана заявка в Федеральную службу по интеллектуальной собственности на выдачу патента на полезную модель «Система утилизации избыточного давления природного газа» (регистрационный номер № 2012105459 от 17.02.2012), которая прошла 28.04.2012 г. государственную экспертизу с принятием положительного решения о выдаче патента.

В заключении сформулированы основные научные результаты работы, рекомендации по их применению.

В приложении приведены данные о полученных расчетах, выводы аналитических зависимостей, а также сведения о внедрении результатов работы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Диссертация представляет собой законченную научно квалификационную работу, в которой поставлена и решена актуальная задача по обоснованию рациональных параметров детандер-генераторных агрегатов, комплексно учитывающую специфические особенности Московского региона, для обеспечения повышения надежности и качества энергоснабжения конечных потребителей.

На основании выполненных автором исследований получены следующие научные и практические результаты:

1. Раскрыты и систематизированы проблемы надежности электроснабжения конечных потребителей на основе комплексного анализа электрической сети города Москвы с определением путей ее развития и модернизации.

2. Обоснована возможность повышения надежности электроснабжения конечных потребителей за счет установки детандер-генераторных агрегатов, а также создания на их основе в отдельных районах города Москвы с высокой плотностью электропотребления независимой от общегородской сети системы энергообеспечения конечных потребителей.

3. Определены зоны территориальной дифференциации детандер генераторных установок в Москве с расчетом установленной электрической мощности и токов короткого замыкания, определением схем, режимов работы и мест технологического присоединения.

4. Получены диапазоны электрической мощности для определения схемы технологического присоединения детандер-генераторных агрегатов, при которой достигаются оптимальные показатели эффективности и финансовой реализуемости их установки на станциях понижения давления газа в Москве.

5. На основе исследований установившихся и переходных режимов системы электроснабжения ГРС «Южная» ГУП «МОСГАЗ» определены оптимальные параметры электрической сети, установлены условия устойчивой работы детандер-генераторных агрегатов мощностью 630 кВт, разработаны рекомендации по поддержанию их синхронной работы с сетью при внешних возмущениях.

6. Предложена математическая модель оценки эффективности детандер-генераторной технологии, позволяющая рассчитать электрические параметры детандер-генераторных агрегатов и газопоршневой (газотурбинной) установки, а также холодильной машины в режиме тригенерации.

7. Создана универсальная методика расчета показателей эффективности работы детандер-генераторной установки при автономном электроснабжении конечных потребителей.

8. Разработана полезная модель получения электрической и тепловой энергий, а также энергии холода, на базе детандер-генераторной технологии для энергообеспечения конечных потребителей города Москвы.

Основное содержание работы

отражено в следующих публикациях:

1. Кожиченков, В.С. Оценка потенциальных возможностей развития солнечной энергетики в Московском регионе [Текст] / В.С. Кожиченков, Г.Г. Гасангаджиев, А.Б. Васильев // Русский инженер. – 2011. – № 4 (31). – С. 50-51. – Библиогр.: с. 51.

2. Кудрин, Б.И. Технологические проблемы функционирования и правовые основы регулирования постреформированной Московской энергосистемы [Текст] / Б.И. Кудрин, В.С. Кожиченков // Электрика. – 2010. –№ 9. – С. 11-15. – Библиогр.: с. 15.

3. Кудрин, Б.И. Новые тенденции в тригенерационных технологиях [Текст] : Сборник материалов IX-ой международной научно-практической интернет-конференции «Энерго- и ресурсосбережение - XXI век» / Б.И. Кудрин, В.С. Кожиченков;

под ред. В.А. Голенкова, А.Н. Качанова, Ю.С. Степанова. – Орел: ООО ПФ «Картуш», 2011. – С. 73. – Библиогр: с. 73.

4. Кожиченков, В.С. Повышение энергоэффективности тригенерационной технологии [Текст] / В.С. Кожиченков // Безопасность труда в промышленности. 2012. № 4. – С. 15-17. – Библиогр.: с. 17.

5. Кожиченков, В.С. Оценка потенциала развития ветроэнергети ческих установок в Москве [Текст] / В.С. Кожиченков // Русский инженер. – 2012. – № 4 (31). – С. 50-51. – Библиогр.: с. 51.

6. Кожиченков, В.С. Оценка потенциала и определение пути эффективного внедрения детандер-генераторной технологии в Москве [Текст] / В.С. Кожиченков // Управление качеством в нефтегазовом комплексе. – 2012. – № 1-2012. – С. 53-55. – Библиогр.: с. 55.

7. Кожиченков, В.С. Законы сохранения энергии [Текст] / В.С. Кожиченков // Энергоэффективность и энергосбережение. – 2012. – № 5/(12). – С. 57. – Библиогр.: с. 57.