Концепция развития регионального комплекса электроснабжения потребителей (на примере белгородской области)
На правах рукописи
КУЧИН ПАВЕЛ ГЕННАДЬЕВИЧ КОНЦЕПЦИЯ РАЗВИТИЯ РЕГИОНАЛЬНОГО КОМПЛЕКСА ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ (НА ПРИМЕРЕ БЕЛГОРОДСКОЙ ОБЛАСТИ) Специальность 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Москва – 2013 г.
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 «Электрооборудование и автоматика промышленных предприятий» филиала Уфимского государственного нефтяного технического университета в г.
Салавате, доктор технических наук, профессор Баширов Мусса Гумерович Главный специалист электротехнического отдела ОАО «Гипротрубопровод», кандидат технических наук Жичкин Сергей Владимирович Ведущее предприятие: ООО «ПромЭнергоСбыт», 301650, Тульская область, г. Новомосковск, ул. Калинина,
Защита состоится 31 мая 2013 года в аудитории М-611 в 16 ч. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.157.02 при ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ» по адресу: 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, 13.
Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу: 111250, г. Москва, ул.
Красноказарменная, д. 14, Ученый Совет ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ».
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ».
Автореферат разослан «30» апреля 2013 г.
Ученый секретарь Диссертационного совета Д 212.157. к.т.н., доцент Цырук С.А.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Энергетическая Стратегия РФ до 2030 г. ставит цель максимально эффективного использования природных энергетических ресурсов и потенциала энергетического сектора для устойчивого роста экономики, повышения качества жизни населения страны. Сейчас около половины регионов страны являются энергодефицитными. В 2011 году из региона рейтинга энергодостаточности «РИА Рейтинг», 51 являлся энергодефицитным и только 20 регионов производили электроэнергию не только для себя, но и для других областей, ввиду наличия на их территории крупных ГРЭС, ГЭС и АЭС. Энергодефицитность, ограничения на подключение потребителей к сетям являются значительными факторами, лимитирующими рост экономики. Стратегия в числе мер государственной энергетической политики указывает создание благоприятной экономической среды. В том числе стимулирование и создание условий для внедрения экологически чистых энергоэффективных и ресурсосберегающих технологий, расширения производства электрической и тепловой энергии на основе возобновляемых источников энергии, диверсификацию топливно энергетического баланса страны, повышение уровня энергетической безопасности и надежности энергоснабжения за счет увеличения уровня его децентрализации.
Целью региональной энергетической политики, согласно Стратегии, является создание устойчивой и способной к саморегулированию системы обеспечения региональной энергетической безопасности с учетом оптимизации территориальной структуры производства и потребления топливно энергетических ресурсов. Проведение региональной энергетической политики на территории России, должно учитывать специфику регионов страны, различные природно-климатические и социально-экономические условия.
Среди проблем региональных энергетических комплексов выделяется значительный уровень диспропорций между обеспеченностью регионов энергоресурсами и структурой их потребления, недостаточное развитие малой энергетики и низкая вовлеченность в энергобалансы местных источников энергии регионального и локального значения.
В связи с этим является актуальным вопрос оценки потенциала выработки энергии на основе местных нетрадиционных и возобновляемых источников с учетом инфраструктурных, производственно-экономических и географических особенностей каждого региона. Для повышения надежности электроснабжения потребителей, энергосбережения и диверсификации энергетических ресурсов, целесообразно провести ревизию производственных процессов хозяйствующих субъектов в регионе на предмет наличия потенциала выработки электроэнергии с учетом современного уровня инноваций и развития технологий. Вовлечение потребителей электроэнергии в процесс применения возобновляемых и вторичных энергоресурсов для полного или частичного обеспечения своих потребностей является общемировым трендом.
Цель работы. Разработка инновационной методики обеспечения надежного электроснабжения, в том числе жителей и бизнеса в малых населенных пунктах, посредством модернизации существующих технологических циклов потребителей и внедрения источников энергии на местных и возобновляемых ресурсах.
В соответствии с поставленной целью в диссертационной работе сформулированы и последовательно решены следующие задачи:
1. Анализ изменения электропотребления региона и прогноз на среднесрочную перспективу;
Определение структуры распределенных собственных источников 2.
электроэнергии в населенных пунктах региона, отвечающей потребностям существующей структуры электропотребления;
Выявление потенциальных точек роста выработки электроэнергии на 3.
территории региона, с повышением эффективности использования первичных ресурсов, использованием местных возобновляемых и невозобновляемых природных ресурсов, и традиционных производственных циклов предприятий и организаций (вторичные источники и когенерация);
Формирование критерия целесообразности автономной и 4.
параллельной с сетью работы электротехнических комплексов потребителей;
Разработка методов повышения энергоэффективности и 5.
энергобезопасности электротехнического комплекса региона, и достижение целевых показателей Энергетической Стратегии 2030 по возобновляемым источникам (4,5% отвеличины электропотребления должно вырабатываться на основе ВИЭ).
Методы исследования включают в себя методы прогнозирования временных рядов, ценологический подход к системам, состоящим из элементов со слабыми взаимными связями, структурно-топологический анализ сложных систем во времени, методы расчета энергетических балансов и объема выработки электроэнергии, применительно к существующим в регионе технологическим цепочками предлагаемым направлениям их модернизации.
Научная новизна работы состоит в разработке инновационной методики полной электрификации отдельных регионов Российской Федерации (на примере Белгородской области) на основе предлагаемых электротехнических комплексов генерации и электрических сетей, обеспечивающих бесперебойное электроснабжение от традиционных и возобновляемых источников энергии для конечных потребителей в каждом населенном пункте.
Теоретическая значимость работы заключается в универсальности разработанной методики построения региональной системы электроснабжения на основе собственных источников электроэнергии в составе электротехнических комплексов потребителей, согласованных со структурой электропотребления для любого региона России.
Практическая значимость работы состоит в применении разработанной методики к системе электроснабжения потребителей одного из наиболее энергодефицитных регионов России, Белгородской области, с учетом инфраструктурных, производственно-экономических и географических особенностей. Применение результатов работы позволит создать ориентированную на потребителя структуру систем электроснабжения всех регионов, повысить уровень диверсификации первичных энергоресурсов и национальной энергетической безопасности.
Степень достоверности. Достоверность исследования обеспечивается корректным применением научных методов, расчетов, сбором информации из достоверных и компетентных источников, обоснованностью принимаемых допущений, сопоставимостью результатов и выводов с существующими научными положениями.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Структурно-топологический анализ региона и прогноз электропотребления Белгородской области на среднесрочную перспективу;
2. Сформированы предложения по построению структуры региональной системы электроснабжения на основе параллельной с сетью и автономной работы собственных генерирующих мощностей потребителей в населенных пунктах в соответствии с существующей структурой электропотребления;
3. Выявлены факторы роста выработки электроэнергии в регионе и произведены расчеты объемов дополнительной генерации с применением малой распределенной генерации за счет предлагаемых преобразований региональной системы электроснабжения, основой которых являются когенерационные, биогазовые установки, возобновляемые и вторичные источники энергии в составе электроустановок потребителей;
4. Предложен критерий оценки целесообразности автономного и параллельного с сетью электроснабжения потребителей и выбраны схемы присоединения источников;
5. Принципы повышения энергобезопасности и энергоэффективности электротехнического комплекса региона, сформулированные в работе, позволяют повысить категорию по надежности электроснабжения потребителей в малых поселениях с III на I и II за счет собственного независимого источника, эффективность потребления топлива на мини-ТЭЦ региона – в 1,5 раза по сравнению с раздельной схемой энергоснабжения, включающей котельные и конденсационные электростанции. Применение универсальной методики развития регионального комплекса электроснабжения на основе собственных источников потребителей обеспечивает достижение целевых показателей Энергетической стратегии 2030, и увеличение выработки электроэнергии в Белгородской области за счет нетрадиционных и возобновляемых источников в 2 раза.
Апробация. Основные положения диссертации, ее отдельные решения и результаты докладывались и обсуждались на ряде конференций и семинаров, в том числе: XL всероссийская научно-практическая конференция (с международным участием) с элементами научной школы для молодежи Федоровские чтения, 16-19 ноября 2010 г., Москва;
Семнадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов РАДИОЭЛЕКТРОНИКА, ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭНЕРГЕТИКА, 24 – февраля 2011 г., Москва;
Всероссийский конкурс научно-исследовательских работ студентов, аспирантов и молодых учных по нескольким междисциплинарным направлениям «ЭВРИКА-2011», октябрь-ноябрь 2011 г., Новочеркасск;
Девятнадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов РАДИОЭЛЕКТРОНИКА, ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭНЕРГЕТИКА, 28 февраля – 1 марта 2013 г., Москва;
X Международной научно-практической интернет-конференции "Энерго- и ресурсосбережение -XXI век" (Орел, 2012), на научных семинарах кафедры «Электроснабжения промышленных предприятий» НИУ «МЭИ».
Публикации. По теме диссертационной работы опубликованы печатных работ, в том числе 1 – в издании, рекомендованном ВАК РФ для публикации основных результатов диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук.
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на страницах, включая 39 таблиц и 19 иллюстраций. Список использованной литературы включает 93 наименования работ отечественных и зарубежных авторов. Работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы и 14 приложений. Приложения представлены на 37 страницах.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обосновывается актуальность работы, сформулированы цели и задачи диссертации, расставленыприоритеты в решении поставленных задач, охарактеризована степень проработанности темы исследования, показана научная новизна работы, ее теоретическая значимость и практическая ценность.
В первой главе указаны проблемы региональных комплексов электроснабжения потребителей, касающиеся обеспеченности отдельных населенных пунктов электроэнергией и доступности ресурсов централизованной сетевой инфраструктуры для потребителей;
дан обзор развития местных и возобновляемых источников для электроснабжения потребителей в мире, показано, что методы повышения энергобезопасности различных государств характеризуются развитием местной генерации;
приведена экономическая и географическая характеристика Белгородской области.
Сооружение крупных электростанций в городах, районных ГРЭС, ЛЭП 110, 220 кВ и выше не решает проблемы электроснабжения миллионов домохозяйств в регионах. Протяженные сети 6 (10) кВ к малым населенным пунктам требуют больших затрат на ввод в эксплуатацию, обслуживание и ремонт, которые не могут окупаться из-за малых объемов потребления, и не обеспечивают должный уровень качества и надежности электроснабжения потребителей. Рост цен на электроэнергию для потребителя в значительной степени обусловлен сетевой составляющей. Цена электроэнергии для конечного потребителя в России состоит на 37% из генерирующей составляющей, и на 63% из сетевой (и сбытовой). Необходимо сместить акцент на развитие местной генерации, чтобы снизить сетевую составляющую в тарифе. В структуре тарифов на электроэнергию для потребителей в развитых странах доли генерирующей и сетевой составляющей остаются неизменными на протяжении десятилетий, 67-68% - генерация, 32-33% - сети. Подобное соотношение (65%/35%) указывается в Энергетической Стратегии России в качестве целевого ориентира.
Белгородская область является одним из наиболее энергодефицитных регионов. Это характеризует в том числе тот факт, что 10 областных электростанций расположены в 8 городах и поселках, а всего в регионе населенных пункта, кроме того 69 сел в графе «без населения». С другой стороны, экономика области является одной из лидирующих в сельском хозяйстве страны, здесь имеет огромный потенциал инновационное развитие био-энергетики. Географическое положение региона на юге Центрального федерального округа предполагает обилие солнца. Высок уровень газификации территории. Это позволяет говорить о возможности дополнительной выработки электроэнергии турбодетандерами на газораспределительных пунктах при понижении давления газа, и газопоршневыми (газотурбинными) установками на объектах, где необходим собственный источник электроэнергии и тепла (больницы, перинатальные центры, крупные торговые центры и др.).
Котельные области, в настоящее время потребляющие электроэнергию на собственные нужды в процессе работы, работают на газе. Это позволяет активно развивать потенциал теплофикационных схем с комбинированной выработкой электрической и тепловой энергии.
Во второй главе рассмотрен математический аппарат методов прогнозирования временных рядов. Метод Холта основан на оценке коэффициента bt при независимой переменной времени, который находится как экспоненциально взвешенное среднее разностей между текущими экспоненциально взвешенными средними значениями процесса ut и их предыдущими значениями ut-1. Особенностью метода является вычисление текущего значения экспоненциально взвешенного среднего ut, которое включает в себя вычисление предыдущего коэффициента при независимой переменной. Так происходит адаптация нового коэффициента к предыдущему значению линейного тренда. Уравнения метода Холта:
(1) (2) Параметры B и A могут принимать значения от 0 до 1, однако их рекомендуется брать равными 0,1 и 0,01 соответственно, dt – фактическое значение прогнозируемой величины в момент времени t. Прогноз значений с использованием коэффициентов, полученных в (1),(2), выполняется по следующей формуле:
(3), Достоинство метода – адаптация к предыдущему значению коэффициента при независимой переменной. Недостаток – необходимость задания (подбора) двух параметров.
Метод адаптивного сглаживания Брауна для линейно-аддитивного тренда предлагает следующую оценку по взвешенному методу наименьших квадратов:
(4), где (5), (6), (7).
Достоинства: идея метода – минимизировать взвешенную сумму квадратов ошибок прогноза;
метод однопараметричен: задает коэффициент дисконтирования, аналогичный параметрам 1- в других методах;
коэффициенты модели прогноза оцениваются совместно, что уменьшает автокорреляцию;
простота вычислений. Недостаток: запаздывание изменения тренда может повысить ошибку, если в последних фактических значениях происходит изменение тренда.
Линейная регрессия задает прямую линию, описывающую процесс, который предстоит прогнозировать. Линия подбирается таким образом, чтобы разброс наблюдений по обе стороны от нее был наименьшим. После этого прямая продлевается на прогнозируемый отрезок времени (экстраполируется).
Такая прямая задается уравнением:
(8), где – выровненное значение yt, соответствующее моменту времени t;
a, b– константы, при которых сумма квадратов отклонений фактических значений yt от выровненных t минимальна, т.е. (yt- t)2. Коэффициент b, определяющий угол наклона прямой, называют коэффициентом регрессии, a – свободный коэффициент, характеризует точку пересечения линии с осью ординат.
Значения коэффициентов вычисляются следующим образом:
(9) (10).
На практике удобно находить коэффициенты уравнения линейной регрессии и строить график по заданным значениям посредством стандартной функции MS Excel.
Ценологический подход к прогнозированию базируется на ранговом анализе. Региону присваивается рангв общем рейтинге регионов России по электропотреблению в зависимости от значения параметра ранжирования.
Расчетное значение ранга может быть получено из формулы:
(11) где rрасч – расчетное значение ранга точки;
W0 – теоретическое значение первой точки распределения по электропотреблению (коэффициент экспоненциальной функции, описывающей распределение);
Wrфакт – фактическое значение электропотребления точки (региона) с фактическим рангом rфакт;
– степенной показатель, характеризующий распределение.
Рассчитываются значения rрасч, за последний год, когда известны величины электропотребления регионов. Принимается допущение, что rрасч, остаются неизменными на интервале прогнозирования, и выполняется прогноз величины W0. По прогнозному значению W0 получают прогнозное значение Wr.
В третьей главе выполняется прогноз электропотребления Белгородской области по известным значениям этой величины за 2002 – 2011 гг. (см. Таблица 1) методами, рассмотренными во второй главе.
Рассмотрим более подробно ценологический подход к прогнозированию, включающий ранговый анализ. Построение ряда рейтингов по годам друг за другом позволяет получить некоторую «поверхность», по которой «перемещаются» регионы в зависимости от года и ранга. Такое представление распределений (рейтингов) называется структурно-топологической динамикой (СТД) регионов. Проследим изменение фактического и расчетного ранга Белгородской области в рейтинге (см. Рисунок 1, Таблица 2). Расчетное значение ранга фиксируем на уровне 2011 г. для всего интервала прогноза (см.Таблица 3). Выполнив прогноз W0 методом линейной регрессии, рассчитываем прогнозную величину электропотребления Белгородской области WБелг.
Таблица 1. Значения электропотребления Белгородской области по годам, млн. кВтч.
2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 11232,6 11662,5 11836,6 11952,7 13618,2 14261,2 14071,9 13344 14393,2 15114, Нами получены результаты прогнозирования электропотребления региона по четырем методикам. Приведем их значения (Таблица 4) для анализа и выбора среди них оптимального. Отметим, что является горизонтом прогнозирования в годах – 1, 2 и т.д., t – значение года (2012 - 2015). Из полученных результатов (см. Таблица 4, Рисунок 2) воспользуемся результатом, полученным методом линейной регрессии.
Рисунок 1. Графическое представление изменения ранга регионов на поверхности СТД.
Таблица 2. Анализ поведения точки «Белгородская область» на поверхности СТД ряда рейтингов регионов.
Год 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 Фактический ранг 22 22 22 19 20 20 20 20 Расчетный ранг 17,1888 17,8865 17,3358 16,5127 15,6681 16,1897 16,3151 15,8684 15, WБелг, млрд кВтч 11,7 11,8 12,0 13,6 14,3 14,1 13,3 14,4 15, W0, млрд кВтч 311,53 245,21 338,46 281,05 382,12 377,86 347,04 359,4 369, W1, млрд кВтч 79,4 82,6 87,9 91,7 93,4 96,8 93,1 99,1 96, 1,1550 1,0520 1,1720 1,0800 1,1950 1,1810 1,1670 1,1640 1, Таблица 3. Прогнозные значения электропотребления Белгородской области Год 2012 2013 2014 Фактический ранг 20 20 20 Расчетный ранг 15,5190 15,5190 15,5190 15, WБелг, млрд кВтч 16,0 16,4 16,7 17, W0, млрд кВтч 391,8 400,4 408,9 417, 1,1660 1,1660 1,1660 1, Таблица 4. Сравнение результатов методов прогнозирования.
Электропотребление по годам, млн. кВтч № Наименование Общий вид и п/п метода полученное уравнение 2011 2012 2013 2014 Метод Холта 1 ft = ut+b;
15115 14718 14854 14991 ft =14580 + 136, Стандартное 415, отклонение Метод адаптивного ft = ut+ b;
15115 14758 14986 15215 сглаживания Брауна ft =14529 + 228, Стандартное 858, отклонение Линейная регрессия t = a + bt;
15115 15405 15817 16229 t =-813338 + 411,9t Стандартное 706, отклонение Ценологический 1t = a + bt;
подход ;
1t = -22,73*106 + 15115 16016 16365 16714 11492t;
rрасч = 15,5190;
= 1, Стандартное отклонение Такое решение принимаем, потому что модель прогноза при ценологическом подходе получается, в данном случае, с заведомо меньшей точностью, ввиду большого количества вычислений и наличия множества трендов (расчетный ранг, теоретическая первая точка, степенной показатель ).
Модели по методу Холта и Брауна значительно скорректированы падением 2007-2009 гг. в сторону снижения электропотребления на 2012 год. Модель линейной регрессии более точно, чем другие, отражает предполагаемое поведение функции электропотребления. Прогнозное значение электропотребления Белгородской области в 2015 г. – 16 641 млн. кВтч.
Далее производится сравнение структуры населенных пунктов и структуры источников региона. Приходим к выводу, что источников электроэнергии на территории Белгородской области недостаточно ( станций), по сравнению с количеством населенных пунктов (1534 городов, поселков, сел и деревень). Необходимо внедрять источники малой мощности, особенно для малых поселений, поскольку города обеспечены электроэнергией от ТЭЦ и резервируемых подстанций, а в сельской местности электроснабжение осуществляется посредством одноцепных линий электропередач.
Рисунок 2. Сравнение результатов прогнозирования электропотребления Белгородской области.
Рассмотрим для малых населенных пунктов критерий целесообразности автономной или параллельной с сетью работы собственных источников электроэнергии. Важнейшими показателями при этом являются: расстояние от ближайшей существующей подстанции или распределительного пункта с выводами напряжения номиналом 6(10) кВ, мощность нагрузки на конце линии. Снижение напряжения в сетях 6-20 кВ не должно быть более 6%, чтобы для потребителей на напряжении 0,4 кВ отклонения напряжения не выходили за пределы допустимых. Упрощенно был рассмотрен случай тупиковой линии с одним потребителем (трансформатором 6(10)/0,4) на конце, и напряжением в начале линии 1,1Uном. Белгородская область относится к III группе районов по гололеду, поэтому провода марки А должны выбираться сечением не менее мм2, провода из термообработанного сплава алюминия - не менее 50 мм (наиболее распространенные – марки СИП), согласно ПУЭ. При реконструкции важным условием возврата инвестиций является нагрузка линии, близкая к номинальной. При номинальных значениях нагрузки предельные расстояния передачи для проводов с минимально допустимыми сечениями на напряжении 6 кВ составляют 3,3 км и 5 км для марок СИП и А, соответственно. Для напряжения 10 кВ – 5,4 км, 8,4 км. Для автономной и параллельной с сетью работы собственных источников электроэнергии у потребителей были выбраны схемы подключения (см. Рисунок 3).
Рисунок 3. Схемы подключения собственных источников электроэнергии у потребителей.
В четвертой главе рассчитан потенциал ввода новых мощностей и выработки электроэнергии в регионе для различных типов традиционных и нетрадиционных источников энергии, встраиваемых в сложившиеся традиционные технологические циклы потребителей региона.
Когенерационные установки в котельных. По обработанной автором статистике на территории Белгородской области работает 611 котельных общей установленной тепловой мощностью 3440 Гкал/ч, с тепловым потреблением 2338 Гкал/ч. Часть тепловой мощности котельных (25%) расходуется на нужды горячего водоснабжения (ГВС). Потребление тепла на ГВС достаточно стабильно в течение года. Время использования установленной мощности для ГВС составляет 5000 ч в год. Предлагается применение на котельных области комбинированных установок в объеме выработки тепла на ГВС.
Газопоршневые агрегаты (ГПА) с электрическим генератором и утилизационным теплообменником вырабатывают электрическую и тепловую мощность в соотношении 1/1 (МВт). С учетом указанных факторов и переводом тепловой мощности котельных в МВт (1 Гкал/ч = 1,163 МВт) установленная электрическая мощность котельных, модернизированных до мини-ТЭЦ, составит:
Валовую расчетную выработку электроэнергии на мини-ТЭЦ получим следующим образом:
Выбор агрегатов из стандартного ряда номинальных мощностей производился с учетом того, что установленная мощность в каждой из котельных превышает мощность потребления с запасом не менее, чем на 10%.
Суммарная установленная электрическая мощность мини-ТЭЦ после выбора агрегатов составила 877,2 МВт, выработка электроэнергии – 4386 млн. кВтч.
Турбодетандерные агрегаты на объектах газотранспортной системы.
В Белгородской области развита инфраструктура газотранспортной системы, 98% области газифицировано. Расход газа в 2011 г. составил 6 532 млн. м3.
Предлагается в качестве собственных источников электроэнергии на станциях понижения давления и распределения газа (ГРС) устанавливать турбодетандерные агрегаты для использования работы расширения газа. В процессе транспортировки к потребителю газ несколько раз меняет давление.
Оценим совершаемую работу газа при переходе с магистрального газопровода, где давление составляет 5,5 МПа в распределительный газопровод, с давлением 1,2 МПа. Для оценки валовой работы газа при переходе на более низкое давление выбрано давление распределительного газопровода т.к.
промышленные потребители получают газ на высоком и среднем давлении, бытовые и сельскохозяйственные потребители – на низком.
Электрическая мощность турбодетандерных агрегатов на станциях понижения давления в Белгородской области определяется из уравнения:
, (12) где – массовый расход газа, кг/с;
– перепад энтальпий при адиабатическом процессе расширения газа в ДГА, кДж/кг;
– внутренний КПД турбодетандера;
– внутренний КПД электрогенератора.
Плотность природного газа при нормальных условиях примем равной 0,73 кг/м3. Пересчет значений объемного расхода в показатели расхода газа по массе произведем согласно формуле:
(13) где 8760 – число часов в году, 3600 – число секунд в часе.
Справочные значения состояний газа и расчетные значения установленной электрической мощности детандер-генераторных агрегатов (ДГА) приведены в таблице (см. Таблица 5).
Таблица 5.Расчет установленной мощноститурбодетандеров для понижения давления газа, поставленного «Белрегионгаз».
Давление газа, Энталь Темп. Энталь- Электричес МПа Энталь- пия на Темп. Разность Расход газа пия на кая установ пия на выходе газа на энталь- газа по на выходе ленная на на входе, теор. выходе, пий, массе, входе, выходе, входе, факт., мощность кДж/кг кДж/кг С кДж/кг кг/c С кДж/кг ДГА, кВт Рвх Рвых 5,5 1,2 +20 -17 -180 -148 -90 131 151,2 Учитывая внутренний КПД детандера (84%), КПД электрогенератора (99%), получим:
Соответственно, валовая расчетная выработка, из условия равномерной загрузки мощностей ГРС в течение года (эта предпосылка заложена в формуле 13), составит:
Энергия ветра. На территории Белгородской области преобладают ветра со среднегодовой скоростью 2-4 м/с. Данные метеостанций области о районах с максимальной скоростью ветра представлены ниже (см. Таблица 6). Мощность, выдаваемая ветряной электроустановкой зависит от площади, ометаемой ветряным колесом и скорости ветра:
(14) где A – ометаемая ветроколесом площадь ( );
v – скорость ветра;
– приведенный коэффициент оценки эффективности ветряной установки ( = 0,2).
Таблица 6. Скорость ветра в Белгородской области. Данные метеостанций.
Расположение Среднегодовая Средняя скорость ветра (м/с) Максималь метеостанции скорость ветра ная скорость Зима Весна Лето Осен (на высоте ветра (м/с) ь 10м) Белгород 3,9 4,5 3,9 3,4 3,9 Старый Оскол 4 4,4 4 3,2 4,1 Расчетная мощность, выдаваемая ветряками при указанных среднегодовых скоростях ветра, составляет 7% от установленной мощности (см. Таблица 7). Поэтому делаем вывод о нецелесообразности применения ветряных электроустановок для электроснабжения потребителей области.
Таблица 7. Расчет мощности, выдаваемой ветряными генераторами фирмы «Энердживинд» (Россия) при среднегодовых скоростях ветра в районе населенных пунктов.
ВЭУ EnergyWindPower 1 кВт EnergyWindPower 2 кВт Населенный пункт г. Белгород г. Старый Оскол г. Белгород г. Старый Оскол v, м/с 3,9 4 3,9 D, м 2,6 2,6 4 Ррасч, кВт 0,057 0,062 0,136 0, Фотоэлектрические преобразователи. В Белгородской области средняя за год суточная сумма солнечной радиации составляет 3 и более кВтч/м2. При КПД от 11% для поликристаллических модулей, до 20%, для монокристаллических модулей, можно получить с 1 м2 от 0,33 до 0,6 кВтч в сутки. В работе были изучены данные о работе эксплуатируемой в регионе фотоэлектрической установки. В составе установки поликристаллические и аморфные фотоэлементы, суммарной установленной мощностью 100 кВт и средним по установке КПД 9,5% (КПД1, см. Таблица 8). На основе изученных данных было найдено время использования установленной мощности за год ТИУМ1 =988. Для монокристаллических фотоэлементов с КПД 20% (КПД2) время использования установленной мощности ТИУМ2 составит:
в год.
Для выработки электроэнергии в объеме 32 млн. кВтч для населенных пунктов с численностью жителей до 25 человек, необходимо кВт установленной мощности фотоэлектрических модулей, с учетом компенсации КПД аккумуляторных батарей 80% (см. Таблица 8).
Таблица 8. Расчет необходимой установленной мощности ФЭП по аналогу (установка «Крапивенские дворы»).
№ п/п Параметр Значение 1 Суммарная установленная мощность модулей, кВт 2 Мощность поликристаллических модулей, кВт 3 КПД поликристаллических модулей 13,70% 4 Мощность аморфных модулей, кВт 5 КПД аморфных модулей 6% 6 Средний КПД установки КПД1 9,5% 7 Выработка ЭЭ, тыс. кВтч 8 Дата, на которую учтен объем выработки ЭЭ 15.11. 9 Начало работы установки 01.10. 10 Количество дней в работе 11 Количество часов в работе Эквивалентное количество часов работы с установленной мощностью 12 за период (п.10) Эквивалентное количество часов работы с установленной мощностью 13 за год (365 дней) ТИУМ Установленная мощность монокристаллических модулей для 14 выработки ЭЭ в поселениях с численностью жителей до 25 человек, кВт Установленная мощность с учетом компенсации КПД накопителей 15 (80%), кВт Биогазовые установки. С точки зрения электроснабжения потребителя биогазовая электростанция (БГС) – это источник, независимый от энергосистемы. Из различных отходов можно получить разное количество биогаза (см. Таблица 9). Таблица 10 показывает изменение поголовья в 2013 г.
по сравнению с 2009 г., количество отходов, объем возможной выработки биогаза и электрической энергии, а также установленную мощность БГС.
Учтем, что в биогазе содержание метана составляет порядка 60%, а в природном газе – 92-98%, в среднем – 95%. Таким образом, потребление биогаза для выработки 1 кВтч электроэнергии более чем в 1,5 раза выше. При использовании в качестве топлива природный газ, расход составляет 0, м3/кВтч для газопоршневых двигателей. Соответственно, расход биогаза составит 0,475 м3/кВтч.
Таблица 9. Соотношение выработки биогаза для различных видов отходов.
Выход биогаза из биомассы, м3/т Источник отходов Навоз КРС 45-60(50) Навоз свиней 50-85(50) Помет птицы 100(100) Примечание – в скобках значения, принятые для расчета Расчеты по станции «Лучки», выработавшей 10 млн. кВтч за 247 суток показывают, что время использования установленной мощности биогазовой станции составляет 6157 ч. Исходя из этого, посчитаем потенциально возможный объем выработанной электроэнергии и установленной мощности (см. Таблица 10). Потенциал выработки электрической энергиив регионе на основе биогаза рассчитан в размере 793,1 млн. кВтч. Это составляет 4,8% от общего планируемого потребления электроэнергии в 2015 г. в области, или 106% от общей запланированной выработки электроэнергии на НВИЭ к 2020 г., согласно Энергетической Стратегии 2030 (в объеме Белгородской области).
Таблица 10. Потенциал животноводческих комплексов Белгородской области по обеспеченности электроэнергией.
Выработка Установ Отходы, тыс. Объем газа, электро- ленная Поголовье, шт. т в год млн. м в год энергии, мощность, млн. кВтч МВт Год 2009 2013 2009 2013 2009 2013 2013 КРС 188 320 159 361 1020 863 51,0 43,2 90,9 14, Свиньи 1 557 882 3 386 000 1800 3912 90,0 195,6 411,8 66, Птица 37 980 600 48 031 400 1091 1380 109,1 138,0 290,5 47, Итого 250,1 376,7 793,1 128, Потенциал применения биогазовых установок в фермерских хозяйствах региона, согласно произведенным расчетам, оценивается в 6 МВт установленной мощности и 20 млн. кВтч выработки электроэнергии, с учетом среднего по региону ТИУМ=3378 ч.
Выработка электроэнергии предлагаемыми источниками энергии на основе нетрадиционных и возобновляемых источников электроэнергии позволяет увеличить выработку электроэнергии в регионе в 2 раза (см. Таблица 11, Таблица 12).
Суммарная выработка электроэнергии источниками в составе электротехнических комплексов потребителей, с учетом мини-ТЭЦ, превышает существующую выработку в 6,7 раза и обеспечивает 38% от прогнозной величины электропотребления Белгородской области в 2015 г. (см. Таблица 12).
Таблица 11. Выработкаэлектроэнергии на основе НВИЭ, предлагаемых к вводу в Белгородской области Расчетные % от № значенияэлектроэнергии потребления п/п Наименование источника энергии, млн. кВтч в год области в 2015 г.
1 Биогазовые установки 820 4,9% 2 Фотоэлектрические модули 32 0,2% 3 Турбодетандерные установки на ГРС 144 0,9% Итого 996 6,0% Целевой показатель доли выработки электроэнергии на НВИЭ согласно ЭС-2030 (Справочно) 749 4,50% Прогнозируемое потребление Белгородской области в 2015 г.
(Справочно) 16641 100% Таблица 12. Расчет общей выработки электроэнергии предлагаемыми к вводу и существующими в Белгородской области источниками Расчетные значения № электроэнергии, % от потребления п/п Наименование источника энергии млн. кВтч в год области в 2015 г.
1 Биогазовые установки 820 4,9% 2 Фотоэлектрические модули 32 0,2% 3 Турбодетандерные установки на ГРС 144 0,9% 4 Мини-ТЭЦ 4386 28,1% 5 Существующие станции 946 5,7% Итого 6328 38,0% В том числе НВИЭ 996 6,0% Прогнозируемое потребление Белгородской области в 2015 г.
(Справочно) 16641 100% ЗАКЛЮЧЕНИЕ Диссертация представляет собой законченную научно квалификационную работу, в которой поставлена и решена актуальная задача обеспечения бесперебойного электроснабжения потребителей региона за счт применения собственных источников электроэнергии, на основе местных возобновляемых и вторичных энергоресурсов.
На основании выполненных автором исследований получены следующие научные и практические результаты:
1. В работе произведен анализ развития источников электроэнергии в мире.
2. В результате изучения системы электроснабжения Белгородской области и анализа электросетевого комплекса было выявлено, что 2/3 отключений потребителей от электричества происходит по причинам, связанным с состоянием оборудования электрических сетей. Сделан вывод о необходимости включения в состав электротехнических комплексов потребителей собственных источников энергии для обеспечения бесперебойности электроснабжения.
3. Выполнен прогноз электропотребления региона на среднесрочную перспективу, до 2015 г., для оценки потребности региона в новых источниках электроэнергии.
4. Произведен ранговый анализ и рассмотрена структурно-топологическая динамика Белгородской области относительно близких по величине электропотребления регионов, что позволило подтвердить прогноз роста электропотребления региона.
5. При изучении статистических данных по населенным пунктам Белгородской области в исследовании было выявлено распределение по территории региона с малой плотностью значительной доли потребителей – 47% населения. Анализ структуры источников по установленной мощности и размещению в населенных пунктах показал, что генерация в регионе сконцентрирована в 8 населенных пунктах из 1534.
6. Предложен критерий, согласно которому реконструкция ЛЭП с применением современных проводов марки СИП целесообразна при расстоянии до тупиковой подстанции малогопоселения, для сетей 6 кВ – 3,3 км, 10 кВ – 5,4 км. В иных случаях предлагается автономное электроснабжение потребителей от собственного источника.
7. С учетом географических, инфраструктурных особенностей и экономической специализации хозяйствующих субъектов региона в работе определены наиболее перспективные направления развития источников электроэнергии в составе электротехнических комплексов потребителей.
8. Выполнен расчет объемов выработки электроэнергии от предлагаемых к внедрению в электрическом хозяйстве потребителей установок и осу ществлен выбор оборудования, исходя из специфики производственных технологий потребителей.
9. Источники электроэнергии выбранной единичной мощности распределены по поселениям региона для независимого от энергосистемы и бесперебойного электроснабжения потребителей с целью обеспечения безопасной социально-экономической активности населения.
10. В рамках региона обеспечено выполнение целевых показателей Энергетической стратегии 2030 в части использования возобновляемых источников энергии – не менее 4,5% от величины электропотребления ре гиона. Показано, что производственно-экономические, географические и инфраструктурные особенности Белгородской области предполагают возможность роста региональной выработки электроэнергии за счет не традиционных и возобновляемых источников в 2 раза.
Основное содержание работы
отражено в следующих публикациях:
1. Кучин П.Г. Комплексное обеспечение энергетической безопасности региона. На примере Белгородской области. // Журнал Вестник МЭИ. № 2. 2013. С. 5-12.
2. Рагуткин А.В., Кучин П.Г., Шигаев И.А. Распределенная генерация – путь повышения энергоэффективности электротехнического комплекса России Федоровские чтения – 2010. XL всероссийская научно практическая конференция (с международным участием) с элементами научной школы для молодежи (Москва, 16-19 ноября 2010 г.) / Под общ.
ред. Б.И. Кудрина, Ю.В. Матюниной. – М.: Издательский дом МЭИ, 2010.
– 180 с.
3. Шигаев И.А., Кучин П.Г Применение накопителей энергии в распределенной генерации РАДИОЭЛЕКТРОНИКА, // ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭНЕРГЕТИКА: Семнадцатая Междунар. науч. техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл. В 3 т. Т. 2. М.:
Издательский дом МЭИ, 2011. С. 455 – 456.
4. Кучин П.Г., Рагуткин А.В. Алгоритм управления источниками систем электроснабжения ответственных и удаленных от центров генерации потребителей // Сборник работ победителей отборочного тура Всероссийского конкурса научно-исследовательских работ студентов, аспирантов и молодых ученых по нескольким междисциплинарным направлениям, г. Новочеркасск, октябрь-ноябрь 2011 г. / Мин-во образования и науки РФ, Юж.-Рос. гос. техн. ун-т. (НПИ). – Новочеркасск: Лик, 2011. С. 260 – 262.
5. Шигаев И.А., Кучин П.Г Повышение надежности электроснабжения потребителей с применением нескольких источников и накопителей энергии // Энерго- и ресурсосбережение XXI век. Сборник материалов X Международной научно-практической интернет-конференции, 01 марта – 30 июня 2012 г. Орл. С. 76 – 78.
6. Кудрин Б.И., Кошарная Ю.В., Кучин П.Г. О концепции электроснабжения малых населнных пунктов. Вестник ВИЭСХ. №4.
2012. С. 6 – 12;
7. Кудрин Б.И., Кучин П.Г. Основные проблемы организации электроснабжения потребителей и пути их решения // РАДИОЭЛЕКТРОНИКА, ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭНЕРГЕТИКА:
Девятнадцатая Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез.
докл. В 4 т. Т.3. М.: Издательский дом МЭИ, 2013. С. 111.