Повышение энергетической эффективности комплексов децентрализованного электроснабжения: на примере Республики Саха (Якутия) тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат технических наук Парников, Николай Макарович

• Парников, Николай Макарович
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Парников, Николай Макарович

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ КОМПЛЕКСА ДЕЦЕНТРАЛИЗОВАННОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ РЕСПУБЛИКИ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЗАДАЧ ПОВЫШЕНИЯ ЕГО ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ.

1.1. Исследование энергетического баланса комплекса децентрализованного электроснабжения ОАО «Сахаэпсрго».

1.2. Технико-экономические характеристики локальных систем электроснабжения на основе дизельных электростанций.

1.3. Анализ удельных энергетических характеристик ДЭС региона.

1.4. Выводы.

2. ИССЛЕДОВАНИЕ СООТВЕТСТВИЯ РЕЖИМОВ ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЯ СТРУКТУРЕ И МОЩНОСТИ КОМПЛЕКСА ДЕЦЕНТРАЛИЗОВАННОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ЯКУТИИ.

2.1. Анализ режимов энергопотребления автономных систем электроснабжения.

2.2. Оптимизация структуры и мощности ДЭС локальных систем электроснабжения

2.3. Повышение энергетической эффективности ДЭС путем управления количеством одновременно работающих агрегатов.

2.4. Определение рационального оперативного резерва мощности ДЭС.

2.5. Выводы.

3. ПЕРСПЕКТИВЫ ИНВЕРТОРНЫХ ДЭС И РАЗРАБОТКА ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ ИХ РЕЖИМАМИ.

3.1. Энергетические комплексы с переменной частотой вращения дизеля.

3.2. Математическая модель ДЭС.

3.3. Математическое моделирование рабочих режимов ДЭС.

3.4. Разработка алгоритмов и систем управления режимами инверторной ДЭС.

3.5. Выводы.

4. ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ РЕСПУБЛИКИ САХА (ЯКУТИЯ) С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ЭНЕРГОРЕСУРСОВ РЕГИОНА.

4.1. Оценка экономической эффективности использования возобновляемых источников энергии.

4.2. Обоснование метода оценки энергетической эффективности автономных ветро-дизельных энергетических комплексов.

4.3. Разработка структуры энергоэффективных ветро-дизельных энергетических комплексов.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение энергетической эффективности комплексов децентрализованного электроснабжения: на примере Республики Саха (Якутия)»

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 энергетической эффективности комплексов децентрализованного электроснабжения является на сегодня актуальной задачей энергетики России.

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 зависимости от сезонной составляющей и времени суток;

- разработана универсальная методика, позволяющая определять необходимый типоразмер и количество силовых агрегатов для вновь проектируемых и реконструируемых дизельных электростанций (ДЭС);

- разработана математическая модель дизельной электростанции, проведены исследования ее рабочих режимов с переменной частотой вращения и получены рациональные законы управления ДЭС, обеспечивающие 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.

Заключение диссертации по теме «Электротехнические комплексы и системы», Парников, Николай Макарович

4.5. Выводы

Проведенные в работе исследования энергетического потенциала возобновляемых' энергоресурсов Республики- Саха, (Якутия) подтверждают возможность их; практического использования- в энергетическом балансе комплекса децентрализованного электроснабжения региона.

Перспективным видом возобновляемого энергетического ресурса в регионе является энергия ветра, которая может быть полезно использована для электроснабжения децентрализованных потребителей с помощью ветроэлекгростанций. Зона их возможного применения в значительной степени совпадает с наиболее проблемными районами децентрализованного энергообеспечения. Наиболее перспективными с точки зрения практического использования энергетического потенциала ветровой энергии являются Булунский, Усть-Янский, Нижнеколымский и Анабарский улусы Республики.

В результате проведенных исследований установлены перспективные места размещения ВЭУ, определена их номинальная мощность и способы сопряжения с существующими системами электроснабжения, произведена приближенная оценка энергетической и экономической эффективности.

Использование других возобновляемых энергоресурсов, имеющихся на территории децентрализованной энергетики Якутии, на сегодняшний день проблематично из-за климатических и географических особенностей региона.

Разработан универсальный метод оценки энергетической эффективности автономных ветро-дизельных энергетических комплексов, который позволяет решать широкий круг задач, связанных с оптимизацией структуры и режимов гибридных энергетических установок с источниками электропитания различных типов.

Разработаны эффективные структурные схемы гибридных энергетических комплексов, обеспечивающих экономию топлива при выработке электрической энергии. Приведены примеры проектирования подобных комплексов и предложена методика оценки их энергетической и экономической эффективности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1.Проведен детальный анализ состояния комплекса децентрализованного электроснабжения Якутии и определены основные направления повышения его энергоэффективности. Энергетическая эффективность комплекса может быть повышена за счет сокращения расхода дизельного топлива, что достигается путем оптимизации необходимых типоразмеров и количества силовых агрегатов ДЭС, реализацией рациональных режимов работы электростанций, замещения части органического топлива ветроэнергетическими установками. Заданный уровень надежности электроснабжения потребителей может быть обеспечен за счет оптимального выбора оперативного резерва мощности ДЭС.

2. Выявлены основные закономерности формирования и регулирования графиков электрических нагрузок децентрализованных потребителей региона, разработан метод прогнозирования режимов энергопотребления децентрализованных потребителей с учетом сезонной составляющей и времени суток, позволяющий реализовать эффективное управление рабочими режимами ДЭС в краткосрочной и долгосрочной перспективе.

3. Разработана математическая модель автономной дизельной электростанции, позволяющая проводить исследования ее рабочих режимов. Для моделирования дизельного двигателя предложена простая вероятностная модель, которая строится по его фактическим экспериментальным характеристикам, а достоверность модели оценивается статистическими параметрами.

4. Проведены исследования рабочих режимов ДЭС с переменной частотой вращения дизеля, доказана возможность уменьшения расхода дизельного топлива на 15-20 % за счет реализации эффективных рабочих режимов электростанции, получены рациональные законы управления подачей топлива и регулирования напряжения возбуждения синхронного генератора. На основе нечеткой логики реализован алгоритм системы автоматического управления рабочими процессами* инверторной ДЭС, обеспечивающий минимальный расход топлива в условиях изменяющейся нагрузки.

5. Проведена оценка экономической эффективности использования возобновляемых источников энергии в энергетическом балансе децентрализованных зон и установлены приоритетные направления и объемы их применения. Определены первоочередные места размещения ветроэнергетических установок, предложены способы их эффективного сопряжения с действующими ДЭС. Разработан универсальный метод оценки энергетической эффективности автономных ветро-дизельных энергетических комплексов, проведена оценка их энергетической и экономической эффективности, даны рекомендации по их построению и условиям рационального применения.

6. Показаны технико-экономические возможности гибридных энергетических комплексов с аккумулированием энергии, предложены их эффективные схемные решения.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Парников, Николай Макарович, 2009 год

1. Breiman L., et al., Classification and Regression Trees, Chapman & Hall, Boca Raton, 1993.

2. Documentation for MathWorks Products// http://www.mathworks.com/access/helpdesk/

3. Mamdani E. H. Applications of fuzzy algorithms for simple dynamic plant. Pore. IEE. vol. 121, n. 12, pp. 1585-1588, 1974.

4. Sangalli A., and Klir G.R. Fuzzy logic goes to market, New Scientist, 8 Feb., 1992.

5. Smidth F. L. Computing with a human face. New Scientist, 6 may, 1982.

6. StatSoft.lnc.(2001). Электронный учебник по статистике. М. Stat.Soft. WEB: http//www.Stat-Soft.ru/home/textbook/

7. Yasunobu S., and Hasegawa T. Predictive fuzzy control and its applications for automatic container crane operation system, in Proc. 2nd. IFSA Congress, Tokyo, Japan, Julie 1987.

8. Zade L. A. The concept of a linguistic variable and its application to approximate reasoning. Part 1, 2, 3 // Information Sciences, n. 8 pp.199-249, pp.301-357; n. 9 pp. 43-80.

9. Айвазян C.A., Мхитарян B.C. Прикладная статистика и основы эконометрики. М.: ЮНИТИ, 1998.

10. Андреев В.П., Сабинин Ю.А. Основы электропривода. М.-Л: ГЭМ, 1956. -448 с.

11. Андрианов В.Н., Быстрицкий Д.Н., Вашкевич К.П., Секторов В.Р. Ветроэлектрические станции / Под общей редакцией Н.Н. Андрианова. -М.-Л.: ГЭИ, 1960.-320 с.

12. Безруких П.П., Парников Н.М. и др. Концепция использования ветровой энергии в России / Под редакцией Безруких П.П. М.:Книга-Пента, 2005. -128 с.

13. Википедия (свободная энциклопедия) // http://ru.wikipedia.org/

14. Власова В.М. Методы оценки эффективности инвестиций // Некоммерческое партнерство Центр дистанционного образования «Элитариум» (Санкт-Петербург), http://www.elitarium.ru/

15. Генеральная схема размещения объектов электроэнергетики до 2020 года // Одобрена распоряжением Правительства Российской Федерации от 22 февраля 2008 г. N 215-р

16. Герман Галкин С. Г., Г. А. Кардонов. Электрические машины: Лабораторные работы на ПК. -т- СПб.: КОРОНА принт, 2003. - 256 с.

17. Гидроэнергетические ресурсы СССР. М.: Наука, 1967. - С. 84-90

18. ГОСТ 13822-82 Электроагрегаты и передвижные электростанции, дизельные. Общие технические условия

19. ГОСТ 20439-87 Электроагрегаты и передвижные электростанции с двигателями внутреннего сгорания. // Требования к надежности и методы контроля

20. ГОСТ 23377-84 Электроагрегаты и передвижные электростанции с двигателями внутреннего сгорания. Общие технические требования

21. Гриняев С. Нечеткая логика в системах управления//"Компьютерра" №38 от 08 октября 2001 года

22. Дасковский В.Б., Киселёв В.Б. Особенности оценки эффективности инвестиций в экономике переходного периода // Пищевая» промышленность. М.2005. № 1,2.

23. Дасковский В.Б., Киселёва В.Б., Ошибочная суть метода дисконтирования // Опубликовано в журнале Экономист №3 2007, http://www.niec.ru/Articles/016.htm

24. Двигатели внутреннего сгорания: Учеб. для вузов по спец. «Строительные дорожные машины и оборудование» /Хачиян А.С., Морозов К.А., Луканин В.Н. и др.; Под ред. Лукунина В.Н. 2-е изд., перераб. и доп. -М.:Высш.шк., 1985, - 311 е., с илл.

25. Дизель генераторные электростанции. Работа при переменной частоте вращения-дизеля: - http://news.elteh.rU/arh/2005/34/13

26. Дизельные электрические станции. Том I. Принцип действия, устройство и работа основного оборудования дизельных электростанций. / Под ред. B.C. Корчинского: СПб.: Изд. ПЭИпк, 2002 - 264 с.

27. Жерве Г.К. Промышленные испытания электрических.машин: 4-е изд., сокр. и перераб. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние., 1984.-408 с.

28. Заварина М.В. Расчетные скорости ветра на высотах нижнего слоя атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1971.-162 с.

29. Ильин М.М. Системы солнечного теплоснабжения и возможности их применения в условиях Центральной Якутии // Проблемы теплоснабжения в условиях Крайнего Севера. Якутск: ЯФ СО АН СССР, 1984. - С. 98-104.

30. Ильковский К.К., Парников Н.М. и др. Дизельные электростанции / Под редакцией Левинского А.П. Хабаровск: Изд. дом «Приамурские ведомости», 2003. - 160 с. + 16 с. вкл., ил.

31. Ильковский К.К., Парников Н.М. и др. Проблемы малой энергетики в энергоизолированных районах Сибири и Дальнего Востока. Горный журнал. Спец. выпуск, 2004. М.: Московская типография №13.

32. Информационное агентство «SakhaNews» // http.7/1 sn.ru/index.php

33. Киушкина В.Р., Степанов А.С. Возобновляемый природный потенциал. Сборник трудов по материалам IV региональной научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов. Нерюнгри, 2004,-С49-51.

34. Константинов А.Ф., Ноговицын Д.Д. Нетрадиционные возобновляемые энергоресурсы Республики Саха (Якутия).// Проблемы энергетики Республики Саха (Якутия): Сборник научных трудов Якутск: ЯНЦ СО РАН, 1995. — С.90

35. Константинов А.Ф., Ноговицын Д.Д. Фельдман Б.Н., Перспективы строительства малых ГЭС в арктической зоне Якутии // Гидроэнергетическое строительство. 1996. - №2. - С. 51-54

36. Консультационныйщентр MATLAB компании-Sostline // http://matlab.exponenta.ru/

37. Кулешов А.С., Грехов Л. В. Математическое моделирование и компьютерная оптимизация топливоподачи и рабочих процессов двигателей внутреннего сгорания. М.: МГТУ, 2000. - 64 с.

38. Лукутин Б.В., Киушкина В.Р. Ветроэлектростанции в автономной энергетике Якутии, Томск. Изд-во Томского политехнического университета, 2007 -185 с.

39. ООО «Промышленные силовые машины» http://www.powerunit.ru ООО «Энерго-Статус» http://energo-status.ru

40. Орленко Jl.Р. Строение планетарного пограничного слоя атмосферы,- Л.: Гидрометеоиздат, 1979.

41. Официальный сайт ОАО АК «Якутскэнерго» // http://yakute.elektra.ru/

42. Парников Н.М. Большие проблемы малой энергетики в Республике Саха (Якутия) // Малая энергетика, 2004. №1. - С.59-68

43. Попов Г. А. Системы управления судовыми дизелями. СПб.: ГМА им. Макарова, 2005 - 80 с.

44. Правила технической эксплуатации дизельных электростанций (ПТЭД) // Утверждены 09.02.1993 г.

45. Прикладные нечеткие системы: Перевод с япон./ К. Асаи, Д. Ватада, С. Иваи и др.; под ред. Т. Тэрано, К. Асаи, М. Сугено. М:: Мир, 1993.

46. Радин В.И., ЗагорскийА.Е., Шакарян Ю.Г. Управляемые электрические генераторы при переменной частоте. М".: Энергия, 1988. - 152 с.

47. Расчет ресурсов ветровой энергетики. Учебное пособие./ В.И.Виссарионов, В.А. Кузнецова., Н.К.Малинин и др.-М.: Издательство МЭИ, 1997-32с.

48. Реброва О.Ю. Статистический анализ медицинских данных. Применение пакета прикладных программ STATISTICA. М.:Медиа Сфера, 2003.

49. Руководящий документ (РД). Методические указания. Проведение изыскательских работ по оценке ветроэнергетических ресурсов для обоснования схем размещения и проектирования ветроэнергетических установок. РД.52.04.275-89,- Л.: Гидрометеоиздат, 1991.-80 с.

50. Справочник по климату СССР. Вып 24, 42. Ленинград.: Гидрометиздат, 1987

51. Справочник по климату СССР. Вып.24. Ч III . Ленинград.: Гидрометиздат, 1966

52. Справочник по проектированию электрических сетей. Под редакцией Д.Л.Файбисовича. М.:Изд-во НЦ ЭНАС, 2005 - 320 с. ил.

53. Справочник по проектированию электроэнергетических систем II Ершевич В.В., Зейлигер А.Н., Илларионов Г.А.; Под ред. С.С. Рокотяна, И.М. Шапиро. М.: Энергоатомиздат, 1985. - 352с.

54. Чистяков Г.Е., Ноговицын Д.Д. Состояние и перспективы использования гидроэнергетических ресурсов Якутии // Вопросы энергетики Якутской АССР, ЯФ СО АН СССР. Якутск, 1973. - С. 145-155

55. Чудинов Г.М., Попов Р.А., Чистяков Г.Е. Энергетические ресурсы Якутской АССР. Якутск, 1962. - С. 256

56. Энергетическое оборудование для использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии / Под ред. В.И. Виссарионова. М.: «ВИЭН», 2004.-448 с.