CC BY
26
УДК 621.311
DOI: 10.24412/2071-6168-2021-12-120-127
АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ МИНИ-ГЭС СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ГОРНЫХ РАЙОНОВ РЕСПУБЛИКИ ТАДЖИКИСТАН
А.М. Давлатов, Х.Д. Бобоев, Д.Ю. Гулов, Р.Т. Абдуллозода
В данной статье представлен краткий анализ мини гидроэлектростанции (мини-ГЭС) Республики Таджикистан (РТ). Рассмотрены существующие проблемы систем электроснабжения горных районов и дефицита электроэнергии в Республике в последние годы. Выявлены основные причины, по которым некоторые мини-ГЭС в настоящее время не работают. Анализ Традиционной схемы мини-ГЭС показывает, что она является достаточно сложным техническим объектом, требующим периодического обслуживания и постоянного наблюдения. Единственный путь решения проблемы - это создание полностью автономных мини-ГЭС без постоянного обслуживания. Предложена функциональная схема мини-ГЭС, позволяющая работать в автономном автоматическом режиме с использованием простых и надежных базовых элементов преобразования энергии. Для создания экономически эффективной и целесообразной мини-ГЭС предложен алгоритм разработки и реализации проекта электроснабжения на базе мини-ГЭС.
Ключевые слова: мини-ГЭС, гидротурбина, центробежный насос, синхронный генератор с постоянными магнитами, устройство самодиагностики.
Мировое потребление энергии по прогнозам на 2030 год возрастёт на 55% по сравнению с сегодняшним днём из-за экономического роста, урбанизации и роста населения [1, 2]. В настоящее время наибольшая часть требуемой энергии вырабатывается за счёт ископаемого топлива, но эта технология не имеет перспективы развития. Это связано с одной стороны c истощением ресурсов углеводородов, а с другой стороны c жесткими требованиями к экологии технологических процессов по производству электроэнергии.
Необходимо осваивать новые источники энергии, и в этой тенденции ведущая роль принадлежит альтернативным источникам, преобразующим энергию света, воды, биоресурсов в электричество. Этот процесс в наибольшей степени затрагивает развивающиеся страны, для которых экономически сложно вкладывать финансы в создание крупных энергосистем. При этом следует учесть, что мощные источники энергии, включая гидроресурсы уже освоены [3-6].
Во многих странах существует развитая сеть крупных гидроэлектростанций, и возможность построить дополнительные ГЭС становится все меньше. Так, например, Рогунский гидроэнергетический комплекс, построенный на реке Вахш в Республике Таджикистане, является седьмым и последним, который можно внедрить в этом регионе.
При этом следует отметить, что энергоресурс малых и средних рек практически не использован, а по экспертным оценкам он в десятки раз превосходит энергоресурсы крупных рек. Например, для РТ гидроэнергетические ресурсы республики, возможные к использованию составляют: по мощности -19,3 млн. кВт, а по выработке - 143,6 млрд. кВтч [1]. Это указывает на существенные потенциальные возможности использования возобновляемых гидроэнергетических ресурсов малых и средних рек, но для его освоения необходимо строительство большого количества мини-ГЭС.
Основным проблемам энергетической системы Республики Таджикистан за последние годы является дефицит электроэнергии. Для отстранения дефицита электрической энергии в энергосистеме правительство РТ предпринимает большие усилия по освоению этих энергоре-срсов. Одной из ключевых целей Национальной стратегия развития Республики Таджикистан, является «Использование малых гидроэлектростанций» и была разработана государственная программа развития гидроэлектростанций малой и средней мощности [7].
Согласно разработанной программой, в период с 2009 по 2020год в стране построено и используется более 189 мини-ГЭС.общей полезной мощностью 26,8 МВт. Не смотря на эти усилия, страна испытывает дефицит электроэнергии. На табл. 1 представлена зависимость нехватки электроэнергии в Республики Таджикистан за период с 2006 по 2020 г.
Гидропотенциал крупных рек практически освоен. На реке Вахш постоено 7 крупных ГЭС. Рогунская ГЭС является последней в этом каскаде. При этом энергетика малых и средних рек практически не освоена. Разработка сети ГЭС на малых и средних реках может решить
120
проблему нехватки электроэнергии в Республике, но они могут быть рентабельными только если будут работать в автономном и полностью автоматическом режиме работы без постоянного обслуживающего персонала.
Кроме того, необходимо отметить, что, подключение указанных населённых пунктов к энергосистеме, линией напряжением 6 или 10 кВ экономический не выгодно. Также существует ряд проблем, связанных с горным рельефом территории Таджикистана. Развитие малой энергетики в далёких селах Республики Таджикистан является решением проблемы электроснабжения населенных пунктов горной местности страны.
Например, село Сангикар в Раштском районе численностью населения более 200 чел., находятся на расстоянии 40 км от центра района, в котором находится подстанция «Племсовхоз 110/10 кВ». Село Сари Осёб в Ховалинском районе находятся на дальнем расстоянии от ближайшего подстанции. Расстояние от населенного пункта Сари Осиёб до подстанции «Ховалинг 35/10 кВ» составляет около 50 км. Численность населения данного село считывается около 150 чел. Деревня Марзич Айнийского района расположена на расстоянии 35 км от ближайшей подстанции «Айни 35/10 кВ», которая находятся в центре района. В данной деревне живут более 150 чел.
Таблица 1
Нехватка электроэнергии в РТ за период с 2006 по 2020 г._
Период Выработка Потребления Нехватка
кВт.ч
2006 16755389 25430048 -8674659
2007 17340245 25631556 -8291311
2008 15921127 24866437 -8945310
2009 15910448 23479394 -7568946
2010 16246123 22944583 -6698460
2011 16361871 22635475 -6273658
2012 16790294 22158366 -5368072
2013 16926975 21394885 -4467910
2014 16312070 20197824 -3885754
2015 16961557 20153212 -3191655
2016 17037613 20024069 -2986456
2017 18090773 20584150 -2493377
2018 18061557 20153212 -3191655
2019 18137613 20024069 -2986456
2020 18112070 20584150 -2493377
При разработке мини-ГЭС для республики следует учитывать особенности ее горного рельефа. Республика представляет собой красивую горную местность с хорошо известными Фанскими горами. Статья дохода от туризма является второй по величине после поступлений от энергетики. Вводимые вновь гидроэлектростанции не должны нарушить эстетику и экологии горного ландшафта наличием гидросооружений и неоправданных плотин с запрудами. Поэтому предпочтение надо отдать водопогружным мини-ГЭС.
Проведённый анализ показывает необходимость изучения вопросов использования мини-ГЭС для обеспечения электроэнергией удалённых и труднодоступных районов республики. При этом выявлено, что источники водной генерации электроэнергии Республики Таджикистан обладают большой мощностью. Гидроэлектростанции малой мощности существенно востребованы для энергоснабжения удалённых населённых пунктов в горной местности, как для удовлетворения текущих потребностей, так и для развития хозяйства. Гидроэнергетика в целом и, особенно, малая гидроэнергетика нуждаются в теоретическом и практическом развитии.
Для оценки целесообразности внедрения мини-ГЭС в общий энергобаланс системы энергоснабжения необходимо определить ее структуру. Рассмотрим традиционную структуру мини-ГЭС (рис.1). Кроме плотины и подводящего трубопровода она содержит известные составные элементы [7]: гидротурбина (ГТ); генератор (Г); коммутационно - защитная и распределительная аппаратура (КРА); тиристорное устройство возбуждения (ТУВ); привод затвора турбины (ПЗТ); привод разгонный турбины (ПРТ); регулятор турбины (РТ); регулятор возбуждения (РВ) [7, 8].
В Таджикистане много малых рек, на которых построены микро и малые ГЭС (традиционная схема), однако, эти электростанций в связи с выходом из строя ряда особо важные элементы не эксплуатируются. Чаще всего из строя выходят: регулятор напряжение, регулятор
уровней воды в верхнем бьефе и нижнем бьефе, привод разгонный турбины, регулятор турбины, коммутационно - защитная и распределительная аппаратура, повреждения подвижной части генераторов, такие как, повреждения система возбуждения генераторов, механические повреждения в коллекторной пластине ротора и повреждения контактно-щеточное устройство система возбуждения.
Контактно-щеточное устройство требуют периодического обслуживания. Кроме того, электрическое сопротивление скользящих контактов контактно-щеточного устройство существенно увеличивается при длительной эксплуатации, что приводит к умещению ЭДС в обмотках статора.
Таким образом, исходя из полученных данных, можно сделать вывод, что, основные повреждения малой станций происходит в динамической части генератора. Для достоверности информации приводим характеристики некоторых мини-ГЭС эксплуатирующихся в разных регионах РТ (табл. 2). Почти все эти гидроэлектростанции из-за повреждения генераторов или их система возбуждения не функционируют.
Таблица 2
Характеристики некоторых мини-ГЭС эксплуатирующихся в разных регионах __Республики Таджикистан__
№ п/п Название мини-ГЭС Регион Мощность Построены Причина не работатет
1 Сариосёб р. Ховалинг 15 кВт 2010 г. отказ генератора
2 Яхшо р. Ш.Шохин 5 кВт 2009 г. выход из строя генератора
3 Хафса р. Ш.Шохин 20 кВт 2010 г. повреждение система возбуждения генератора.
4 Марзич р. Айни 1403 кВт 2010 повреждение система возбуждения генератора
5 Панджруд р. Пенджекент 500 кВт 2011 привод разгонный турбины
6 СНП г. Бохтар 70 кВт 2012 отказ генератора
7 Киров р. Вахш 80 кВт 2013 регулятор уровней воды в верхнем и нижнем бьефе
8 Шаш-болои р. Нурообод 183 кВт 2010 отказ генератора
9 Сангикар р. Рашт 183 кВт 2014 повреждение система возбуждения генератора
10 Тутак р. Таджикобод 586 кВт 2015 отказ генератора
В связи с этим более перспективным может оказаться применение простейших мини-ГЭС, в которых указанные регуляторы отсутствуют. Тогда функциональная схема ГЭС содержит минимум элементов- трубопровод, турбину, генератор, электронное устройство управления диагностики и преобразования энергии. Это существенно повышает надёжность ГЭС и позволяет эксплуатировать её в автономном необслуживаемом режиме (рис.2).
Рис. 3. Фукционалная схема автономной автоматизированной мини-ГЭС
Блок 1 - в качестве которой предлагается использовать серийный центробежный
насос.
Блок 2 - в качестве которого предлагается использовать вентильную синхронную трёхфазную машину с возбуждением от постоянных магнитов.
Блок 3 - включающий в себя три элемента- преобразователь переменного ток в постоянный, преобразователь постоянного тока в переменный заданной амплитуды, частоты и устройство симметрирования выходного трёхфазного напряжения.
Блок 4 -выдаёт информацию о текущих значениях частоты, тока, напряжения, мощности и выработанной энергии.
Блок 5 - включает в себя стандартные для любой электростанции коммутационно- защитные устройства.
Блок 6 - предназначенный для реализации функций диагностики состояния элементов комплекса и оценки его текущей и последующей работоспособности.
Блок 7 - предназначенный для связи и передачи данных о выходных параметрах и состоянии отдельных элементов на центральный диспетчерский пункт.
Каждый из элементов функциональной схемы требует дополнительной научно- технической проработки, эти элементов была подробно рассмотрены в [1].
Таким образом, создание полностью автоматических мини-ГЭС и разработка для них систем диагностики рабочего состояния и предупреждения аварийных отказов является актуальной научной проблемой и востребованной инженерной задачей.
Проведенный анализ показывает, что для малой и средней гидроэнергетики рентабельными и экономически приемлемыми могут быть только необслуживаемые полностью автоматизированные мини-ГЭС. Они потребуют значительных первоначальных капитальных затрат, но в процессе надежной и безотказной эксплуатации эти затраты должны окупится и, после этого, приносить чистую прибыль, связанную с генерацией электроэнергии.
Для того, чтобы создаваемая мини-ГЭС была рентабельной и экономически целесообразной необходим тщательный предварительный анализ ресурсов реки, места установки мини-ГЭС и экономической эффективности проекта. С целью реализации поставленной задачи предлагается следующий алгоритм выбора и расчёта инвестиционного проекта для мини-ГЭС.
Алгоритм разработки и реализации проекта энергоснабжения на базе мини-ГЭС состоит из следующих основных блоков, представленных в структурной схеме, изображённой на рис.3.
Блок «1. Исследование гидроресурсов местности и потребности в электроэнергии». Здесь проводятся исследования гидроресурсов местности и определяется потребность населения в электроэнергии. Исследуется как мощность гидропотоков, так и их труднодоступность для монтажа оборудования и удалённость от потенциальных потребителей.
Блок «2. Принятие решения о формировании технического проекта на разработку мини-ГЭС». После исследования местности и потенциальных потребителей принимается решение о формировании технического проекта на разработку мини-ГЭС, включающего перечень необходимого оборудования и ресурсов (материальных, человеческих и финансовых).
Блок «3. Предварительная оценка стоимости проекта мини-ГЭС и выбор источников финансирования». На этом этапе составляется предварительная калькуляция необходимого оборудования мини-ГЭС и производится оценка его стоимости. Здесь же предварительно рассчитываются необходимые человеческие и материальные ресурсы и производится их оценка в стоимостном выражении за весь период реализации проекта. Этот этап предназначен для предварительной оценки необходимых инвестиций в проект мини-ГЭС. Принимаются решения об источниках инвестиций: собственные средства, заёмные средства или их комбинация.
Рис.3. Алгоритм разработки и реализации проекта энергоснабжения на базе мини-
ГЭС
Блок «4. Оценка экономической эффективности и окупаемости проекта (предварительный расчёт)». На этом этапе проекта по введённым данным необходимых инвестиций и источников финансирования проекта, внутренних и внешних, с учётом условий кредитования производится расчёт окупаемости проекта по специальной методике. В расчётах учитывается инвестиционная часть проекта, а также текущие доходы и текущие расходы от производства и реализации электроэнергии. Учитываются также показатели инфляции и риска реализации проекта. По введённым в расчётную программу исходным данным производится расчёт срока окупаемости проекта мини-ГЭС.
Блок «5. Принятие решения о реализации проекта». После получения данных о сроке окупаемости проекта мини-ГЭС принимается решение о возможности его реализации. Если решение положительное, то переходят к следующему этапу проекта.
Блок «6. Калькуляция проекта и план-график реализации». На этом этапе составляется план-график и детальная калькуляция проекта с учётом сроков поставки оборудования и объёмов привлекаемых материальных и человеческих ресурсов на каждом этапе работ.
Блок «7. Оценка экономической эффективности и окупаемости проекта (уточнённый расчёт)». По изложенной в описании блока 4 методики, производится уточнённый расчёт срока окупаемости проекта с учётом его детальной калькуляции. После чего переходят к практической реализации проекта.
Блок «8. Практическая реализация проекта» Данный блок предполагает производство работ по вводу мини-ГЭС в эксплуатацию.
Проведённый анализ показывает необходимость изучения вопросов разработки мини-ГЭС для обеспечения электроэнергией удалённых и труднодоступных районов. При этом выявлено, что:
1. Гидроэлектростанции малой мощности существенно востребованы для энергоснабжения удалённых населённых пунктов в горной местности, как для удовлетворения текущих потребностей, так и для развития хозяйства. Гидроэнергетика в целом и, особенно, малая гидроэнергетика нуждаются в теоретическом и практическом развитии.
2. Освоение малой и средней гидроэнергетики будет сопровождается созданием большого количества мини-ГЭС. Они могут быть рентабельными только в том случае, если будут эксплуатироваться без обслуживающего персонала в полностью автоматическом режиме. Такие мини-ГЭС должны иметь структуру, которая отличается от традиционных мини-ГЭС. Все элементы этой мини-ГЭС должны обладать высокой надежностью.
3. Основным агрегатом мини-ГЭС является генератор. Для современной автоматизированной мини-ГЭС необходимо ориентироваться на вентильные генераторы с высококоэрцитивными постоянными магнитами. Одним из элементов, который может привести к аварийной ситуации и выходу мини-ГЭС из строя является якорная обмотка при правильно подобранных для эксплуатации подшипниках. Разработка системы диагностики различных вариантов коротких замыканий должна составить основу автоматизированной системы управления комплексом.
Список литературы
1. Гулов Д.Ю., Давлатов А.М., Горт М.В. Эффективность электроснабжения горных районов Таджикистана // Международный научно-исследовательский журнал. 2021. № 1-1(103). С. 61-66. DOI 10.23670/IRJ.2021.103.1.008.
2. Фортов В.Е., Попель О.С. Энергетика в современном мире, Издательство "Интеллект".: Долгопрудный, 2011, 168 с.
3. Абдуллаева Ф.С., Баканин Г.Б., Гордон С.М. Гидроэнергетические ресурсы Таджикской ССР, Л.: Недра, 1965. 658 с.
4. Киргизов А.К., Расулов С.Р., Косимов У.У. Потенциал нетрадиционных источников энергии в Таджикистане, Энергетика: Экология, Надежность, Безопасность: материалы восемнадцатой Всеросс. науч.-техн. конф. Томский политехнический университет, Томск: «СПБ Графикс», 2012. С. 99-101.
5. Бобоев Х.Д., Богданов А.В. Параметры изоляции относительно земли в карьерных распределительных сетях горнодобывающих предприятий Республики Таджикистан / Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Энергетика. 2021. Т.21. № 1. С. 2937. DOI: 10.14529 / power210103.
6. Boboev Kh.D., Sidorov A.I., Khanzhina O.A. Determining Ground Insulation Parameters in Quarry Distribution Networks of Mining Companies in Tajikistan / 2020 International Ural Conference on Electrical Power Engineering (UralCon). Chelyabinsk, 2020. P. 344-348.
7. Автоматизированная мини-ГЭС как основа системы электроснабжения горных районов Таджикистана / С. Г. Воронин, А. М. Давлатов, О. О. Султонов [и др.] // Вестник ЮжноУральского государственного университета. Серия: Энергетика. 2019. Т. 19. № 3. С. 100-107. DOI: 10.14529/power190311.
8. Voronin S., Davlatov A., Kosimov B. Development directions of power supply for rural areas of Tajikistan / Proceedings - 2019 International Ural Conference on Electrical Power Engineering, UralCon 2019, Chelyabinsk, 01-03 октября 2019 года // Chelyabinsk: Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc., 2019. P. 157-161. DOI: 10.1109/URALC0N.2019.8877688.
Давлатов Азамджон Махмадиевич, аспирант, davlatov_azam@bk. ru, Россия, Челябинск, Южно-Уральский государственный университет,
Бобоев Хуршедшох Давлаталиевич, аспирант, khboboev-93@mail. ru, Россия, Челябинск, Южно-Уральский государственный университет,
Гулов Диловар Юсуфович, канд. техн. наук, доцент, gdy_02@mail.ru, Республика Таджикистан, Бохтар, Институт энергетики Таджикистана,
125
Абдуллозода Рамазон Толибжон, канд. техн. наук, доцент, заведующий кафедрой, abdullozoda@ttu.tj, Республика Таджикистан, Душанбе, Таджикский технический университет имени академика М. С. Осими
ANALYSIS OF THE EFFICIENCY OF MINI-HYDROELECTRIC POWER SYSTEMS OF MOUNTAIN AREASREPUBLIC OF TAJIKISTAN
A.M. Davlatov, Kh.D. Boboev, D.Y. Gulov, R.T. Abdullozoda
This article presents a brief analysis of the mini hydroelectric power station (mini-HPP) of the Republic of Tajikistan (RT). The existing problems of power supply systems in mountainous areas and the shortage of electricity in the Republic in recent years are considered. The main reasons why some mini-hydroelectric power plants are currently not working have been identified. Analysis of the Traditional mini-hydroelectric power plant scheme shows that it is a rather complex technical object requiring periodic maintenance and constant monitoring. The only way to solve the problem is to create fully autonomous mini-hydroelectric power plants without constant maintenance. A functional scheme of a mini-hydroelectric power plant is proposed, which allows operating in an autonomous automatic mode using simple and reliable basic elements of energy conversion. To create a cost-effective and expedient mini-HPP, an algorithm for the development and implementation of an electricity supply project based on a mini-HPP is proposed.
Key words: mini-hydroelectric power plant, hydro turbine, centrifugal pump, synchronous generator with permanent magnets, self-diagnosis device.
Davlatov Azamjon Makhmadievich, postgraduate, davlatov_azam@bk. ru, Russia, Chelyabinsk, South Ural State University,
Boboev Khurshedshoh Davlatalievich, postgraduate, khboboev-93@mail. ru, Russia, Chelyabinsk, South Ural State University,
Gulov Dilovar Yusufovich, candidate of technical sciences, docent, gdy_02@,mail. ru, Republic of Tajikistan, Bokhtar, Institute of Energy of Tajikistan,
Abdullozoda Ramazon Tolibjon, candidate of technical sciences, head of the department, abdullozoda@ttu. tj, Republic of Tajikistan, Dushanbe, Tajik Technical University named after Academician M.S. Osimi
