ГИБРИДНЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ С КОГЕНЕРАЦИЕЙ В ИЗОЛИРОВАННЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТЫЕ

ПРОИЗВОДСТВА

Статья поступила в редакцию 30.04.15. Ред. рег. № 2251

ENVIRONMENTALLY

CONSCIOUS

FACTORIES

The article has entered in publishing office 30.04.15. Ed. reg. No. 2251

УДК 621.311:620.92 (575.2) (04)

ГИБРИДНЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ С КОГЕНЕРАЦИЕЙ В ИЗОЛИРОВАННЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ

E.B. Коваленко, М.Г. Тягуное

ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский университет «МЭИ» РФ 111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 14 тел.: (495) 362-75-60, (495) 362-89-38; e-mail: universe@mpei.ac.ru

doi: 10.15518/isjaee. 2015.10-11.015 Заключение совета рецензентов: 06.05.15 Заключение совета экспертов: 20.05.15 Принято к публикации: 03.06.15

В статье рассматриваются вопросы использования гибридных энергетических комплексов (ГЭК) в изолированных энергетических системах, в том числе на примере Тюменской области. Определяется структура энергокомплекса и его оптимизация. Отмечено, что изменение состава ГЭК путем ввода аккумуляторов электрической энергии и тепла, позволяет повысить надежность тепло- и электроснабжения потребителей, а также сократить установленную мощность гарантирующего источника энергоснабжения. Планируется рассмотреть возможность использования в качестве гарантированного источника энергоснабжения генерирующие установки, работающие от местных видов топлива, такие как котельные на твёрдом топливе (пеллеты, щепа).

Ключевые слова: гибридные энергетические комплексы, когенерация, нетрадиционные и возобновляемые источники энергии, использование накопителей.

HYBRID COGENERATION POWER COMPLEXES IN INSULATED ENERGETIC SYSTEMS

E.V. Kovalenko, M.G. Tyagunov

'National Research University «Moscow Power Engineering Institute»

14 Krasnokazarmennaya St., Moscow, 111250 Russian Federation ph.: (495) 362-75-60, (495) 362-89-38; e-mail: universe@mpei.ac.ru

Referred 6 May 2015 Received in revised form 20 May 2015 Accepted 3 June 2015

The article considers the using of hybrid power complexes in insulated energetic systems of the Tyumen region. Moreover the article determines the power complex structure and its optimization. It is noted that the change in the composition of HES by entering into its structure electric power battery and heat battery can increase the reliability of heat and electricity consumers, and also to reduce the installed capacity of guaranteeing power supply. It is planned to consider the possibility of use a guaranteed source of power generating plants operating on local fuels, such as solid fuel boilers (pellets, wood chips).

Keywords: hybrid power systems, cogeneration, alternative and renewable sources of energy, using of energy battery.

Коваленко Елена Владимировна Elena V. Kovalenko

Сведения об авторе: магистр, консультант, Министерство энергетики Московской области.

Образование: ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ».

Область научных интересов: нетрадиционные и возобновляемые источники энергии.

Публикации: 4.

Information about the author: MSc, Consultant, Department of Energy Moscow region.

Education: MPEI.

Research area: alternative and renewable sources of energy. Publications: 4.

Сведения об авторе: д-р техн. наук, профессор кафедры «Гидроэнергетика и возобновляемые источники энергии», ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ».

Образование: «Московский

Энергетический Институт» (1970).

Область научных интересов: системный анализ процессов и систем управления энергетическими объектами.

Публикации: более 98, 3 авторских свидетельства.

Information about the author: DSc

(engineering), professor of the "Hydropower and Renewable Energy" department, National Research University MPEI.

Education: Moscow Power Engineering Institute (1970).

Research area: system analysis of processes and management systems of energy facilities.

Publications: more than 98, 3 author's certificates.

aV', - e -

'aV

Михаил Георгиевич Тягунов Mihail G. Tyagunov

Введение

Постановка вопроса

Современные энергетические системы - это две частично связанные системы электроснабжения и теплоснабжения потребителей различных видов энергии.

Каждая из систем обычно рассматривается в отдельности, кроме объектов когенерации. Давно известны достоинства тепловых электроцентралей -когенерационных объектов, предназначенных для работы по графику теплоснабжения и производства электроэнергии в зависимом от теплоснабжения режиме. Известна и аналогичная работа гидроэлектрических станций, играющих роль регуляторов стока реки, объектов водоснабжения сельского хозяйства, населения и промышленности, включая речной транспорт.

Опыт показал эффективность теплоэлектроцентралей, у которых коэффициент использования первичной энергии (энергетического ресурса) существенно выше, чем у аналогичных конденсационных электростанций, ориентированных только на выработку электрической энергии [1, 2].

Учитывая вышеизложенное, важным вопросом является развитие и эксплуатация систем электро- и теплоснабжения. Электрические и тепловые сети имеют разных собственников, их эксплуатацией занимаются различные компании, каждая из которых планирует свою деятельность независимо друг от друга.

Достоинством когенерационных установок считается то, что они относятся к объектам малой энергетики и располагаются в непосредственной близости к потребителям, т.е. имеют сравнительно короткие линии электропередачи и теплотрассы. Однако под когенерационными объектами обычно понимают только тепловые электрические станции [3]: мини-ТЭЦ и котельные, реконструируемые в ТЭЦ. Значительно реже рассматриваются варианты когенерационных установок, которые в качестве основного продукта производят электрическую энергию, а тепло генерируют путем вторичного преобразования электроэнергии (электрические бойлеры и др.). Но именно такой способ когенерации особенно актуален для повышения эффективности использования установок на основе возобновляемых источников энергии (ВИЭ), для которых тепловые аккумуляторы системы теплоснабжения являются важным технологическим элементом повышения коэффициента использования установленной мощности (КИУМ). Такие установки называют гибридными энергетическими комплексами.

Гибридный энергетический комплекс (ГЭК) - техническая система, объединяющая в рамках единого технологического процесса генераторы электрической, тепловой и др. видов энергии различных типов, аккумуляторы энергии, средства коммутации и передачи энергии, а также активных потребителей [4].

£ N

Цели и контрольные цифры развития возобновляемой энергетики и систем теплоснабжения России определены Энергетической стратегией до 2030 года. В частности, в ней по направлению «Возобновляемые источники энергии и местные виды топлива» указываются следующие стратегические ориентиры:

- развитие технологий использования ВИЭ, а также многофункциональных энергетических комплексов для автономного энергообеспечения потребителей в районах, не подключенных к сетям централизованного энергоснабжения;

- освоение эффективных технологий сетевого электро- и теплоснабжения на базе ВИЭ;

- отработка технологий комбинированного использования ВИЭ, а также технологий компенсации неравномерности выдачи мощности генерирующими объектами на основе энергии ветра и приливов.

При этом должны быть обеспечены:

- снижение темпов роста антропогенной нагрузки на окружающую среду и противодействие изменению климатическим изменениям при необходимости удовлетворения растущего потребления энергии;

- снижение темпов роста затрат на распределение и транспортировку электрической энергии и топлива и возникающих при этом потерь;

- вовлечение в топливно-энергетический баланс дополнительных топливно-энергетических ресурсов;

- повышение уровня энергетической безопасности и надежности энергоснабжения за счет увеличения уровня его децентрализации.

Для этого планируется довести к 2030 г. выработку электроэнергии с помощью установок на основе ВИЭ до 80-100 млрд кВт-ч.

Стратегическими целями развития теплоснабжения являются:

- кардинальное повышение технического уровня систем теплоснабжения на основе инновационных, высокоэффективных технологий и оборудования;

- сокращение непроизводительных потерь тепла и расходов топлива;

- обеспечение управляемости, надежности, безопасности и экономичности теплоснабжения;

- снижение негативного воздействия на окружающую среду.

Таким образом, можно говорить о совместном решении задач развития электро- и теплоснабжения с использованием ВИЭ, особенно в регионах, не подключенных к системам централизованного энергоснабжения.

Для того чтобы решить поставленные Энергетической стратегией задачи, децентрализованной энергетике России требуются четкие и общие для всей страны термины, регламенты, стандарты, технические условия и законодательные акты, которые при этом не будут идти вразрез с мировой практикой. Необходимо создать типовые, доступные энергокомплексы с оптимальной структурой и параметрами для различных типов потребителей.

Здания для коммунально-бытовых и технологических нужд снабжаются теплом в основном централизованно. Опыт эксплуатации тепловых сетей централизованного теплоснабжения показывает, что тепло иногда не доходит даже до половины потребителей, а эксплуатация и ремонт тепловых сетей с каждым годом обходится всё дороже [5].

В ходе испытаний выявлено 3 повреждения в магистральных и около 30-ти в разводящих сетях. Следует отметить, что некоторые участки в это время отключались, так как заранее было известно, что они не выдержат испытательных нагрузок. Износ тепловых сетей по отдельным муниципальным образованиям и поселениям составляет от 30 до 87 % [6], значит, тепловые сети и центральные муниципальные котельные нуждаются в реконструкции и замене или переводе на децентрализованную схему энергоснабжения с использованием как альтернативных, так и традиционных видов топлива. Например, в Тюменской области, которая располагает значительными запасами неиспользуемых древесных ресурсов (санитарная рубка леса, значительный запас отходов -щепы и опила), уже рассмотрели программу замены устаревших котельных (угольных и мазутных) на работающие на отходах деревообработки [7].

Это подтверждается, в частности, испытаниями тепловых сетей Тюмени, которые проводились в мае 2013 г. [8]

Одним из способов повышения надёжности теплоснабжения может стать создание запаса тепла в тепловых аккумуляторах. Последние потребляют энергию от внешнего источника в период, когда имеется её избыток, и отдают потребителю по мере возникновения спроса. Возобновление запаса тепловых аккумуляторов производится в часы избытка произведённой энергии ГЭК.

Кроме того, при недостаточной ёмкости аккумуляторов для обеспечения надёжного энергоснабжения потребителей существует возможность использования в ГЭК на основе ВИЭ дизельных электростанций (ДГУ), а также станций на местных ископаемых источниках энергии.

Важно и то, что тепловые аккумуляторы - не менее эффективный потребитель-регулятор нагрузки, который можно размещать как вблизи генерирующих источников, так и рядом с потребителями, создавая этим децентрализованную систему. При этом индивидуальное регулирование параметров отопления позволяет экономить энергоресурсы, в том числе за счёт регулирования температуры внутри помещений.

Аргументами в пользу децентрализованной системы теплоснабжения, в том числена основе электрических нагревательных установок, являются возможности использования когенерации, отказа от дорогостоящей прокладки и эксплуатации теплотрасс ввиду расположения генераторов тепла вблизи потребителей и др.

Эффективность теплоснабжения ГЭК с накопителями тепловой энергии оценивалась для объектов на территории Тюменской области. При этом учитывалась дифференциация потребителей энергии по типам: потребители энергии (ПЭ), потребители гарантированного энергоснабжения (ПГЭ), а также потребители-регуляторы [4]. Они могут потреблять тепловую и электрическую энергию ВИЭ в момент её прихода и накапливать в аккумуляторах. Вариантов технических решений аккумуляторов, используемых в ГЭК, множество: от электрохимических аккумуляторных батарей, до систем тепло- и хладоснабжения, оборудованных баками-аккумуляторами тепла (холода), и систем водоснабжения с гидравлическими аккумуляторами.

Эффективность использования ГЭК возрастает по мере того, как его потребляющая часть становится

менее требовательной к бесперебойности электроснабжения, т.е. при снижении требований потребителя к бесперебойности электроснабжения появляется возможность более широкого использования ВИЭ, что приводит не только к снижению топливных затрат, но и установленной мощности ДГУ. При этом увеличивается доля свободной мощности, вырабатываемой установками на основе ВИЭ, которая может быть использована для работы потребителя-регулятора, а оптимизация структуры потребителей ГЭК позволяет снизить затраты на дизельное топливо.

Определение параметров ГЭК

Определение параметров ГЭК происходит по следующей схеме (рис. 1):

2

3

4

* Определение валового потенциала источников ВИЭ

* Определение технического потенциала источников ВИЭ

* Опред елени е типов н акопител ей эн ерпии

* Распределение потребителей энергии по типам

AW.

- с -'и1

Рис. 1. Схема моделирования состава ГЭК Fig. 1.Simulation circuit of the hybrid energy systems

В качестве расчетной точки выбран город Тюмень, квартал типовой застройки из 20-ти жилых домов, 2-х детских садов и 2-х школ. Общая площадь квартала составляет 400 000 м2, площадь застройки 28 500 м2, площадь улиц1 00 000 м2, зона, свободная от застройки, 271 500 м2.

При расчете учитывалось, что все жилые дома - типовые 12-ти этажные 2-х подъездные здания (20 шт.); отапливаемый объем одного дома Уот = 17 000 м3. Жилые дома соответствуют нормальному классу энергоэффективности с удельной тепловой характеристикой дот = 0,290 м3/°С-сут. Расчетная температура в жилых домах принята равной 20 °С; градусо-сутки отопительного периода (ГСОП) составляют 6 100 °С-сут [8]. Таким образом, количество тепловой энергии, требуемое для отопления двадцати жилых домов за отопительный период, составляет:

0ОТ = п • 0,024 • ГСОП• Уот • дот = 20• 0,024• 6 100 х х 17 000 • 0,290 = 14 435 040 (кВт • ч)

где п - количество жилых домов; 0,024 - коэффициент приведения результата к заданной размерности (кВт • ч).

В состав квартала типовой застройки, как уже было сказано, входят 2 детских сада и 2 школы. Количество тепловой энергии, требуемое для отопления объектов социальной сферы, за год составляет:

бот = 0,024 • ГСОП • X (п • кот, • да,1) = 0,024 • 6100 х

х(2 • 5 000 • 0,520 + 2 • 7 000 • 0,440) = 1 663 104 (кВт • ч),

где 1 - тип объекта социальной сферы; п1 - количество объектов одного типа; - отапливаемый объем одного дома (м3); - удельная тепловая характеристика (м3/°С-сут).

Общая нагрузка системы теплоснабжения

бсумм = бот 1 + бот 2 = 16 098 144 (кВт • ч).

от

Энергопотребление системы уличного освещения Эул, бытового электропотребления многоквартирных жилых домов (МКД), потребления в муниципальных учреждениях Эмуниц, а также потребление

Экоммун коммунальных систем (расход электроэнергии на работу систем тепло- и водоснабжения) составляет:

N

э эул + ЭМКд + Эмуниц + Экоммун Эуд.уд • Fул + • F+щ + Эуд муниц • Д^униц + Эуд.коммун • ^сумм 17 -100 ООО +

+50-1 300 • 20 + 35 • 2 500 +1,8 • 28 500 = 1 608 800 (кВт • ч),

где Эудул = 1,7кВт-ч/м - удельный расход электроэнергии в системе уличного освещения [9]; = 50 кВт-ч/м2 - удельный расход электро-

муниц = 35 кВт'ч/м2 - удель-

'уд.МКД

энергии в МКД [10];

ныи расход электроэнергии в муниципальных учре-

ждениях [9];

= 1,8 кВт-ч/м - удельны" рас-

ход электроэнергии в коммунальных системах [9];

-л , -МКД , -муниц , -сумм - площадь соответствующих

помещении и территории.

Для проведения расчетов было принято, что система отопления относится к потребителям энергии с допустимым перерывом питания до 24 часов, поэтому в ней необходимо предусмотреть накопитель тепловой энергии, который должен обеспечивать надежность работы системы теплоснабжения рассматриваемого жилого квартала в течение суток.

Почасовое потребление электрической энергии для 4-х сезонов года, а также годовой график среднемесячного потребления тепловой энергии представлены на рисунках 2-5.

Зима

400,0

300,0

200,0

100,0

коммун ул.осв Iмуниц МКД

123456789 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

Рис. 2. График среднечасового потребления системы электроснабжения для зимнего периода, кВтч Fig. 2. Diagram of the average hourly consumption of electricity for the winter period, kWh

Лето

250,0 200,0 150,0 100,0 50,0 0,0

123456789 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

Рис. 3. График среднечасового потребления системы электроснабжения для летнего периода, Fig. 3. Diagram of the average hourly consumption of electricity for the summer period, kWh

■ коммун

■ ул. осв

■ муниц МКД

кВтч

Весна/осень

250,0 200,0 150,0 100,0 50,0 0,0

I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I

123456789 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

коммун ул. осв муниц МКД

Рис. 4. График среднечасового потребления системы электроснабжения для переходного весеннего/осеннего периода, кВт ч Fig. 4. Diagram of the average hourly consumption of the power supply system for a transitional spring / autumn period, kWh

уд.коммун

Жилой комплекс

300000 200000 100000 0

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Рис. 5. График среднемесячного потребления системы электроснабжения, кВтч Fig. 5. Diagram of the average monthly consumption of electricity, kWh

коммун ул. осв муниц МКД

Максимальное часовое потребление системы электроснабжения составляет 333,3 кВт-ч (рис. 3, значение для 20:00), соответственно, если электроснабжение осуществляется от ДГУ, то максимальная рабочая мощность (без резервирования) 350 кВт. Поскольку минимальное часовое потребление системы электроснабжения 80,1 кВт-ч (рис. 5, зна-

чение для 04:00), дизельная установка будет состоять из 5-ти ДГУ мощностью по 70 кВт для обеспечения максимального диапазона регулирования нагрузки 30-100 %.

Суточные и годовой графики потребления систем теплоснабжения и горячего водоснабжения представлены на рис. 6-9.

Зима

6000

4000

2000

муниц МКД

I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I

123456789 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

Рис. 6. График среднечасового потребления системы теплоснабжения и горячего водоснабжения для зимнего периода, кВтч Fig. 6. Diagram of the average hourly consumption of heat and hot water for the winter period, kWh

Лето

1000 500 0

I I I I I I I

I......I

i i i i i i i i i i i i i i i i i

муниц

1ИМКД

123456789 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

Рис. 7. График среднечасового потребления системы теплоснабжения и горячего водоснабжения для летнего периода, кВтч Fig. 7. Diagram of the average hourly consumption of heat and hot water for the summer period, kWh

0

Весна / осень

3000 2000 1000

■ ■ ■ ■ I

.......

1

II

муниц МКД

I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I

123456789 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

Рис. 8. График среднечасового потребления системы теплоснабжения и горячего водоснабжения для переходного

весеннего/осеннего периода, кВтч Fig. 8. Diagram of the average hourly consumption of heat and hot water for the transition of the spring / autumn period, kWh

3000000 2000000 1000000 0

Жилой комплекс

д/с+школы МКД

9 10 11 12

Рис. 9. Графиксреднемесячноймощностипотреблениясистемтеплоснабженияигорячеговодоснабжения, кВтч Fig. 9. Diagram of the average power consumption of heating systems and hot water, kWh

4000 3000 2000 1000 0

Жилой комплекс, тепловая нагрузка

III.

Т- -1— —I— —I— —I— —I— —I— —г

1 2 3 4 5 6 7 8

III

9 10 11 12

Рис. 10.График максимального суммарного часового потребления системы теплоснабжения, кВт ч Fig. 10. Diagram of the maximum total hourly consumption of heating, kWh

Из графика, представленного на рис. 10, видно, что максимальный часовой расход энергии на отопление составляет 3,8 МВт-ч, а минимальный часовой расход системы теплоснабжения 0,390 МВт-ч. Для обеспечения надежной работы систем теплоснабжения жилого комплекса по критерию минимизации расхода топлива (работа ДГУ при максимальном КПД) выбран вариант с установкой 3-х котлов на дизельном топливе, мощностью 1 000 кВт, а также двух котлов, мощностью 400 кВт (для работы на систему горячего водоснабжения). Таким образом, мощность ДГУ для теплоснабжения и горячего водоснабжения составит 3,8 МВт, а общая мощность ДГУ, обеспечивающая гарантированное электро- и теплоснабжение, 4,15 МВт.

Для того чтобы оценить эффективность использования энергокомплекса с ВИЭ и аккумуляторами в целях энергообеспечения рассматриваемого объекта, необходимо определить структуру и оптимальный состав данного энерго комплекса по следующей схеме:

1. Определить в расчетной точке технический потенциал энергоресурсов для всех возможных вариантов оборудования.

2. Определить состав потребителей изолированной энергосистемы.

3. Произвести расчеты режима работы ГЭК для разных составов генерирующего оборудования.

4. Провести анализ различных вариантов конфигурации ГЭК, сопоставить их по выбранным критериям эффективности (надежность энергоснабжения, экономичность - снижение потребления топлива, снижение установленной гарантирующей мощности ДГУ).

5. Произвести оценку оптимального состава генерирующего оборудования.

Кроме того, разработать предложения по развитию потребителей и генерирующего оборудования в изолированной энергосистеме.

В состав ГЭК энергоснабжения жилого комплекса, рассмотренного выше, входят: гарантированный источник энергоснабжения - дизель-генераторная установка (ДГУ), а также ветроустановки, солнечные фото-

0

3

4

электрические установки и малые ГЭС, аккумуляторы тепла и электроэнергии, потребители различных типов.

Были проанализированы имеющиеся ресурсы ВИЭ в месте расположения потребителя, затем произведена оптимизация состава установок и их параметров по критерию максимального использования установленной мощности ВИЭ, и, соответственно, доли замещения установленной мощности резервирующей ДГУ при условии выполнения баланса среднесуточной мощности с учетом того, что в составе

ГЭК рассмотрен вариант использования накопителей тепловой и электрической энергии.

Тюменская область отличается большим потенциалом ВИЭ. Так, здесь в течение года практически постоянная среднемесячная скорость ветра с мало изменяющейся повторяемостью. Ниже представлены диаграммы среднемесячной скорости ветра, а также график повторяемости скорости ветра для г. Тюмень (зависимость частоты появления скорости V (м/с) в течение года /„(V) в часах или относительных единицах) (рис. 11-13).

Скорость ветра, м/с

6,00 4,00 2,00 0,00

20 15 10 5 0

янв фев мар апр май июн июл авг сен окт ноя дек

Рис. 11. График среднемноголетней месячной скорости ветра Fig. 11. Diagram of the long-term average annual wind speed

интервал изменения скорости, м/с

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

Рис.12. Повторяемость среднесуточных скоростей ветра за год Fig. 12. The recurrence of daily average wind speeds for the year

Рис. 13. Роза ветров в г. Тюмень для 4-х сезонов года Fig. 13. Wind rose in Tyumen for 4 seasons

Изменение розы ветров, а также уменьшение среднемесячной скорости ветра в летние месяцы, компенсируется увеличением прихода солнечной радиации и продолжительности солнечного сияния с апреля по август.

Графики прихода солнечной радиации и продолжительности солнечного сияния в течение года представлены ниже (рис. 14-15).

9

Приход солнечной радиации, кВт-ч/м2

-1-1-1-1-1-1-1-1-1

янв фев мар апр май июн июл авг сен окт ноя дек

Рис. 14. График прихода солнечной радиации Fig. 14. Diagram of solar radiation

Число часов солнечного сияния в месяц

400

2ОО

янв фев мар апр май июн июл авг сен окт ноя дек

Рис. 15. График продолжительности солнечного сияния в течение года Fig. 15. Diagram of the sunshine duration per year

Кроме того, гидропотенциал Уральского федерального округа один из самых высоких в России [11]: валовой потенциал составляет 42,6 млрд. кВт-ч, технический - 13,6 млрд. кВт-ч в год. Река Тура, протекающая по территории Тюменской области, является основным источником воды для системы водоснабжения города; её гидропотенциал составляет 81 млн. кВт-ч в год, технический - 14,3 млн. кВт-ч.

В практике обоснования эффективности установок на основе ВИЭ в составе комплексов с ДГУ обычно

рассматривается экономия топлива ДГУ, т.е. уменьшение выработки ДГУ. В качестве показателя эффективности внедрения системы децентрализованного отопления с тепловыми аккумуляторами в данной работе выбран показатель снижения установленной мощности гарантирующей ДГУ, а также показатель экономии топлива. Баланс среднемесячной мощности жилого комплекса представлен на рисунке 16.

Баланс среднемесячной мощности жилого комплекса

3 ООО ООО 2 500 ООО 2 ООО ООО 1 500 000 1 000 000 5ОО ООО

ШЭУ HreC ВЭУ ДГУ

9 10 11 12

О

З

Рис. 16. Баланс среднемесячной мощности, кВт Fig. 16. The average power balance, kW

Для оценки стоимости сооружения ГЭК авторами данной статьи использовались средние цены за кВт установленной мощности агрегатов ВИЭ, которые представлены в мировом отчете по Возобновляемым источникам энергии [12]:

• Малые гидроэлектростанции (МГЭС): (1 750^6 000) $/кВт;

• Солнечные фотоэлектрические установки (СФЭУ) в децентрализованных энергосистемах: (1 400^2 000) $/кВт;

• ВЭУ в децентрализованных энергосистемах: (1 900^6 000) $/кВт;

• Солнечные энергетические установки (СЭУ) для производства тепловой энергии: (460^780) $/кВт;

• ДГУ: (500^1 000) $/кВт.

Параметры теплового аккумулятора были рассчи-'аны для обеспечения 'еплом и горячей водой зданий жилого комплекса в течение 24 часов при температуре наружного воздуха -38 °С (температура воздуха наиболее холодной пятидневки с обеспеченностью 0,92).

О = 0,024• (/ -/°'92)-1 • К а = 0,024• (20-(-38))х

г^от > ^ вн нар ' от -/от > \ \ //

х 1 • 17 000 • 0,290 = 6862,56 (кВт • ч),

где /вн - температура воздуха внутри помещений,

(°С); /¿92 - температура воздуха наиболее холодной

пятидневки с обеспеченностью 0,92, (°С).

При этом объем теплового аккумулятора составляет порядка 80 000 л или 80 тонн воды.

В результате оптимизации состава ГЭК, были выбраны следующие установки:

• ВЭУ мощностью 50 кВт в количестве 20 шт., 2 625 тыс. $;

• СФЭУ общей мощностью 35 кВт, размещаемые на крышах зданий, 57,75 тыс. $;

• МГЭС, установленная мощность которой 600 кВт, 1 320 тыс. $;

• ДГУ установленной мощностью 2,2 МВт, 1 540 тыс. $.

• Аккумулятор электрической энергии, 300 тыс. $.

• Аккумулятор тепловой энергии, 450 тыс. $.

• Расход топлива составит около 5 200 т.

• Затраты на топливо в год 3 630 тыс. $.

Таким образом, с оимос ь оборудования оценивается в 6 982,9 тыс. $, а годовой расход энергии составит 17 702 МВт-ч.

Заключение

В результате расчетов параметров ГЭК различной конфигурации были получены значения показа елей, демонстрирующие долю замещения установленной мощности ДГУ, а также увеличение коэффициента использования установленной мощности (КИУМ) ВИЭ ( аблица 1 и рисунок 17):

ЛЧ/А - е -

-✓А.С 'и1

Эффективность применения системы аккумуляторов в ГЭК Efficiency of the system battery in HES

Таблица 1

Table 1

Состав энергокомплекса Установленная мощность ДГУ, кВт Доля замещения установленной мощности ДГУ, % КИУМ, %

ДГУ 4150 0 -

ДГУ + МГЭС + ВЭУ + СФЭУ 3622,95 12,7 14,70

ДГУ + МГЭС + ВЭУ + СФЭУ + аккумулятор ЭЭ 3365,65 18,9 17,36

ДГУ + МГЭС + ВЭУ + СФЭУ + аккумулятор ТЭ 2647,7 36,2 31,58

ДГУ + МГЭС + ВЭУ + СФЭУ + аккумулятор ЭЭ + аккумулятор ТЭ 2114,56 59,8 48,40

i Э"

s

О

ia

£ s

to 3

a

N

5000 4000 3000 2000 1000 0

Установленная мощность ДГУ, кВт

+

>ЛГЭС

+

+

B3V

+

сфэ^^СФЭ^^3

АВЭЭ

B3V

+

C03V

+

ЛБЭЭ

+

Рис. 17. Уменьшение установленной мощности ДГУ в зависимости от состава энергокомплекса Fig. 17. The reducing of diesel generator set installed capacity depending on the composition of the energy complex

Таким образом, изменение состава ГЭК путем ввода аккумуляторов электрической энергии и тепла позволит не только повысить надежность тепло- и электроснабжения потребителей, но и сократить установленную мощность гарантирующего источника энергоснабжения (ДГУ), из чего следует, что ГЭК в приведенной конфигурации обладает гарантированной мощностью, что меняет концепцию использования данного типа энергоустановок.

В перспективе планируется рассмотреть возможность полной или частичной замены ДГУ, которые выступают в роли гарантированного источника энергоснабжения, на генерирующие установки, работающие от местных видов топлива, такие как котельные на твёрдом топливе (пеллеты, щепа). Такой вариант будет принят к рассмотрению по результатам анализа мирового отчета по Возобновляемым источникам энергии GlobalStatusReportREN 2014 [12].

Список литературы

1. Мартынов А.В. Децентрализованные системы теплоснабжения // Новости теплоснабжения. 2006. № 7. С. 24-27.

2. Хараим А.А., Ильич В.Н. Современная история теплофикации, заслуживающей лучшей судьбы // Новости теплоснабжения. 2008. № 5. С. 37-41.

3. Портал «Когенерация.ру» [Электронный ресурс]: http ://www. cogeneration. ru/base-benefits/base. html

4. Васьков А.Г., Коваленко Е.В., Тягунов М.Г., Шарапов С.А. Использование гибридных энергокомплексов на основе возобновляемых источников энергии в распределенной энергетике // Энергетик. 2014. № 2. С. 25-27.

5. Машенков А.Н., Филимонов А.В. О контроле состояния тепловых сетей // Новости теплоснабжения. 2003. № 10. С. 27-29.

6. Комплексная программа «Энергосбережение и повышение энергетической эффективности в Тюменской области» на 2010-2020 годы. Приложение к распоряжению Правительства Тюменской области от 11 октября 2010 г. № 1521-рп.

7. В Тюменской области отходы деревообработки будут использовать в теплоснабжении. [Электронный ресурс]: http://www.t-l.ru/161269.html

8. Башмаков И. А. Анализ основных тенденций развития систем теплоснабжения России (Часть 2) // Новости теплоснабжения. 2008. № 3. С. 91-111.

9. Приказ департамента тарифной и ценовой политики Тюменской области от 20 августа 2012 г. № 183/01-05-ос.

10. СП 50.13330.2012 Тепловая защита зданий. Актуализированная редакция СНиП 23-02-2003. Минрегион России, 2012.

11. Возобновляемые источники энергии как объекты инвестиций «Проекты строительства малых ГЭС». ОАО «УК ГидроОГК». Москва, 2008.

12. Renewables 2014 Global Status Report [Электронный ресурс]: http:// ren21.net/REN21Activities/GlobalStatusReport.aspx

References

1. Martynov A.V. Decentralizovannye sistemy teplosnabzenia. Novosti teplosnabzeniä, 2006, no. 7, pp. 24-27 (in Russ.).

2. Haraim A.A., Ilich V.N. Sovremennaa istoria tep-lofikacii, zasluzivaüsej lucsej sud'by. Novosti teplosnabzeniä, 2008, no. 5, pp. 37-41 (in Russ.).

3. Website «Kogeneracija.ru» Available at: http ://www. cogeneration.ru/base-benefits/base. html

4. Vaskov A.G., Kovalenko E.V., Tyagunov M.G., Sha-rapov S.A. Ispol'zovanie gibridnyh energokompleksov na osnove vozobnovlaemyh istocnikov energii v raspredelen-noj energetike. Energetik, 2014, no. 2, pp. 25-27 (in Russ.).

5. Mashenkov A.N., Filimonov A.V. O kontrole sos-toania teplovyh setej. Novosti teplosnabzeniä, 2003, no. 10, pp. 27-29 (in Russ.).

6. Kompleksnaa programma «Energosberezenie I povysenie energeticeskoj effektivnosti v Tümenskoj ob-lasti» na 2010-2020. Prilozenie k rasporazeniü Pravi-tel'stva Tümenskoj oblasti 11 October 2010, no. 1521-rp (in Russ.).

7. V Tümenskoj oblasti othody derevoobrabotki bu-dut ispol'zovat' v teplosnabzenii. Available at: http://www.t-l.ru/161269.html (in Russ.).

8. Bashmakov I.A. Analiz osnovnyh tendencij razvi-tia sistem teplosnabzeniä Rossii (Part 2). Novosti teplosnabzeniä, 2008, no. 3, pp. 91-111 (in Russ.).

9. Prikaz departamenta tarifnoj i cenovoj politiki Tümenskoj oblasti 20 August 2012, no.183/01-05-os.

10. SP 50.13330.2012 Teplovaa zasita zdanij. Aktua-lizirovannaa redakcia SNiP 23-02-2003. Minregion Rossii, 2012 (in Russ.).

11. Vozobnovlaemye istocniki energii kak ob"ekt yinvesticij «Proekty stroitel'stva malyh GES». OAO «UK GidroOGK». Moscow, 2008 (in Russ.).

12. Renewables 2014 Global Status Report Available at: http://ren21.net/REN21Activities/GlobalStatusReport.aspx (in Eng.).

м,

- G -'и1

с о

-О

N

Транслитерация no ISO 9:1995