CC BY
33
УДК 621.311
doi 10.24411/2221-0458-2020-10032
ОЦЕНКА НАДЕЖНОСТИ СИСТЕМЫ ГЕНЕРАЦИИ МАЛЫХ ГЭС НА ПРИМЕРЕ ТОДЖИНСКОГО РАЙОНА
Кенден К.В.
Тувинский государственный университет, г. Кызыл
ESTIMATION OF RELIABILITY OF SMALL HYDRO POWER GENERATION SYSTEM (BASED ON A SAMPLE OF THE TOZHU DISTRICT)
K. V. Kenden Tuvan State University, Kyzyl
Республика Тыва является регионом с огромным гидроэнергетическим потенциалом, который по оценке РусГидро составляет порядка 8 ГВт. С использованием энергии малых рек можно частично или полностью решить вопрос электрификации удаленных населенных пунктов республики, функционирующих от дизельных генераторов. Но потенциал малых рек Тывы практически не изучен и требует дополнительных гидроэнергетических расчетов для дальнейшей технико-экономической оценки строительства малых и микро гидроэлектростанций.
В работе выполнена оценка надежности вариантов системы генерации малых гидроэлектростанций на примере Тоджинского района. Для изолированных потребителей Тоджинского района произведена оценка показателей экономической эффективности электроснабжения для трех вариантов малой ГЭС, сооружаемой на реке Большой Енисей.
Ключевые слова: вероятность состояний; восстановление; выработка электроэнергии; малая гидроэлектростанция; метод пространства состояний; надежность; отказ
The Republic of Tuva is a region with a huge hydroelectric potential, which according to RusHydro is about 8 GW. Using the energy of small rivers, it is possible to partially or completely solve the problem of electrification of remote localities of the republic that operate from diesel generators. However, the potential of small Tuvan rivers has not been studied and requires additional hydroelectric calculations for further technical and economic evaluation of the construction of small and micro hydroelectric power plants.
The paper evaluates the reliability of options for generating small hydroelectric power stations based on a sample of the Tozhu district. For isolated consumers of the Tozu district, an
assessment of the economic efficiency of electricity supply for three variants of a small hydroelectric power station being constructed on the Big Yenisei (Bii-Khem) river was made.
Keywords: probability of the state; recovery; power generation; small hydroelectric power station; state space method; reliability; failure
В качестве первоочередного варианта размещения малой гидроэлектростанции (МГЭС) на территории
децентрализованных районов Тувы рекомендуется рассматривать створы бассейна Большой Енисей, т.к. большое количество изолированных населенных пунктов расположены вблизи этого
бассейна. Некоторые створы (1,2,3,4) бассейна находятся на большом удалении от населенных пунктов и находятся в труднодоступных местах, другие створы (11,12,13,14), наоборот, находятся в зоне централизованного электроснабжения (рисунок 1).
Рисунок 1 - Речная сеть бассейна Большой Енисей Створы бассейна: 1 - Серлиг-Хем; 2 - Баш-Хем; 3 - Харал; 4 - Оо-Хем; 5 - Тоора-Хем; 6 - Ий; 7 Хамсара; 8 - Сыстыг-Хем; 9 - Сейба; 10 - Хут; 11 - Улуг-Оо; 12 - Ожу; 13 - Уюк; 14 - Тапса.
Для электроснабжения
изолированных потребителей следует рассматривать створы (5,6,7,8,9,10), расположенные вблизи изолированных населенных пунктов. На территории Большого Енисея функционируют
гидрологические посты на реке Большой Енисей, расположенный вблизи с. Тоора-Хем, и на створе реки Хамсара рядом с. Хамсара. Исходными данными для расчета гидроэнергетического потенциала створов (5,6,8,9,10) явились топографическая карта
масштаба 1:100000 и общегеографическая карта масштаба 1:1000000. Поэтому расчет гидроэнергетического потенциала
перечисленных створов производился по
Характеристики основ:
методу линейного учета [1]. Полученные значения среднегодовой мощности Р, кВт, всех перспективных створов представлены в таблице 1.
Таблица 1
притоков р. Большой Енисей
№ створа Створ Рассчитанная среднегодовая мощность,-' Вт
5 Тоора-Хем 3356
6 Ий 1148
7 Хамсара 5753
8 Сыстыг-Хем 3469
9 Сейба 2695
10 Хут 4577
Чтобы оценить надежность МГЭС рекомендуется описать систему ее состояниями и возможными переходами между этими состояниями. Состояние системы МГЭС определяется состоянием каждого гидроагрегата (ГА). Если изменяется состояние одного из ГА, то и система МГЭС переходит в новое состояние. Поэтому, все возможные состояния системы образуют пространство состояний [2].
Основное преимущество метода пространства состояний - возможность применения для описания процесса переходов системы из одного состояния в другое модели Маркова. Условие применимости данной модели состоит в том, что вероятность перехода их одного любого состояния в любое другое состояние не должно зависеть от состояний, в которых система находилась ранее. Если условие удовлетворяется, то
переходы между состояниями лучше всего описать при помощи их интенсивностей. Интенсивности переходов считаются постоянными, если интервалы времени, прошедшего до всех событий, способных вызвать изменение состояния системы, распределены по экспоненциальному закону [2-6].
Один ГА может находиться в одном из двух состояний: El - работоспособное, Eo - неработоспособное. Если X -интенсивность отказов, а ц -интенсивность восстановления, причем ц=1/т (т - время восстановления), то граф переходов из состояния в состояние с обозначением вероятностей переходов за время dt будет иметь вид [4], представленный на рисунке 2.
Е1 Е0
Рисунок 2 - Граф переходов состояний
Дифференциальные уравнения для вероятностей состояний, соответствующие этому графу:
где Р\(!) - вероятность застать ГА в состоянии Е1, Ро(0 - в состоянии Ео.
При начальных условиях Р1(0)=1, Ро(0)=0 и условии, что Е1 и Ео представляют собой полную группу событий (Р1(1;)+Ро(1;)=1), решение дифференциальных уравнений имеет вид:
При значении процесс
переходов устанавливается, и вероятность Р1 перестает зависеть от времени:
Полное число состояний М]
Величина Р1(<х>) и называется коэффициентом готовности Кг.
В качестве примера рассмотрена система генерации МГЭС с бассейном суточного регулирования с общей мощностью 2,4 МВт, состоящей из трех одинаковых ГА, мощность каждого составляет 0,8 МВт.
Полное число состояний системы генерации МГЭС представлено в таблице 2. Число состояний системы МГЭС с одинаковыми мощностями ГА можно существенно уменьшить, объединив состояния с одинаковыми мощностями. Из таблицы 2, видно, что это 4 различных состояния МГЭС с мощностями: 2.4 МВт, 1,6 МВт, 0,8 МВт и 0 МВт.
Таблица 2
с тремя ГА (и - работа, Б - отказ)
Номер состояния системы 0 1 2 3 4 5 6 7
Состояние ГА:
1 U D U U D U D D
2 U U D U D D U D
3 U U U D U D D D
Мощность ГА в рабочем состоянии, МВт 2,4 1,6 1,6 1,6 0,8 0,8 0,8 0
Представленные состояния элементов отражены в диаграмме переходов состояний системы МГЭС на рисунке 3, а).
Упрощенная диаграмма с 4-мя состояниями для системы МГЭС представлена на рисунке 3, б), а система
дифференциальных уравнений для вероятностей состояний, соответствующих диаграмме будут иметь следующий вид:
Pz(t) = -О + Я) ■ P2(t) + 2Ä ■ Pt(t) + Зц ■ P3(t)P3(t) = ■ P3(t) + А ■ P2(t)
Начальные условия: Ро(0)=1, Р1(0)=0, Рг(0)=0, Рэ(0)=0 ; E\, Ег, E3 и Е4 - полная группа событий Р0(1)+Р1(1)+Р2(1)+Рэ(1)=1.
а) 8 состояний б) 4 состояния
Рисунок 3 - Диаграммы переходов состояний для МГЭС с тремя ГА
Для решения систем
дифференциальных уравнений,
описывающих модели надежности систем МГЭС была разработана компьютерная программа в среде Mathcad 15. По результатам расчетов получают графики распределения вероятности состояний системы МГЭС.
Коэффициент готовности для МГЭС, состоящей из трех ГА будет определяться по формуле как сумма частных решений дифференциальных уравнений,
характеризующих безотказную работу при сроке службы ГА t=50 лет:
Зная коэффициент готовности системы МГЭС можно определить выработку электроэнергии. Формулу для оценки выработки электроэнергии с учетом надежности ГА можно переписать в виде:
где РЬ1ГЭС, кВт - установленная мощность МГЭС.
Для МГЭС были предложены три варианта электроснабжения с различным составом мощности ГА, при этом в каждом варианте мощности отдельных ГА являются одинаковыми. Согласно [2], интенсивность отказов ГА будет составлять Х=1,3 ед./год, а интенсивность восстановления ГА р=1,5 ед./год.
Для расчета выработки
электроэнергии МГЭС по предложенным вариантам составляются диаграммы переходов состояний, на основе которых получают дифференциальные уравнения первого порядка. Решение
дифференциальных уравнений для трех вариантов МГЭС в программе «МаШсаё»
дает возможность получить характер изменения вероятностей состояний МГЭС от времени. По значениям среднегодовой мощности МГЭС и коэффициента готовности для вариантов системы МГЭС определяется среднегодовая выработка электроэнергии.
Для системы МГЭС с тремя ГА, при котором мощность каждого ГА составляет 0,8 МВт, распределение вероятности состояний ГА принимает вид, представленный на рисунке 4.
Рассматриваются следующие
состояния: Ро - все ГА находятся в работоспособном состоянии, Р1 - 2 ГА имеют работоспособное состояние, 1 ГА неработоспособен, Р2 - 1 ГА находится работоспособном состоянии, 2 ГА неработоспособны, Р3 - все ГА находятся в неработоспособном состоянии.
Распределение вероятностей
состояний с четырьмя (мощность каждого ГА составляет 0,6 МВт) и с пятью ГА (мощность каждого ГА составляет 0,5 МВт) представлены в приложении Б.
Рисунок 4 - Распределение вероятности состояний системы МГЭС с тремя ГА мощностью
по 0,8 МВт
Имея значение коэффициента готовности для трех вариантов МГЭС можно определить среднегодовую выработку МГЭС (таблица 3).
Таблица 3
Среднегодовые значения выработки электроэнергии для трех вариантов
МГЭС
Число ГА Коэффициент готовности МГЭС Общая выработка МГЭС, МВт*час/год
3 0,746 6359
4 0,871 7424
5 0,934 7961
Следует отметить, что с увеличением числа ГА увеличивается общая выработка электроэнергии МГЭС, но уменьшается выработка электроэнергии каждого ГА.
Для изолированных потребителей Тоджинского района от МГЭС по разработанной в пункте 3.5 методике произведена оценка показателей экономической эффективности электроснабжения для трех вариантов МГЭС, сооружаемой на р. Большой Енисей.
Исходными данными для расчета технико-экономических показателей
вариантов МГЭС являются:
1) Среднегодовое потребление
электроэнергии составляет = 8399
МВч/год;
Таблица 4
Распределение затрат на строительство деривационной МГЭС для трех вариантов малой, _тыс. руб.__
Затраты Мощность ГА N, кВт
500 630 800
Число ГА :: 5 4 3
Основное оборудование, :н: г 87500 74340 62400
Вспомогательное и электрическое оборудование, - = :г: г 14583 12390 10400
Прочее оборудование, С "1- ■: 14583 12390 10400
Проектно-изыскательные работы, 29167 24780 20800
Строительная часть, 116667 99120 83200
Увеличение затрат за период строительства, -у: 29167 24780 20800
Полная стоимость на строительство МГЭС,- : г.-: 291667 247800 208000
2) Среднегодовые значения выработки электроэнергии для трех вариантов И^ПЭС' МВ ч/год (таблица 4.9);
3) Стоимость комплекта оборудования Смгэс, тыс. руб [7].
Распределение затрат на строительство МГЭС деривационного типа для трех вариантов представлено в таблице 4.
Для определения затрат на ЛЭП разработана схема электроснабжения от МГЭС до населенных пунктов в западном направлении - Ырбан протяженностью 7,75 км и в юго-восточном - Тоора-Хем и Ий длинной трассы 36 и 23 км соответственно (рисунок 5).
Рисунок 5 - Схема электроснабжения МГЭС для электроснабжения потребителей
Тоджинского района
Передача мощности в населенные пункты Тоора-Хем и Ий планируется выполнить на напряжении 35 кВ с длиной трассы 36 км. Для этого на МГЭС предусматривается повысительная ПС 10/35 кВ с двумя трансформаторами по 1000 кВА. В Тоора-Хем предусматривается понизительная ПС 35/10 кВ с двумя трансформаторами по 1000 кВА, а в Ий ПС 10/0,4 кВ с двумя транформаторами по 400кВА.
Выдача мощности в Ырбан выполняется от МГЭС по высоковольтной линии 10 кВ протяженностью 7,75 км. В Ырбан предусматривается понизительная ПС 10/04 кВ с двумя трансформаторами по 400кВ.
Затраты на ЛЭП для схемы электроснабжения МГЭС для электроснабжения потребителей Тоджинского района, изображенной на рисунке 5, рассчитаны по укрупненным показателям ЛЭП и ПС [8] и составили 72177 тыс. руб. для трех вариантов МГЭС.
Имея значения капитальных затрат на строительство МГЭС, ЛЭП и ежегодных эксплуатационных издержек, определены по приведенной в [9], методике оценки технико-экономических показателей
МГЭС деривационного типа для каждого варианта (таблица 5).
Таблица 5
Технико-экономические показатели вариантов МГЭС
Показатель Мощность ГА N, кВт
500 630 800
Число ГА :: 5 4 3
Приведенные затраты для МГЭС и ЛЭП , тыс. руб. 57885 51165 45069
Себестоимость электроэнергии от МГЭС, -: г .-: , руб./кВтчас 1,96 1,89 1,97
Удельная выработка электроэнергии на 1 кВт установленной мощности, ■ ' кВтчас/кВт 3138 2903 2611
Денежный эквивалент «вытесненному» дизельному топливу, т--, тыс. руб. 84722 79008 67669
Срок окупаемости проекта, -; :■, лет 0,7 0,6 0,7
Чистая приведенная стоимость проекта, - ■, тыс. руб. 5 023 617 4 701 111 4011016
Результаты, достигаемые после создания МГЭС для электроснабжения изолированных потребителей Тоджинского района:
— электростанция с ДГ будет полностью заменена на МГЭС, способную покрыть нагрузку до 2500 кВт;
— ДГ будет использоваться как резервный источник энергии для случаев,
Библиографический список
1. Кенден, К. В. Методы расчета гидроэнергетического потенциала рек республики Тыва / К. В. Кенден. - Текст : непосредственный // Вестник Тувинского государственного университета. № 3 Технические и физико-математические науки. - Кызыл. - 2о19. - Вып.2 (46). - С. 52-бо.
2. Тремясов, В. А. Надежность электроснабжения
: учебное пособие / В. А. Тремясов. -Красноярск : ИПЦ КГТУ, 2006. - 163 с. -Текст : непосредственный.
3. Фокин, Ю. А. Оценка надежности систем электроснабжения / Ю. А. Фокин, В. А. Туфанов. - Москва : Энергоатомиздат, 1981. -224 с. - Текст : непосредственный.
4. Кенден, К. В. Оценка надежности системы генерации МГЭС в изолированных энергосистемах / К. В. Кенден, В. А. Тремясов, Т. В. Кривенко. - Текст : непосредственный // Энергетика : управление, качество и эффективность использования энергоресурсов : сборник трудов седьмой Всероссийской научно-технической конференции с международным участием. - Благовещенск : Издательство АмГУ, 2015. - С. 143-148
5. Лукутин, Б. В. Использование механической энергии возобновляемых природных источников для электроснабжения автономных потребителей / Б. В. Лукутин, Г. А. Сипайлов. - Фрунзе : ИЛИМ, 1987. - Текст : непосредственный.
6. Веников, В. А. Применение статистических методов факторного планирования эксперимента и расчета к оценке статической устойчивости при учете неточности задания
если возникнут непредвиденные ситуации, связанные с аварией МГЭС, и, если потребляемая нагрузка будет больше 25оокВт;
— уменьшатся затраты на покупку, доставку и обслуживание дизельного топлива.
параметров схем и режимов электрических систем / В. А. Веников, И. Д. Анисимова, Н. К. Круг, В. М. Артемьева. - Текст : непосредственный // Известия вузов. Энергетика. - 1973 - №4.
7. Твайделл, Дж. Возобновляемые источники энергии : перевод с английского / Дж. Твайделл, А. Уэйр. - Москва : Энергоиздет, 1990. - 392 с. - Текст : непосредственный.
8. Укрупненные стоимостные показатели магистральных линий электропередачи и подстанций напряжением 35-750 кВ (2013 г.) ОАО «ФСК ЕЭС». - Текст : непосредственный.
9. Кенден, К. В. Технико-экономическая оценка вариантов состава Микро-ГЭС для села Тоолайлыг / К. В. Кенден, С. А. Кужугет, А. А. Ооржак. - Текст : непосредственный // Вестник Тувинского государственного университета. № 3 Технические и физико-математические науки. - Кызыл. - 2018. - Вып. 3 (38). - С. 25-30.
References
1. Kenden K. V. Metody rascheta gidrojenergeticheskogo potencíala rek respubliki Tyva [Methods for calculating the hydroelectric potential of the rivers of the Republic of Tyva]. Vestnik of Tuvan State University, no. 3, Technical Sciences. Physical and Mathematical Sciences. Kyzyl, 2019, vol.2 (46), pp. 52-60. (In Russian)
2. Tremasov V. A. Nadezhnost' jelektrosnabzhenija: ucheb. posobie [Reliability of power supply: proc. a manual]. Krasnoyarsk, STU, 2006. - 163 p. (In Russian)
3. Fokin Yu. A. Ocenka nadezhnosti sistem jelektrosnabzhenija [Assessment of reliability of power supply systems]. Moscow,
Energoatomizdat Publ., 1981, 224 p. (In Russian)
4. Kenden K. V. Ocenka nadezhnosti sistemy generacii MGJeS v izolirovannyh jenergosistemah Jenergetika: upravlenie, kachestvo i jeffektivnost' ispol'zovanija jenergoresursov: Sbornik trudov sed'moj Vserossijskoj nauchno-tehnicheskoj konferencii s mezhdunarodnym uchastiem [Assessment of reliability of the MSPP generation system in isolated power systems. Energetics: management, quality and efficiency of energy resources use: Proceedings of the seventh All-Russian scientific and technical conference with international participation]. Blagoveshchensk, Amga Publ., 2015, pp. 143-148. (In Russian)
5. Lukutin B. V. Ispol'zovanie mehanicheskoj jenergii vozobnovljaemyh prirodnyh istochnikov dlja jelektrosnabzhenija avtonomnyh potrebitelej [Use of mechanical energy of renewable natural sources for power supply of autonomous consumers]. Frunze: ILIM Publ., 1987. (In Russian)
6. Venikov V. A. Primenenie statisticheskih metodov faktornogo planirovanija jeksperimenta i rascheta k ocenke staticheskoj ustojchivosti pri uchete netochnosti zadanija parametrov shem i rezhimov
7.
8.
jelektricheskih sistem [Application of statistical methods of factor planning of experiment and calculation to the estimation of static stability when accounting for inaccuracies in setting parameters of schemes and modes of electrical systems]. Izvestiya vuzov. Energija [Universities Journal. Energy]. 1973, no. 4. (in Russian) Twydell Jnr., Ware A. Vozobnovljaemye istochniki jenergii [Renewable energy sources. TRANS. from the English]. Moscow, Energoizdat Publ., 1990, 392 p. (In Russian)
Ukrupnennye stoimostnye pokazateli magistral'nyh linij jelektroperedachi i podstancij naprjazheniem 35-750 kV (2013 g.) OAO «FSK EJeS» [Consolidated cost indicators of main power transmission lines and substations with a voltage of 35-750 kV (2013) of JSC FGC UES]. (In Russian)
9. Kenden K. V. Tehniko-jekonomicheskaja ocenka variantov sostava Mikro-GJeS dlja s. Toolajlyg [Technical and economic assessment of micro-HPP composition options for S. Toolaylig]. Vestnik of Tuvan State University, no. 3 Technical Sciences. Physical and Mathematical Sciences. Kyzyl, 2018, vol.3 (38), pp. 25-30. (In Russian)
Кенден Кара-кыс Вадимовна, старший преподаватель Тувинского государственного университета, г. Кызыл, e-mail.ru: [email protected]
Kenden Kara-kys Vadimovna, Senior Lecturer, Tuvan State University, Kyzyl, e-mail.ru: [email protected]
Дата поступления статьи в редакцию 05.03.2020
