CC BY
78
Состояние и перспективы развития малой энергетики для сельских поселений Приволжского федерального округа
СА. Соловьев, д.т.н., профессор; Г£. Петрова,
д.с-х.н, профессор; В.И. Чиндяскин, к.т.н, Оренбургский ГАУ
Перспективное развитие агропромышленного комплекса России связано с надежной и качественной работой сельских распределительных электрических сетей (СРЭС), которые являются завершающим звеном в системе обеспечения электроэнергией сельских потребителей.
По статистическим данным, в настоящее время отработали свой ресурс более 50 тыс. км ВЛ 35—110 кВ, 560 тыс. км ВЛ 6—10 кВ и 510 тыс. км ВЛ 0,38 кВ. Около 30—35% воздушных линий и трансформаторов отработали свой нормативный срок. Средняя продолжительность отключений потребителей составляет 70—100 ч в год, в то время как в промышленно развитых странах — 60 мин в год [1].
Поэтому проведение научных исследований и разработка рекомендаций по созданию устойчивых и экономически эффективных локальных систем электроснабжения сельских поселений на
основе комплексного использования альтернативных источников электроэнергии являются важной задачей.
Данная работа представляет собой часть исследований, которые проводились ОГАУ в рамках ФЦП «Социальное развитие села до 2012 г.» по теме НИР на конкурсной основе. По результатам исследований выполнена разработка рекомендаций по созданию устойчивых и экономически эффективных локальных систем электроснабжения сельских поселений от 100 до 500 дворов на основе комплексного использования альтернативных источников электроэнергии — ветроэнергетических, малых ГЭС, газотурбинных и газопоршневых электростанций для Приволжского федерального округа.
Проведен анализ технического состояния электроэнергетических комплексов областей Приволжского федерального округа: Кировской, Нижегородской, Оренбургской, Пензенской, Самарской, Саратовской, Ульяновской по состоянию на 01.01.2008 г. (рис. 1—6).
Кировэнерго Саратовские РС
41 38
Пензаэнерго Оренбургэнерго
31 42
Рис. 1 — Количество РЭС на 01.01.2008 г. Всего — 262 шт.
Саратов- Самар- Ульянов- Оренбург- Пенза- Нижнов- Кировские РС ские РС ские РС энерго энерго энерго энерго
Рис. 2 — Площадь обслуживания (кв. км). Общая площадь 556,9 тыс. кв. км
Кировэнерго
31473,51
14%
Саратовские РС 39787 22%
Нижновэнерго
49303,09
23%
Пензаэнерго
26841,4
16%
Оренбургэнерго
32051,8
18%
Самарские РС 22110 13%
Ульяновские РС 18198 11%
Рис. 3 — Протяженность ВЛ-0.4-10 кВ (км) на 01.01.08 г. Общая протяженность — 219765 км 70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
] хорошее
Саратов Самара
26% 47%
Ульяновск
42%
Оренбург Пенза Н. Новгород
15% 61 % 32%
□ удовлетворительное 52%
неудовлетворительное 17%
непригодное 5%
32%
10%
10%
45%
12%
1%
53%
31%
1%
19%
18%
2%
58%
7%
2%
58%
14%
0,1%
Рис. 4 — Техническое состояние ВЛ 0,4 кВ на 01.01.08
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
■л_________________
—I ----------- ------------28%
1 25% Р
1 \ ^ \ 10% \ 11% IЫ її ■
Саратов
Самара Ульяновск
9% 8% 14%
п
Н.Новгород
Киров
□ хорошее
□ удовлетворительное
31%
38%
48%
39%
28%
61%
72%
17%
41%
49%
27%
58%
неудовлетворительное ] непригодное
25%
6%
10%
2%
11%
0,1%
28%
1%
8%
2%
14%
0,1%
Рис. 5 — Техническое состояние ТП 6-10/0,4 кВ на 01.01.08
61%
61%
58%
49%
41%
38%
27%
68
68
68
67
66
65
64
63
62
61
60
Саратов Самара Ульяновск Оренбург Пенза Н.Новгород Киров Рис. 6 — Физический износ основных фондов (%) на 01.01.08
Вышеприведенные данные свидетельствуют как о позитивном в развитии сетевых компаний Приволжского федерального округа, так и о серьезных проблемах.
Итак, по состоянию на 01.01.08 г. более 60% электрооборудования отработали нормативный срок эксплуатации.
В настоящее время на балансе 7 электросетевых компаний находятся около 275118 км воздушных и кабельных линий 0,38—220 кВ. Воздушные линии электропередач (ЛЭП) в основном являются радиальными, оснащены, как правило, алюминиевыми и сталеалюминиевыми проводами. При этом более 16% ВЛ 10—6—0,4кВ находятся в неудовлетворительном и непригодном состоянии. Парк силовых трансформаторов морально и технически устарел, более 45% силовых трансформаторов напряжением 35кВ и выше отработали более 25 лет. Трансформаторные подстанции (ТП) 6—10/0,4 кВ, как правило, однотрансформаторные и подключены к ЛЭП в основном по тупиковой схеме и более 16% подстанций от общего числа ТП находятся в неудовлетворительном и непригодном состоянии.
В электрических сетях 6—10 кВ в среднем регистрируется 26 отключений в год на 100 км ЛЭП, в электросетях 0,4 кВ происходит до 100 отключений на 100 км. При нормативном сроке службы устройств РЗА, равном 12 годам, около 50% всех комплектов релейной защиты отработали свой нормативный срок службы. Отставание уровня выпускаемой отечественной техники РЗА по сравнению с техникой РЗА ведущих зарубежных фирм-производителей составляет 15—20 лет.
Таким образом, учитывая вышеизложенное, следует отметить, что большая часть электрооборудования и средств управления им отработали
свой ресурс в эксплуатации, и поэтому сельские электрические сети 0,4 и 10—6 кВ имеют низкую эффективность работы. Исходя из этого, необходимо, наряду с реконструкцией и техническим перевооружением традиционной энергетики, развивать альтернативные виды электроснабжения [2—4].
Следует отметить, что в настоящее время электрифицированы практически все сельские поселения Поволжья и центральной части России с количеством дворов от 100 до 500. Имеется часть сельских поселений, расположенных на значительном расстоянии, 10—30 км, от центров питания и снабжаемых по одной линии 6—10 кВ, которые нуждаются в повышении надежности электроснабжения. Поэтому возникла необходимость оценки эффективности создания небольших электростанций для повышения надежности электроснабжения удаленных сельских поселений.
Опросными листами установлено, что все выявленные поселения подключены к распределительным сетям снабжения природным газом, не обладают необходимыми запасами гидроресурсов, находятся в ветровой зоне с незначительным потенциалом ветровой энергии (среднегодовая скорость ветра меньше 3,5—4,5 м/с). Рассматриваемые варианты использования различных видов генерации альтернативных источников энергии предусматривают параллельную работу источников с электрическими сетями.
Рассмотрены вопросы повышения надежности электроснабжения удаленных поселений в условиях повышенного износа сельских электрических сетей с применением ветроэлектрических (ВЭС) и гидроэлектрических (ГЭС) электростанций, использующих возобновляемые источники
энергии, а также тепловых газотурбинных (ГТУ) и газопоршневых (ГПЭС) электростанций. Характер нагрузок систем электроснабжения сельских поселений представлен на рис. 7, где приведено в относительном виде сезонное электропотребление одним «осредненным» домом для Оренбургской области, полученное по данным для восьми сельских поселений Оренбургской области за 2007—2008 гг.
Результаты анализа сезонных, суточных зимних и летних графиков электропотребления за 2007—2008 гг. показали, что для экономичной работы установленную генерацию целесообразно дробить на две — три части (для обеспечения экономичных режимов работы оборудования). ГТУ и ГПЭУ не рекомендуется длительно эксплуатировать при нагрузке составляющей менее 35—40% и более 110% от их номинальной мощности [4—5].
Единичная мощность генерирующего источника электрической станции, входящей в локальную систему электроснабжения, находится в диапазоне 80—700 кВт.
При проведении оценки технико-экономических показателей ГПЭУ, ГТУ, ГЭС, ВЭС, рассматриваемых при создании системы локального электроснабжения сельских населенных пунктов в Приволжском ФО, анализировались [6,7] энергетические характеристики генерирующего оборудования в соответствующем диапазоне мощностей 80—700 кВт.
Наиболее известными источниками альтернативной электрической энергии для сельских поселений являются: малые ГЭС, газотурбинные, газопоршневые, ветро- и гелиоэлектростанции [8].
Малые ГЭС. Для электроснабжения сельского поселения Приволжского федерального округа в режиме максимальных нагрузок необходимо от 150 до 450 кВт электрической энергии. Для обеспечения такой мощности необходим напор воды не менее 6 м и расход воды около 18 м3/с. В связи с отсутствием вблизи вышеперечисленных населенных пунктов рек длиной 100 км и площадью водосбора 2000 км2 применение малых ГЭС не представляется возможным.
К примеру, для реки Урал расход воды составляет 15 м3/с, что явно не обеспечивает требуемой величины.
С учетом рельефа обеспеченности водными ресурсами рассматриваемого региона использование малых ГЭС возможно только при сооружении искусственных водохранилищ.
Газотурбинные установки. Выпускаемые современной промышленностью газотурбинные агрегаты имеют большую номинальную мощность (от 2,5 МВт и выше).
Таким образом, основной задачей ГТУ-ТЭЦ является обеспечение надежного снабжения тепло- и электроэнергией небольших городов и отдельных жилых микрорайонов крупных городов.
Для нормального функционирования установки необходимы газопроводы высокого давления от 10 атм. и выше, а при его отсутствии необходима установка дожимных компрессоров.
При работе ГТУ выделяется большое количество тепла, которое при условии использования установки только для производства электрической энергии является невостребованным. При выработке 1 кВт электрической энергии выделяется от 1,5 до 2,8 кВт тепловой энергии.
ф
.о
(И
месяцы 2007-2008 гг.
2007 г.
2008 г.
Рис. 7 — Относительный сезонный график электропотребления осредненного дома 8 сельских поселений Оренбургской обл. за 2007—2008 гг. (базовое среднегодовое значение 561 кВт/оср.дом.мес.)
Большая единичная номинальная мощность ГТУ, а также большое количество производимого тепла (при отсутствии соответствующих потребителей тепловой энергии) не позволяет эффективно использовать их в населенных пунктах с установленной мощностью порядка 500 кВт.
Газопоршневые агрегаты. Стоимость возведения «под ключ» ТЭЦ на основе газопоршневого агрегата, производящей 500 кВт электрической энергии, составляет порядка 10 млн руб. При этом себестоимость одного кВт.ч электрической энергии составляет порядка 0,8—1,2 руб./кВт.ч.
Наибольший эффект газопоршневых агрегатов достигается при возможности сбыта тепловой энергии наряду с электрической (соотношение выработанной тепловой и электрической энергии составляет 1,4 раза).
В связи с достаточно низкой себестоимостью и отсутствием необходимости наличия газопровода высокого давления применение газопоршневого агрегата является наиболее приемлемым для электроснабжения сельских поселений.
Ветроустановки. Ветроэлектроустановки (ВЭУ) с целью электроснабжения сельских поселений как единственный источник электроснабжения в условиях Приволжского федерального округа малоэффективен, т.к. скорость ветра недостаточна для эффективной работы ВЭУ (скорость ветра по региону составляет 3—7 м/с и ветровая активность составляет менее 2500 ч в год).
Кроме того, ВЭУ необходимо размещать на безопасном расстоянии, не менее 0,5 км, от населенных пунктов, что существенно увеличит протяженность линий 0,4кВ, а это приведет к дополнительным потерям электроэнергии, падению напряжения и снизит качество электроэнергии у потребителей.
Себестоимость выработки электроэнергии на ВЭУ составляет около 10 руб./кВт.ч.
Таким образом, ВЭУ возможно использовать в сельских населенных пунктах Приволжского федерального округа только при отсутствии ЛЭП электросетевых компаний или в комплексе с ними.
Гелиоустановки. В связи с тем, что Приволжский федеральный округ находится в зоне с недостаточной солнечной радиацией (от 700 до 1000 кВт/м2 в год), а также недостаточным количеством солнечных дней в году, использование энергии солнца для локального электроснабжения населенных пунктов не представляется возможным.
Биоустановки. Из органических отходов при переработке 25 тонн в сутки возможно получить от 500 до 1000 метров кубических биогаза в сутки, при теплотворной способности биогаза от 5200 до 5600 ккал/м.куб., и около 100 кВт.ч электроэнергии.
При среднем потреблении одного из рассматриваемых населенных пунктов около 600 тыс. кВт.ч электрической энергии за год необходимо примерно 150 тыс. тонн биомассы (410 тонн в день). В процессе переработки биомассы выделяется до 3 млн м3 газа, которые необходимо в дальнейшем использовать.
В связи с повсеместной газификацией поселений Приволжского округа (до 95%) и использованием газа для отопления, а также с упадком сельского хозяйства (отсутствие сырья) использование биоустановок не представляется возможным.
Обеспечение электрической энергией всех потребителей сельских поселений от 100 до 500 дворов вызывает затруднение с получением органических отходов в объемах, достаточных для выработки необходимых объемов биогаза, поскольку биоустановки требуют для функционирования большого количества сырья и трудозатрат.
Для анализа технико-экономического состояния электрических сетей рассмотрены сельские поселения Оренбургской области.
Для оценки затрат на содержание сетей рассматриваются затраты на техническое обслуживание и ремонт распределительных сетей 10 кВ и затраты на покупку потерь электроэнергии (в ценах 2008 г.). Затраты на амортизацию оборудования не учитывались, поскольку износ оборудования в распределительных сетях «Оренбургэнер-го» составляет 85—90%.
Удельные затраты на техническое обслуживание и ремонт ВЛ 6—10 кВ в среднем составляют 6,31 тыс.руб./км, ТП 6—10 кВ — 10,96 тыс.руб/ед. Тариф на покупку потерь электроэнергии составляет 0,71612 руб./кВт.ч. Тариф на оплату услуг по передаче электроэнергии по сетям «Оренбургэ-нерго» составляет 0,367858 руб./кВт.ч.
Результаты расчетов показаны в таблице 1.
Из таблицы 1 видно, что даже без учета амортизационных отчислений содержание распределительных сетей 10кВ в данных сельских поселениях экономически не выгодно для распределительной сетевой компании. Это обусловлено следующими факторами: снижением потребления электроэнергии с/х потребителями в связи с кризисом в агропромышленном комплексе и отсутствием экономически обоснованного тарифа на электроэнергию вследствие перекрестного субсидирования.
Тариф на электроэнергию для бытовых потребителей в сельской местности составляет всего
0,86 руб/кВт.ч., для сельскохозяйственных товаропроизводителей — 1,65 руб/кВт.ч. (для всех напряжений), а для прочих потребителей на напряжении НН — 2,52 руб/кВт.ч.
Таким образом, себестоимость выработки электроэнергии альтернативными источниками
1. Расчет малой энергетики населенных пунктов
Наименование населенного пункта Расстояние от центра питания 35110 кВ до ТП данного поселения, км Количество ТП в населенном пункте Затраты на ТО и ремонт ВЛ в год Затраты на ТО и ремонт ТП в год Стои- мость потерь Итого затраты на обслуживание и покупку потерь в год Потребление электроэнергии в год Оплата за услуги по передаче электроэнергии по сетям РСК Убытки
тыс. руб. тыс. руб. тыс. руб. тыс. руб. тыс. кВт.ч. тыс. РУб. тыс. руб.
с. Александровка 23,5 5 148,285 54,8 65,24 268,32 574 211,1505 -57,17
с. Победа 32,68 5 206,211 54,8 35,47 296,48 304 111,8288 -184,66
с. М. Ремизенка 21,44 8 135,286 87,68 36,49 259,45 396 145,6718 -113,78
с. Абдрахманово 25 8 157,75 87,68 74,77 320,20 848 311,9436 -8,25
с. Николькино 21 9 132,51 98,64 46,66 277,81 586 215,5648 -62,24
с. Баландино 31,8 14 200,658 153,44 65,87 419,97 524 192,7576 -227,21
Итого 980,70 537,04 324,49 1842,23 3232 1188,92 -653,32
электроэнергии не должна превышать существующие тарифы. Данному критерию соответствуют газопоршневые установки по выработке электроэнергии (при условии использования попутного тепла для отопления, подогрева воды и в технологии сельхозпроизводства).
Таким образом, проанализировав существующие виды альтернативных источников электроэнергии с целью созданию устойчивых и экономически эффективных локальных систем электроснабжения сельских поселений от 100 до 500 дворов Приволжского федерального округа, можно сделать вывод, что наиболее приемлемым альтернативным источником электроснабжения являются газопоршневые установки, обладающие себестоимостью выработки электроэнергии, сопоставимой с существующими тарифами.
Применение ВЭУ возможно только в комплексе с существующими электрическими сетями РСК.
Литература
1. Яковлев, В. Б. Анализ эффективности функционирования сельских распределительных электрических сетей / В. Б. Яковлев, М. В. Расторгуев // Электро-Инфо. — 2006. - № 3.
2. Князев, В. В. Единая техническая политика в распределительном электросетевом комплексе / В. В. Князев, Г. С. Боков // Электро-Инфо. - 2006. - № 12.
3. Чиндяскин, В. И. Проблемы и перспективы развития науки и энергетики на примере Оренбургской области / В. И. Чин-дяскин // Материалы Всероссийского электротехнического конгресса. — М., 2005. — С. 35-38.
4. Методические указания по оценке технического состояния воздушных линий электропередачи напряжением 35—750 кВ и их элементов. — М.: СПО ОРГРЭС, 1996. — С. 37—39.
5. Агафонов, А. Н. Комбинированные энергоустановки объектов малой энергетики / А. Н. Агафонов, В. О. Сайданов, В. Н. Гудзь. — СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2005. — 262 с.
