CC BY
118
в соответствии с особенностями структуры и функционирования энергетических систем, где данные объекты будут внедряться.
На данном этапе программа позволяет пользователю вносить и анализировать следующую информацию о рассматриваемом энергообъединении:
данные о структуре генерации и объемах потребления электроэнергии;
характеристики тепловых станций (тип потребляемого топлива, удельный расход топлива в зависимости от типа станции, удельные объемы выбросов С02 при сжигании различного вида топлива и т. д.)
характеристики внедряемого объекта. На основе анализа этих данных программа строит среднесуточный график работы энергосистемы, что позволяет более наглядно оценить структуру энергетической системы и степень неравномерности графика нагрузки. Исходя из
данных о характеристиках различных видов топлива, используемого ТЭЦ и ТЭС, программа определяет не только изменения выработки ТЭС и АЭС, но и суммарную годовую экономию средств за счет снижения потребления топлива. Кроме того, программа позволяет оценить согласно нормам Киотского протокола снижение выбросов С02 (в количественном и денежном эквивалентах) в результате внедрения ГАЭС в работу энергообъединения. После окончательной доработки и усовершенствования программы предполагается ее использование для инициации и создания технико-экономического обоснования проекта строительства Каховской ГАЭС.
Данные исследования выполняются при поддержке Госконтракта 02.740.11.0750 по Федеральной целевой программе «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 гг.».
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Васильев, Ю.С. Обоснование параметров и эффективности гидроаккумулирующих станций [Текст] / Ю.С. Васильев, В.В. Елистратов, И.Г. Кудряшева // Труды СПбГТУ.— N° 502. Строительство,- СПб.: ' Изд-во СПбГПУ, 2007.— С. 146-154.
2. Кудряшева, И.Г. Методические аспекты оценки эффективности гидроаккумулирующих станций [Текст] / И.Г. Кудряшева // Матер, междунар. научно-техн. форума «Электроэнергетика-2008». 15-19 сентября,- СПб.: Изд-во ПЭИПК, 2009.—
С. 352-358.
3. Мирошникова, Ю.А. Оценка системного эффекта ГАЭС в энергосистемах [Текст] / Ю.А. Мирошникова, И.Г. Кудряшева // XXXIX Неделя науки СПбГПУ. Матер, н.-т. конф.— СПб.: Изд-во СПбГПУ 2010,- С.102-103.
4. Энергетическая стратегия Украины на период до 2030 года. Распоряжение кабинета министров Украины №145-р от 15.03.06.
5. http://www.er.gov.ua
6. http://www.uge.gov.ua
УДК 621.31 1.22(075.8)
В.Г. Киселев
ВЛИЯНИЕ ПОСТОЯННЫХ БЛУЖДАЮЩИХ ТОКОВ НА СКОРОСТЬ КОРРОЗИОННЫХ ПРОЦЕССОВ
Постановка проблемы
С развитием городов и повышением плотности застройки опережающими темпами растет количество подземных металлических сооружений (ПМС), расположенных в непосредственной близости от источников постоянных блуж-
дающих токов, например трамвайных, железнодорожных и троллейбусных линий. Сохранение инвестиций, сокращение потерь при аварийном выходе из строя ПМС, расположенных в зоне влияния блуждающих токов, в значительной степени определяются уровнем антикоррозионной
защиты. Рассмотрению основных направлений совершенствования системы антикоррозионной защиты от блуждающих токов ПМС и посвящена данная статья.
Механизм коррозионного разрушения ПМС под воздействием блуждающих токов
Под блуждающим током понимают ток, который стекает с токоведущих частей электрических устройств в окружающую среду и возвращается в это же устройство в другом месте. Различают постоянные и переменные блуждающие токи. В данной работе мы остановимся исключительно на рассмотрении постоянных блуждающих токов, протекающих в грунте или водной среде, которые, как известно, являются электролитами.
Связь между количеством прореагировавшего вещества в электрохимической системе и электрическим током определяется законом Фарадея. В соответствии с этим законом для растворения одного грамм-эквивалента металла требуется один Фарадей электричества. Закон Фарадея обычно записывают в следующей форме:
Л 1 М п /,ч
9г =--Л, (1)
Т7 г
где Ат — масса (потеря массы); Т7— постоянная Фарадея; М — масса моля вещества; г — валентность иона; / — ток, текущий через электрохимическую систему; ? — время.
Для нас более информативны следующие формы записи закона Фарадея:
или
, (3)
Р*
где — потеря массы вещества, отнесенная к единице поверхности металла, за единицу времени; А — площадь поверхности металла; /'А — плотность анодного тока; р5 — удельная плотность металла; — скорость коррозии металла, выраженная в единицах длины, за единицу времени.
Расчеты с использованием этих формул для железа показывают, что при плотности анодного тока, равной 1 А/м , скорость коррозии приблизительно составляет
9
V = 9,1кг/м год; н> = 1,12 мм/год
о
(что соответствует 1,2 дм" /год) (4) По оценке Бэкмана с соавторами [1] этого может быть достаточно для образования 1000 сквозных повреждений на трубопроводе в течение года. Известно, что токи, текущие в рельсовых путях, и других источников постоянных блуждающих токов иногда составляют 1000 Аи более. Следовательно, выход из строя ПМС, не обеспеченных эффективной защитой от воздействия постоянных блуждающих токов, может происходить буквально в течение несколько месяцев после прокладки коммуникаций, что и наблюдается на практике при наличии активных источников постоянного тока и недостаточной эффективности антикоррозионных мероприятий.
Все это требует разработки и применения специальных методов по защите от коррозии, вызванной постоянными блуждающими токами. Однако, прежде чем перейти к рассмотрению собственно этих методов, остановимся на краткой характеристике источников блуждающих токов.
Источники блуждающих токов
К источникам блуждающих токов обычно относят:
установки катодной защиты; системы передачи информации, использующие в качестве второго провода «землю»; линии электропередачи постоянного тока; предприятия, применяющие в технологии источники постоянного тока (сварочное производство с использованием постоянного тока, электролизное производство и т. д.);
протяженные коррозионные элементы, в зоне действия которых расположены сторонние подземные (подводные) металлические сооружения;
транспорт, использующий двухпроводные системы постоянного тока, например троллейбус;
транспорт, использующий постоянный ток, который протекает через рельсовые пути (метро, железнодорожный транспорт, трамвай с приводом на постоянном токе).
При этом их можно разделить на две неравнозначных группы: на источники постоянного тока, имеющие два и более контакта с землей при их нормальной работе (например, трамвайные линии, использующие постоянный ток), и источники, имеющие один контакт с землей или вообще не имеющие его при нормальной работе. В последнем случае (например, на отдельныхти-
пах подъемных кранов, применяющих постоянный ток) образование блуждающих токов может наблюдаться только в аварийных ситуациях.
Основные мероприятия по защите ПМС от коррозии блуждающими токами
Уменьшение отрицательного влияния блуждающих токов на ПМС при заданных параметрах окружающей среды может достигаться в основном за счет следующего:
мероприятий собственно на источниках блуждающих токов;
мероприятий на ПМС; установки дренажных устройств различных типов;
рационального проектирования. Рассмотрим их более детально, в первую очередь — мероприятия по сокращению величины блуждающих токов, осуществляемые на их источниках и направленные на следующее:
снижение разности потенциалов токоведу-щихчастей источника (источников) постоянного тока, электрически связанных между собой и контактирующих с грунтом (например, выравнивание потенциалов отрицательных шин тяговых подстанций трамвайного пути);
уменьшение продольного сопротивления то-копроводящих частей источников постоянного тока, контактирующих с грунтом (например, продольного сопротивления рельсов железнодорожного транспорта путем применения сварных стыков, продольных и поперечных перемычек ит. д.);
мероприятия по повышению переходного сопротивления «токоведущая часть источника (источников) постоянного тока — грунт» (использование высококачественного балласта, диэлектрических прокладок, пропитка деревянных шпал антисептиком, с высоким удельным электрическим сопротивлением, водоотвод и т. д.);
мероприятия по отделению токопроводящих частей источников постоянного тока от других металлических сооружений, электрически связанных с грунтом, — установка изолирующих стыков на рельсовых путях при переходе от тепловозной тяги к тяге электрической; установка искровых пробойников, при технической необходимости использование заземляющих устройств и т. д.
Первые два типа мероприятий сокращают величину блуждающих токов за счет уменьшения разности потенциалов, приложенных к раз-
личным точкам грунта. В свою очередь, последние два типа мероприятий увеличивают переходное сопротивление «источник постоянного тока — грунт» и тем самым способствуют уменьшению величины блуждающих токов.
Мероприятия на подземных металлических сооружениях, сокращающие величину блуждающих токов, протекающих в них, можно классифицировать следующим образом:
использование бездефектного высококачественного электроизоляционного покрытия ПМС, сохраняющего свои высокие как механические, так и диэлектрические свойства в процессе строительства и эксплуатации;
мониторинг состояния изоляции ПМС в процессе производства компонентов для них, а также в процессе строительства и эксплуатации подземного металлического сооружения и своевременное устранение дефектов изоляции, прежде всего с использованием высококачественных диэлектрических материалов;
осуществление мероприятий, уменьшающих механическую нагрузку на покрытие и тем самым способствующих уменьшению количества дефектов в нем, например путем использования песчаной подсыпки, защитных матов и т. д.;
повышение удельной электропроводности грунта в зоне расположения ПМС, например путем отвода грунтовых и дождевых вод, за счет использования электроизолирующих защитных матов, нейтрализации кислых почв и т. д.;
использование специальных методов прокладки ПМС (прокладка в туннелях, коллекторах и т. д.) и качественная эксплуатация сооружений подобного типа (отвод грунтовых вод из туннелей, борьба с заиливанием и др.);
мероприятия по катодной защите ПМС наложенным током. Они обычно осуществляются только при наличии высококачественной диэлектрической изоляции и, как правило, сопровождаются ограничением защитной зоны трубопровода путем установки электроизолирующих фланцев.
мероприятия по катодной гальванической защите ПМС (обычно используются только на ПМС небольших размеров и в сочетании с диодными блоками и то крайне редко);
установка заземляющих устройств; применяются при защите от мощных постоянных блуждающих токов, мало изменяющихся по своей величине, например для предотвращения повреждений подземных коммуникаций электро-
лизных предприятий. В случае одновременного использования электрохимической защиты наложенным током и заземляющих устройств для повышения эффективности катодной защиты заземляющие устройства часто применяют совместно с ограничительными ячейками либо изготавливают из металлов или сплавов со значениями стационарного потенциала в грунте, равными 0,85 В и менее по неполяризующемуся медно-сульфатному электроду сравнения.
К третьей группе мероприятий, направленных на уменьшение величины блуждающих токов, мы отнесли установку дренажей (прямой, поляризованный и усиленный дренажи). Проектирование и строительство дренажных устройств при правильном их применении — весьма эффективный метод защиты от блуждающих токов. Однако наряду с защитной функцией конкретного подземного металлического сооружения, к которому они подключаются, дренажи несут в себе и потенциальную опасность для других коммуникаций, расположенных в данном районе. Это объясняется тем, что при установке дренажа происходит резкое уменьшение сопротивления в цепи «выход источника блуждающего тока — грунт — вход ПМС — выход ПМС — грунт — вход источника блуждающего тока», прежде всего научастке «выход ПМС — грунт — вход источника блуждающего тока». Данное мероприятие в свою очередь стимулирует рост блуждающих токов в зоне выхода с их источника и повышенную коррозионную опасность для ПМС, расположенных в данном районе.
Кчетвертой группе мероприятий, направленных на уменьшение величины блуждающих токов, можно отнести рациональное проектирование. Под рациональным проектированием обычно понимают цикл мероприятий, осуществляемых на этапе изыскательских работ и собственно в процессе проектирования, в результате которых мы должны получить проект ПМС с оптимальными характеристиками. Оптимизация должна учитывать как технические функции, для реализации которых собственно и создается объект, так и способность ПМС противостоять агрессивному воздействию окружающей среды. Критерием эффективности проектного решения, включающего и антикоррозионные мероприятия, должна служить стоимость строительства и эксплуатации объекта, рассчитанная на весь срок его службы.
Критерии опасности коррозии под воздействием постоянного блуждающего тока и выбор методов защиты
Необходимость использования мероприятий, защищающих от воздействия постоянных блуждающих токов как существующие ПМС, так и проектируемые определяется в соответствии с п. 4.7 ГОСТ 9.602 - 2005 [2]. В нем указано, что «опасным влиянием блуждающего постоянного тока на сооружения является наличие изменяющегося по знаку и значению смещения потенциала сооружения по отношению к его стационарному потенциалу (знакопеременная зона) или наличие только положительного смещения потенциала, как правило изменяющегося по значению (анодная зона). Метод определения опасного влияния блуждающего постоянного тока приведен в приложении Г». В соответствии с этим приложением определяется смещение потенциала ПМС относительно его стационарного потенциала, измеренное по медно-сульфатному неполяризующемуся электроду сравнения. Смещение признается опасным, если оно составляет 0,04 В и более. В примечании к этому пункту читаем: «для вновь проектируемых сооружений (кроме сооружений связи) опасным является наличие блуждающих токов в земле, определяемое в соответствии с приложением Д». Данное приложение указывает максимально возможный градиент потенциала в грунте, который допустим при наличии блуждающих токов. Он составляет 0,04 В/100 метров при измерениях, проводимых относительно двух медно-сульфатных электродов сравнения. Эти измерения проводятся на протяжении всей проектируемой трассы через каждые 1000 метров.
При этом необходимо подчеркнуть, что это — далеко не единственные критерии необходимости защитных мероприятий от вредного воздействия постоянных блуждающих токов. Так, например, DIN EN 50162 определяет при использовании низколегированной стали величину возможного смещения поляризационного потенциала как с омической составляющей, так и без нее в анодном направлении для ПМС без катодной защиты, которая зависит от сопротивления грунта. Это смещение представлено в таблице.
При этом следует подчеркнуть, что требования наших нормативных документов, в отношении смещения потенциала в анодном направле-
Возможное смещение потенциала Л1/в положительном направлении для Г1МС без катодной защиты
Материал Ш1С Удельное сопротивление грунта р, Ом Максимальный сдвиг потенциала в положительном направлении Д^,мВ, с омической составляющей Максимальный сдвиг потенциала в положительном направлении Д^,мВ, без омической составляющей
Низколегированная сталь >200 300 20
Низколегированная сталь от 15до 200 1,5-р 20
Низколегированная сталь <15 20 20
нии не зависят от сопротивления грунта и по своей силе приблизительно равны требованиям европейских норм.
Законодатель, не определяя конкретный вид коррозионной опасности, следующим образом постулирует виды защиты от коррозии ПМС (раздел 5, пункт 5.1): «При определении метода защиты от коррозии сооружений предусматривают: выбор защитных покрытий; выбор вида электрохимической защиты; ограничение блуждающих токов на их источниках».
В то же время применение электрохимической защиты в соответствии с ГОСТ 9.602—2005 при наличии блуждающих токов обязательно. В пункте 5.13 читаем: «Катодная поляризация осуществляется с применением средств электрохимической защиты: катодных установок, поляризованных и усиленных дренажей, гальванических анодов (протекторов).
Катодные установки и гальванические аноды применяют... при защите от коррозии блуждающими постоянными токами.
Поляризованные и усиленные дренажи применяют при защите от коррозии, вызываемой блуждающими токами рельсового транспорта, электрифицированного на постоянном токе».
Для стальных трубопроводов, прокладываемых непосредственно в земле в пределах территорий городов, населенных пунктов и промышленных предприятий, пассивная защита обязательна. В то же время в соответствии с ГОСТ 9.602—2005 наличие постоянных блуждающих токов не оказывает никакого влияния ни на конструкцию защитных покрытий, ни натребования, предъявляемые к ним как в процессе их нанесения, так и при их последующей эксплуатации.
Что же касается такого метода защиты от коррозии, как ограничение блуждающих токов на их источниках, то на его рассмотрении мы остановимся в следующем разделе.
Требование к антикоррозионной защите при наличии опасности коррозии от постоянных блуждающих токов и оценка эффективности антикоррозионных мероприятий
Как мы уже отмечали, наличие блуждающих токов никоим образом не сказывается на требовании к пассивной защите, в отношении же электрохимической защиты и ограничении блуждающих токов на их источниках требований достаточно много и они весьма разнообразны. Остановимся на них несколько подробнее.
Общие требования к электрохимической защите для ПМС представлены в разделе 7 ГОСТ 9.602—2005, а требования к электрохимической защите при наличии опасного влияния постоянных блуждающих токов — в подразделе 7.2. В соответствии с п. 7.2.1: «Защиту сооружений от опасного влияния постоянных блуждающих токов осуществляют так, чтобы обеспечивалось отсутствие на сооружении анодных и знакопеременных зон.
Допускается суммарная продолжительность положительных смещений потенциала относительно стационарного потенциала не более 4 минут в сутки.
Определение смещений потенциала (разность между измеренным потенциалом сооружения и стационарным потенциалом) проводят в соответствии с приложением Г». Подпункты 7.2.2 и 7.2.3 относятся к частным случаям «тре-
бований» и в целях экономии места без ограничения общности мы на них останавливаться не будем.
Кроме того, законодатель при рассмотрении требований к конкретным видам катодной защиты (протекторная защита) также учитывает фактор наличия постоянных блуждающих токов. Так, в соответствии с п. 7.7.1: «Защиту гальваническими анодами (протекторами) применяют в фунтах с удельным сопротивлением не более 50 Омм:
для отдельных участков трубопроводов небольшой протяженности ... при наличии опасности блуждающих постоянных токов, если вызываемое ими среднее значение потенциала от стационарного не превышает плюс 0,3 В...».
Этот пункт — весьма спорный, так как находится в некотором противоречии пункту 4.4.2.5 DIN 57150/VDE 01550, в котором утверждается неприменимость гальванических анодов для защиты от постоянных блуждающих токов, генерируемых рельсовыми транспортными средствами, работающими на постоянном токе, и некоторым другим нормативным документам.
Что же касается требований к дренажной защите, то они изложены в разделе 7.8 ГОСТ 9.602— 2005, и нам кажется самоочевидным, что использование данного вида защиты возможно только в случае опасности коррозии, вызываемой постоянными блуждающими токами. Поэтому как изложенные в этом разделе «требования», так и действия по контролю эффективности электрохимической защиты (прежде всего дренажной) совместно с контролем работы установок электрохимической защиты (в первую очередь дренажной защиты) сводятся к набору конструктивных и организационных мероприятий, обеспечивающих безусловное выполнение пункта 7.2.1 ГОСТ 9.602-2005.
Подчеркнем, что законодатель специальным образом выделяет блуждающие токи, генерируемые установками катодной защиты. При этом он совсем не требует их сокращения, какделает это, например, по отношению к блуждающим токам рельсового транспорта, работающего на постоянном токе, или по отношению к блуждающим токам, генерируемым промышленными предприятиями, потребляющими постоянный электрический ток в технологических целях. Действительно, напомним пункт 7.6 ГОСТ 9.602—2005: «Катодную поляризацию подземных металлических сооружений осуществляют так,
чтобы она не влияла на соседние подземные металлические сооружения.
Если при осуществлении катодной поляризации возникает вредное влияние на соседние металлические сооружения, необходимо принять меры по устранению или провести совместную защиту этих сооружений.
Примечание. Вредным влиянием катодной поляризации защищаемого сооружения на соседние металлические сооружения считают:
уменьшение по абсолютной величине минимального или увеличение по абсолютной величине максимального защитного потенциала на соседних металлических сооружениях, имеющих электрохимическую защиту;
появление опасности коррозии на соседних подземных металлических сооружениях, ранее не требовавших защиты от нее...».
Как четко показывает этот пункт, в рамках этого ГОСТ нет необходимости совершенствовать пассивную защиту прежде всего в отношении повышения диэлектрических и механических характеристик защитного покрытия и проводить другие мероприятия по сокращению защитного тока при осуществлении катодной поляризации ПМС.
Требования к ограничению токов утечки на источниках блуждающих токов (мероприятия собственно на источниках блуждающих токов) приведены в разделе 8 ГОСТ 9.602—2005. Здесь законодатель рассматривает определенные технические действия, направленные на уменьшение величины блуждающих токов. Они, эти действия, ориентированы на конкретные виды источников, а именно: на электрифицированный рельсовый транспорт постоянного тока; линии электропередачи постоянного тока системы «провод — земля»; промышленные предприятия, потребляющие постоянный электрический ток в технологических процессах. Остановимся на их рассмотрении несколько подробнее.
Раздел 8.1 ГОСТ 9.602-2005, касающийся электрифицированного рельсового транспорта постоянного тока, разработан достаточно подробно. Здесь, прежде всего, необходимо выделить пункт 8.1.1: «Контактную сеть электрифицированного рельсового транспорта соединяют с положительной (плюсовой) шиной, а рельсовые пути — с отрицательной (минусовой) шиной тяговой подстанции». Очевидно, что только безусловное выполнение этого пунктадает возмож-
ность в последующем использовать дренирующие устройства как защиту от блуждающих токов. История развития техники знает и противоположное подключение тяговой подстанции к рельсовым путям и контактной сети. Последствия этих экспериментов были катастрофическими по отношению к ПМС, находящимся в районе расположения трамвайных путей.
Остальные пункты данного раздела можно сгруппировать следующим образом:
пункты, способствующие повышению переходного сопротивления «источник постоянного тока — земля», например «рельс — земля»;
пункты, способствующие снижению продольного сопротивления токоведущих частей источников постоянного тока, имеющих контакт с землей;
пункты, способствующие выравниванию потенциалов токоведущих частей источников постоянного тока, имеющих контакт с землей;
пункты, гарантирующие бесперебойную работу других систем источников постоянного тока, например системы автоматического регулирования движением поездов;
пункты, определяющие изложенные выше мероприятия, в специальных условиях, например при прохождении рельсовых путей через туннели.
Раздел 8.3 ГОСТ 9.602—2005, который называется «Линии передачи энергии постоянного тока системы «провод — земля» состоит только из одного пункта 8.3.1: «При проектировании рабочих заземлений линий передач энергии постоянного тока системы «провод — земля» предусматривают мероприятия, исключающие их опасное влияние на подземные сооружения». Таким образом, законодатель требует безусловной защиты ПМС от блуждающих токов, но не ограничивает проектировщика в выборе методов достижения поставленной цели, т. е. это могут быть как мероприятия на источнике тока, так и мероприятия на подземных сооружениях, включающие как активную, так и пассивную защиту от коррозии.
Требования ограничения токов утечки на промышленных предприятиях, потребляющих постоянный электрический ток в технологических процессах, представлены в разделе 8.4 ГОСТ
9.602—2005. Они ориентированы на электролизные производства и включают в основном конструктивные мероприятия, способствующие увеличению переходного сопротивления «источник постоянного тока — земля».
Законодатель предусмотрел и контроль выполнения мероприятий ограничения токов утечки (подраздел 8.5 ГОСТ 9.602-2005), однако почему-то только в отношении токов утечки электрифицированного рельсового транспорта.
Интересно подчеркнуть, что ГОСТ 9.602— 2005, п. 8.5.4 косвенно требует создания организации (организаций) для осуществления «координации и контроля противокоррозионной защиты подземных сооружений».
Обсуждение материала
В статье проведен краткий анализ и дана классификация методов защиты ПМС от постоянного блуждающего тока в грунте. Осуществлено сравнение критериев необходимости защиты от постоянных блуждающих токов на примере ГОСТ 9.602-2005 и DIN EN 50162. Классифицированы и рассмотрены методы защиты от коррозии постоянными блуждающими токами. На основании этого можно сделать следующие выводы:
ГОСТ 9.602—2005 использует только часть из существующего арсенала методов защиты от коррозии постоянными блуждающими токами;
что же касается критериев необходимости защиты от коррозии постоянными блуждающими токами, рассмотренными в ГОСТ 9.602 — 2005, то в силу их небольших отличий от соответствующих критериев европейских норм целесообразна их унификация;
ГОСТ 9.602—2005 не стимулирует повышение технико-экономической эффективности собственно антикоррозионных мероприятий, в том числе и мероприятий по защите от коррозии постоянными блуждающими токами, что подтверждается отсутствием в нем соответствующего пункта, который существовал в более ранних изданиях данного нормативного документа, и пунктом 7.6.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
l.Von Baeckmann W. Messtechnik beim kathodischen Korrosionsschutz [Текст] / W. von Baeckmann [и др.].— Txpert Verlag, Germani,— 1992.— S. 9.
2. ГОСТ 9.602—2005. Гдиная система защиты от коррозии и старения; Сооружения подземные; Общие требования к защите от коррозии [Текст].— М.: Стандартинформ, 2006.
УДК 621.311.24
В.Г. Николаев
МОДЕЛИ ТЕХНИЧЕСКОЙ ГОТОВНОСТИ ВЕТРОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СТАНЦИЙ
Энергетическая эффективность ветроэнергетической установки (ВЭУ) или станции (ВЭС) определяется удельной мощностью ветровых потоков и техническим совершенством ВЭУ. Последнее в свою очередь обусловлено проектными техническими показателями ВЭУ и их эксплуатационными характеристиками — технической готовностью (ТГ), вероятностью технических простоев (ТП) из-за регламентного обслуживания и ремонта и пр. Расчет мощности ВЭУ Р^зу в современных методиках ведется по формуле [1, 4]:
^ЭУ=^Г*НИД(Р/Р0)* ]
где Киш — коэффициент неидеалыюсти ВЭУ определяемый инерционностью систем управления, неоднородностью обдувки ВК, ветровым экранированием ВЭУ друг другом и окружающими их препятствиями, потерями в сетях ВЭС и пр.; Кбур — буревая скорость, при которой ВЭУ останавливается во избежание поломок (буревой простой); У0 — стартовая скорость ветра, ниже которой ВЭУ не работает, Р(У) — мощностная характеристика ВЭУ; ДУ) — функция плотности распределения ветра по скоростям на высоте оси ВК; р0 и р — соответственно стандартная (при нормальных атмосферных условиях) и фактическая плотность воздуха; 1С\Г — коэффициент ТГ ВЭУ, существенно меняющийся на протяжении эксплуатационного периода.
Максимально достоверный прогноз ТП и ТГ ВЭУ на весь период их эксплуатации принципиально необходим:
для определения мощности и выработки энергии ВЭУ по годам, важного в рыночных условиях как в краткосрочном, так и в многолетнем плане;
для расчета экономического ресурса ВЭС, падающего из-за снижения выработки энергии
и из-за ограниченного (в большинстве стран менее 10 лет) срока льготного ценообразования на энергию ВЭС, по окончанию которого дальнейшая эксплуатация ВЭС может оказаться малорентабельной;
для обоснования оптимальных величин и сроков действия закупочных цен или надбавок за энергию ВЭС;
для определения сроков, после которых затраты на ремонт ВЭС перестают окупаться выручкой с продаж вырабатываемой ими энергии.
Осуществление такого прогноза затруднено рядом причин. В настоящее время наиболее востребованными и распространенными в мире являются ВЭУ единичной мощности от 2 МВт и более [2], крупное серийное производство и использование которых начато на рубеже 2000-х годов — около 10 лет назад, т. е. не более половины заявляемого для них 20-летнего ресурсного периода. В связи с этим прогноз ТГ ВЭУ большой мощности на вторую половину их работы не обеспечен эксплуатационными данными и обычно делается приближенно исходя либо из неких средних показателей ВЭУ за первые 5—10 лет их работы, либо из статистически обобщенных эксплуатационных характеристик ВЭУ предыдущих поколений мощностью 500—800 кВт, составлявших основу мировой ветроэнергетики в 1990-е годы [5].
Подходы к моделированию многолетней (на протяжении ресурса ВЭУ) динамики частоты и продолжительности ТП ВЭУ, связанных с незапланированными техническими отказами или поломками, требующими ремонта, на основе экспоненциальной модели были ранее изложены автором в [ 1]. В данной статье изложены результаты дальнейшего развития указанных моделей.
В настоящее время возможности прогноза ТГ ВЭС весьма ограничены в связи с недостатком и ненадежностью информации об их эксплуатационных данных. Известная и доступная информация и данные об эксплуатационных характеристиках ВЭУ следующие:
