CC BY
84
Electrical facilmes and systems
Федосеева Е. А. Fedoseeva E. Л.
кандидат технических наук, доцент кафедры «Промышленная теплоэнергетика», ФГБОУВО «Уфимский государственный нефтяной технический университет», г. Уфа, Российская Федерация
Бурдыгина Е. В. Burdygina Е. V
кандидат технических наук, доцент кафедры «Промышленная теплоэнергетика», ФГБОУ ВО «Уфимский государственный нефтяной технический университет», г. Уфа, Российская Федерация
Уразаева Д. Ф. Urazaeva D. Е.
студент кафедры «Промышленная теплоэнергетика», ФГБОУ ВО «Уфимский государственный нефтяной технический университет», г. Уфа, Российская Федерация
Салихов А. Р. Salikhov Л. R.
студент кафедры «Промышленная теплоэнергетика», ФГБОУ ВО «Уфимский государственный нефтяной технический университет», г. Уфа, Российская Федерация
УДК 620.9
ВОЗМОЖНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ В НЕФТЕГАЗОВОЙ ОТРАСЛИ
Вследствие истощения запасов традиционных источников энергии человечество все больше обращает свое внимание на нетрадиционные возобновляемые источники энергии (НВИЭ). Российская Федерация обладает большим потенциалом использования альтернативной энергии. Применение НВИЭ для покрытия нагрузок на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение, а также выработки электроэнергии приводит к снижению потребления органического топлива, что, в свою очередь, позволит повысить энергетическую и экологическую эффективность эксплуатации объектов нефтегазовой отрасли.
В качестве альтернативного источника энергии был рассмотрен вариант применения солнечной радиации. Поступление солнечного излучения в разных городах может значительно отличаться друг от друга. Это зависит от географического местоположения. В статье представлены результаты анализа внедрения установки солнечного горячего водоснабжения на объектах нефтегазовой отрасли (на примере нефтеперекачивающих станций, расположенных в различных широтах Российской Федерации и СНГ). Для установки были приняты вакуумные солнечные коллекторы (СК), которые имеют ряд преимуществ по сравнению с плоскими коллекторами.
28 -
Electrical and data processing facilities and systems. № 2, v. 14, 2018
Суммарная площадь СК зависит от многих факторов (КПД, интенсивности солнечного излучения, угла установки коллектора, температуры окружающего воздуха и др.), поэтому при определении срока окупаемости таких установок необходимо проводить трудоемкие расчеты.
В результате проведенного анализа была получена формула для определения площади солнечного коллектора в зависимости только от интенсивности падения солнечной радиации в рассматриваемой местности. Зависимость позволит существенно сократить время для определения экономической целесообразности использования установок солнечного горячего водоснабжения.
Ключевые слова: нетрадиционные и возобновляемые источники энергии, альтернативная энергетика, солнечная энергия, система солнечного теплоснабжения, солнечная радиация, солнечный коллектор, площадь солнечного коллектора, КПД солнечного коллектора.
POSSIBILITY OF USE OF SOLAR ENERGY IN THE OIL AND GAS INDUSTRY
Due to the depletion of traditional energy sources, mankind is increasingly turning its attention to non-traditional renewable energy sources (NRES). The Russian Federation has a great potential for using alternative energy. The use of NRES to cover the loads for heating, ventilation and hot water supply, as well as the generation of electricity, leads to a decrease in the consumption of fossil fuels, which in turn will improve the energy and environmental efficiency of operation of oil and gas facilities.
As an alternative source of energy, the solar radiation using was considered. The arrival of solar radiation in different cities can significantly differ from each other. It depends on the geographical location. The article presents the results of the analysis of the introduction of a solar hot water supply installation at oil and gas facilities (for example, oil pumping stations located in various latitudes of the Russian Federation and the CIS). For installation, vacuum solar collectors were adopted, which have a number of advantages over flat collectors.
The total area of solar collectors depends on many factors (efficiency, solar radiation intensity, collector installation angle, ambient temperature, etc.), therefore, in determining the payback period of such installations, labor-intensive calculations must be carried out.
As a result of the analysis, a formula to determine the area of the solar collector, depending only on the intensity of the incidence of solar radiation in the locality was obtained. Dependence will significantly shorten the time to determine the economic feasibility of using solar hot water installations.
Key words: non-traditional and renewable energy sources, alternative power engineering, solar energy, solar heat supply system, solar radiation, solar collector, solar collector area, solar collector efficiency.
С каждым годом проблема альтернативы применения углеводородного сырья в топливно-энергетическом комплексе (ТЭК) становится все более актуальной. Это связано с тем, что запасы угля, нефти и газа истощаются, а их добыча становится дороже.
Применение возобновляемых источников энергии (ВИЭ) является одним из наиболее перспективных вариантов замены традиционной энергетики. К альтернативным источникам относятся: солнечная, ветровая, геотермальная, энергия морских волн, приливов и океана, а также энергия биомассы. Мировой экономический потенциал ВИЭ оценивается в 20 млрд т у.т/год, что в два
раза превышает объём годовой добычи всех видов органического топлива. В связи с этим, по оценке специалистов, доля производимой электроэнергии на основе альтернативных источников в мире достигнет к 2020 г. 13 %, а к 2060 г. — 33 % [1].
Отказ от ориентации на один, возможно даже не ограниченный и дорогой традиционный энергоресурс, составляет основную цель энергетических политик как развитых (Германия, США, Дания, Греция, Голландия), так и развивающихся (Китай, Бразилия, Индия) стран. В 2017 году мировым лидером в использовании альтернативной энергетики
стал Китай, обойдя при этом США и страны Евросоюза [2].
В России, несмотря на мировое лидерство по запасам природного газа, до сих пор существуют регионы, в которых выработка электроэнергии осуществляется электростанциями, работающими на привозном дизельном топливе. Стоимость 1 кВт • ч такой электроэнергии составляет около 8 руб. Установка ветроэнергетической электростанции в таких районах позволит снизить цену на электроэнергию до 1,5-2,0 руб./кВт • ч. С этой точки зрения развитие ВИЭ в России имеет весьма широкие и основательные перспективы. Однако законодательная поддержка государства начала проявляться только с начала XXI века. В 2007 г. в Федеральный Закон «Об электроэнергетике» № 35-Ф3 были внесены поправки, направленные на развитие альтернативной энергетики. А в 2009 году принята новая «Энергетическая стратегия России до 2030 года», согласно которой доля возобновляемых источников к 2030 году должна достигнуть 11 % [3].
В 2008 году Министерство промышленности и энергетики РФ провело региональное анкетирование «О состоянии и перспективах развития ВИЭ в Российской Федерации» (Письмо № АД-3315/09 от 15.05.2008). При проведении опроса было выявлено следующее [4]:
— экономический потенциал ВИЭ составляет 1/3 от общего потребления насе-
лением и промышленностью России первичных энергоресурсов, при этом реализуется лишь 3,5 % от экономического потенциала ВИЭ;
— на момент проведения опроса общая площадь солнечных коллекторов России составляла только 7827 м2, основная часть которой приходилась на Краснодарский край (рисунок 1);
— на тот момент времени в России было произведено 3433 тыс. м3 биогаза (более 60 % — в Республике Дагестан);
— из 130 намеченных к реализации проектов по использованию ВИЭ на момент 2008 года фактически было реализовано лишь 13, т.е. 1/10 часть проектов.
Таким образом, основные проблемы, препятствующие развитию возобновляемой энергетики:
— недостаток финансирования и отсутствие инвесторов;
— отсутствие нормативно-правовой базы;
— высокая себестоимость энергии, получаемой от ВИЭ, и высокие удельные капитальные вложения;
— отсутствие государственных программ;
— отсутствие массового выпуска и отечественных производителей оборудования для ВИЭ;
— отсутствие квалифицированных кадров.
Основным потребителем электрической и тепловой энергии является нефтегазовая отрасль. Рассмотрим возможность внедрения альтернативной энергетики на предприятиях ТЭК на примере нефтеперекачивающих станций (НПС).
Нефтеперекачивающая станция представляет собой комплекс сооружений и оборудования для обеспечения приема, накопления, перекачки нефти по магистральному нефтепроводу. Основным источником теплоснабжения на НПС является котельная, работающая на органическом топливе: газе, мазуте или нефти.
В качестве альтернативы применения традиционного топлива рассмотрим солнечную энергию. Солнечное излучение, поступающее за неделю на территорию России, превышает энергию всех российских ресурсов нефти, газа, угля. На рисунках 2 и 3 изображено распределение солнечной радиации на территориях России и СНГ соответственно.
Преимуществами применения солнечной энергии по сравнению с традиционными видами являются следующие [5, 6]:
— неограниченный запас;
— бесплатный ресурс;
— бе сшу мно сть;
— безвредная выработка электроэнергии;
— автономные системы энергоснабжения безопасны и высоконадежны;
— несложное обслуживание оборудования;
— возможность использования электричества в отдаленных районах;
— увеличение надёжности энергоснабжения страны.
Солнечная энергия может быть использована для нагрева теплоносителя на нужды отопления, вентиляции и горячего водоснабжения (ГВС). Для покрытия нагрузки на отопление и вентиляцию необходимо сооружать сложные и дорогостоящие системы, которые, в свою очередь, требуют больших площадей для размещения солнечных приемников — гелиостатов. Поэтому в статье будет рассмотрен вариант установки солнечного горячего водоснабжения на одно из зданий НПС.
Предполагаем, что на всех станциях существуют здания с идентичными параметрами, в которых располагаются душевые комнаты для персонала. Количество персонала, использующего данные помещения, также принимается одинаковым для всех рассматриваемых площадок.
Для расчета были выбраны города, расположенные в различных широтах, как на территории России, так и на территории СНГ. На рисунке 4 представлено сравнение поступления солнечной радиации для выбранных городов.
70 во 80 10сг "о 120 «о 1« 1кг
СЕВЕРН. Ы Й Л Ц^Л ОВИТЫЙ ОК
Е А
170 180
7*** БАРЕНЦЕВО
МОРЕ /
ВОСТОЧНО-СИБИРСКОЕ
Рисунок 2. Распределение солнечной радиации на территории России
Среднедневная
инсоляция, (кВт*ч/м2/день)
J 1.5 • ■ 2.0
J 2.0 ■ ■ 2.5
J 2.5 ■ - 3.0
■ 3.0 ■ - 3.5
■ 3.5 ■ - 4.0
■ 4.0 - 4.5
■ 44 - 6.0
Рисунок 3. Распределение солнечной радиации на территории СНГ
Из анализа рисунка 4 видно, что наибольшее поступление солнечной радиации в зимний период приходится на города Владивосток, Краснодар, Баку и Кызылорда, а наименьшее — на Новый Уренгой. В летний период поступление солнечной радиации в рассматриваемых городах примерно одинаковое и варьируется в диапазоне от 230 до 250 кВт • ч/м2.
В качестве установки принята система горячего водоснабжения с баком-аккумулятором и резервным источником (электрическим ТЭНом). В связи с тем, что рассматривается возможность внедрения солнечных коллекторов (СК) также и в городах, где преобладают низкие температуры окружающего воздуха, были подобраны вакуумные солнечные коллекторы EG 390. Такие СК имеют ряд преимуществ по сравнению с плоскими коллекторами:
— низкие теплопотери;
— работоспособность в холодное время года до минус 35 °С;
— способность обеззараживать воду;
— длительный период работы в течение суток;
— удобство монтажа и транспортировки, высокая надёжность [7].
Также был подобран бак-аккумулятор ACVLCAP объемом 1500 л. Его стоимость 162 тыс. руб./шт. 32 -
Расчет проводился в соответствии с [8, 9]. В таблице 1 приведены результаты расчета установки солнечного горячего водоснабжения.
Нефтеперекачивающие станции зачастую располагаются в районах, удаленных от проходящих сетей газораспределения, поэтому топливом для котельных на таких объектах является мазут или товарная нефть. Таким образом, использование солнечной энергии помимо уменьшения затрат на топливо при эксплуатации котельных позволит также снизить выбросы загрязняющих веществ в окружающую среду (особенно при сжигании жидкого топлива) (таблица 1).
Площадь СК рассчитывается по формуле [8]:
А =
Л I
(1)
где О — расход теплоносителя, кг/с;
с — удельная массовая теплоемкость теплоносителя, кДж/(кг • К);
^2, — температуры теплоносителя на выходе и входе солнечного коллектора соот-ветственно,°С;
П — КПД солнечного коллектора;
I т — среднемесячный дневной приход суммарной солнечной радиации, кДж/(м2 • сут).
Из формулы (1) видно, что площадь зависит от КПД коллектора и величины
а) январь; б) июнь Рисунок 4. Поступление солнечной радиации
Таблица 1. Результаты расчетов солнечного горячего водоснабжения
Наименование Владивосток Уфа Омск Новый Уренгой Москва Калининград Краснодар Минск Баку Кызылорда
Широта 43 • 07'00" 54-44'00" 54 • 58'00" 66 • 05'05" 55 • 45 '21" 54-42'23" 45 • 02'41" 53 • 55'00" 40-2Г59" 44-51'00"
Разность температур между теплоносителем и окружающей средой, °С 72,3 72,4 76,3 86,0 68,0 61,5 59,4 64,5 56,0 68,0
Температура холодной воды (1в),°С 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15
Температура горячей воды (1:г), °С 60 60 60 60 60 60 60 60 60 60
Коэффициент положения СК для солнечной радиации (Р0) 0,94 0,75 0,68 0,58 0,67 0,68 0,75 0,68 0,71 0,75
Интенсивность падающей солнечной радиации в плоскости коллектора Вт/м2 7555 3601 3515 3800 3280 3616 6920 3844 9323 6898
Расход горячей воды (О) в сутки, м3/сут 1500 1500 1500 1500 1500 1500 1500 1500 1500 1500
Суммарное количество теплоты кДж 3329,82 3329,82 3329,82 3329,82 3329,82 3329,82 3329,82 3329,82 3329,82 3329,82
Количество сэкономленного топлива (<1В), ГДж/год 158653,66 158653,66 161094,48 163611,59 134245,40 149587,74 149587,74 153987,38 136877,67 156285,69
Количество сэкономленного топлива в денежном выражении (<1Р1:), руб./год 793268,30 793268,30 805472,42 818057,93 671227,02 747938,68 747938,68 769936,88 684388,33 781428,47
КПДСК 0,66 0,66 0,65 0,64 0,78 0,70 0,70 0,68 0,765 0,67
Площадь солнцепоглощающей поверхности установок (А), м2 56,72 119,00 123,78 116,29 110,53 111,75 58,39 108,21 39,65 61,19
Число необходимых коллекторов (п), шт. 39,25 82,35 85,66 80,48 76,49 77,33 40,41 74,89 27,44 42,35
Капитальные затраты (Ь), руб. 6808648,0 14127944,6 14638593,2 13787512,2 13106647,4 13276863,6 6978864,2 12766215,0 4766053,6 7319296,6
Суммарный объём баков-аккумуляторов (V), м3 4,54 9,52 9,90 9,30 8,84 8,94 4,67 8,66 3,172 4,90
Полный расход (О), м3/ч 1,25 2,62 2,72 2,56 2,43 2,46 1,28 2,38 0,872 1,35
Скорость движения теплоносителя в проходных сечениях змеевиков каждой подгруппы БА (\у), м/с 0,14 0,14 0,14 0,14 0,14 0,14 0,14 0,14 0,14 0,14
Площадь поверхности бака (ББА), м2 10,87 10,87 10,87 10,87 10,87 10,87 10,87 10,87 10,87 10,87
Количество аккумулируемой теплоты (С^), кДж 282825 282825 282825 282825 282825 282825 282825 282825 282825 282825
Допустимые потери теплоты (СЬ), кДж/ч 589,22 589,22 589,22 589,22 589,22 589,22 589,22 589,22 589,22 589,22
Коэффициент теплопередачи (к), Вт/(м2 • К) 0,292 0,292 0,292 0,292 0,292 0,292 0,292 0,292 0,292 0,292
Толщина слоя, м 0,17 0,17 0,17 0,17 0,17 0,17 0,17 0,17 0,17 0,17
Среднее количество солнечных часов в сутки в месяце с наименьшей солнечной радиацией 9,13 7,44 7,43 3,25 7,24 7,44 8,87 7,61 9,40 8,93
Срок окупаемости системы, лет 8,79 18,01 18,38 17,05 19,77 17,97 9,55 16,80 7,20 9,57
поступающей солнечной радиации, а КПД СК, в свою очередь, зависит от многих факторов (интенсивности солнечной радиации в данной местности, угла установки солнечного коллектора, температуры окружающего воздуха и т.д.).
На рисунке 5 приведена зависимость площади коллектора от интенсивности падения солнечной радиации.
Согласно рисунку 5, была получена зависимость для расчета площади солнечного коллектора:
А = 535811-Г1'031. (2)
В таблице 2 приведен расчет погрешности вычисления по выведенной формуле.
Как видно из таблицы 2, максимальная погрешность составляет 15 %. Также были
150,00
2 130,00 а
§■ 110,00 | 90,00 & 70,00
ГО
,5 50,00 30,00
3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000
Интенсивность солнечной радиации в плоскости коллектора, Вт/кв.м
Рисунок 5. Зависимость солнечного коллектора от интенсивности падения солнечной радиации
в плоскости коллектора
Таблица 2. Погрешность вычисления
№ п/п Город По формуле (2) По [8, 9] Погрешность, %
1 Владивосток 56,7 53,8 5,2
2 Уфа 119,0 115,4 3,0
3 Омск 123,8 118,3 4,4
4 Новый Уренгой 116,3 109,2 6,1
5 Москва 110,5 127,1 15,0
6 Калининград 111,7 115,0 2,9
7 Краснодар 58,4 58,9 0,8
8 Минск 108,2 107,9 0,3
9 Баку 79,6 43,3 9,2
10 Кызылорда 61,2 59,1 3,5
Таблица 3. Сравнение расчетных данных
№ п/п Город По формуле (2) По [8, 9] Погрешность, %
1 Ташкент 49,9 48,2 7,4
2 Сургут 205,7 217,3 4,1
3 Тимяшево 117,9 114,4 3,0
произведены расчеты площади солнечных коллекторов по формуле (2) и по [8, 9] для трех других городов. В таблице 3 представлены полученные результаты.
Из таблицы 3 видно, что погрешность расчетов для других городов составляет не более 8 %.
Вывод
Несмотря на достаточно большую погрешность определения площади, формула (2) позволяет выполнять приблизительные расчеты требуемой площади солнечных коллекторов. Это существенно снизит трудозатраты для определения срока окупаемости и рентабельности внедрения солнечных коллекторов не только в нефтегазовой отрасли.
ELEcTRicAL FAciLiTiES AND SYSTEMS
Список литературы
1. Бубенчиков А.А., Нурахмет Е.Е., Ру-денок А.И., Молодых В.О. Солнечная энергия как источник электрической энергии // Международный научно-исследовательский журнал. 2016. Вып. 5 (47) Ч. 3. С. 59-62.
2. Список стран-лидеров альтернативной энергетики // Российская газета [Электронный ресурс]. 2017. Режим доступа: https://rg.ru/2017/02/15/opublikovan-spisok-stran-liderov-altemativnoj-energetiki.html. (дата обращения: 05.12.2017).
3. Энергетическая стратегия России до 2030 года: утверждена распоряжением Правительства Российской Федерации от 13 ноября 2009 г. № 1715-р.
4. Федеральный закон от 26 марта 2003 г. N 35-ФЗ «Об электроэнергетике» (с изменениями и дополнениями).
5. Зайцева М.Л. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии: из прошлого через настоящее в будущее. Нижний Новгород, 2012. http://masters.donntu. org/2015/etf/mukha/library/article_9.htm.
6. Матрунчик А.С., Бурков А.И. Использование солнечной энергии в системах горячего водоснабжения Using of the Solar Energy in Hot Water Systems // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Строительство и архитектура . 2015. № 2. С. 237-247.
7. Сравнительная таблица достоинств и недостатков вакуумных и плоских солнечных коллекторов / ООО ПК «АНДИ-Групп [Электронный ресурс]. 2017. Режим доступа: http://solar-kollektor.ru/solnechnye_kollektor/ sravnenie.htm. (дата обращения: 05.12.2017).
8. РД 34.20.115-89. Методические указания по расчету и проектированию систем солнечного обогрева.
9. ВСН 52-86. Установки горячего солнечного водоснабжения. Нормы проектирования.
References
1. Bubenchikov A.A., Nurakhmet Ye.Ye., Rudenok A.I., Molodykh V.O. Solar Power as Sources of Electrical Energy. International Scientific and Research Journal, 2016, Issue 5 (47), P. 3, pp. 59-62. [in Russian].
2. List of Countries-Leaders of Alternative Energy. Rossiyskaya Gazeta [Electronic Resource]. 2017. Available at: https://rg. ru/2017/02/15/opublikovan-spisok-stran-lide-rov-alternativnoj-energetiki.html. (accessed 05.12.2017). [in Russian].
3. Energy Strategy of Russia until 2030: Approved by the Decree of the Government of the Russian Federation dd. November 13, 2009 No. 1715-p. [in Russian].
4. Federal Law dd. March 26, 2003 N 35-FZ «On Electricity» (with amendments and additions). [in Russian].
5. Zaytseva M.L. Non-Traditional Renewable Energy Sources: from the Past through the Present to the Future. Nizhniy Novgorod, 2012. http://masters.donntu.org/2015/etf/ mukha/library/article_9.htm. [in Russian].
6. Matrunchik A.S., Burkov A.I. Using of the Solar Energy in Hot Water Systems. Bulletin of the Perm National Research Polytechnic University. Construction and Architecture, 2015, No. 2, pp. 237-247. [in Russian].
7. Comparative Table of Advantages and Disadvantages of Vacuum and Flat Solar Collectors. PC ANDI-Group LLC [Electronic Resource]. 2017. Available at: http://solar-kollektor.ru/solnechnye_kollektor/sravnenie. htm. (accessed 05.12.2017). [in Russian].
8. RD 34.20.115-89. Methodical Guidelines for the Calculation and Design of Solar Heating Systems. [in Russian].
9. VSN 52-86. Installations of Hot Solar Water Supply. Design Standards. [in Russian].
