CC BY
8
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И КОМПЛЕКСЫ
УДК 621.311.212
ВЫБОР ОПТИМАЛЬНОГО СОСТАВА ОСНОВНОГО ОБОРУДОВАНИЯ МИКРО-ГЭС С УЧЕТОМ НАДЕЖНОСТИ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ В МАЛОВОДНЫЕ
ПЕРИОДЫ ГОДА
Кожемякин В.Е., Кривенко Т.В., Григорьева О.А., Тремясов В.А.
Сибирский федеральный университет, г. Красноярск, Россия
Резюме: АКТУАЛЬНОСТЬ исследования заключается в развивающемся сегодня дефиците электроэнергии. На территории России существуют регионы, технологически изолированные от Единой энергетической системы. В таких регионах остро стоит вопрос надежного обеспечения потребителей электрической энергией. ЦЕЛЬ. Разработать подход к определению оптимальной мощности и состава гидроагрегатов системы генерации на базе микро -ГЭС с учетом надежности. Определить влияние стохастического характера изменения стока на надежность электроснабжения от микро-ГЭС. МЕТОДЫ. Для определения оптимального числа и мощности гидроагрегатов микро-ГЭС использовался метод многокритериальной оптимизации с использованием критериальных свойств и их свертки в единый комплексный критерий эффективности. Оценка надежности микро-ГЭС проводилась с применением метода пространства состояний для системы генерации на базе микро-ГЭС. РЕЗУЛЬТАТЫ. В работе произведен анализ существующего в России рынка микро-ГЭС. Предложена многокритериальная модель оценки различных вариантов системы генерации микро-ГЭС. Описан процесс свертки предложенных критериев оптимизации в единый, комплексный критерий. С применением предложенной оптимизационной модели определен оптимальный вариант электроснабжения от микро-ГЭС села Огур, расположенного в Балахтинском районе Красноярского края. Для выбранного варианта системы генерации построена модель надежности микро -ГЭС, учитывающая возникновение отказа общей причины, обусловленного снижением приточности к створу микро-ГЭС. С использованием предложенной модели показана зависимость коэффициентов готовности гидроагрегатов микро -ГЭС от изменения расчетной обеспеченности расхода. ЗАКЛЮЧЕНИЕ. На основе комплексного критерия эффективности была выбрана конфигурация микро-ГЭС на реке Огур. Применение метода пространства состояний позволяет определить вероятности перехода системы генерации на базе микро-ГЭС из состояния, в котором вся установленная мощность обеспечена расходом, в состояние, при котором снижение бытового расхода приводит к отключению одного или двух гидроагрегатов микро -ГЭС.
Ключевые слова: малая гидроэнергетика; децентрализованное электроснабжение; система генерации микро-ГЭС; метод пространства состояний; многокритериальная оптимизация; комплексный критерий оптимизации.
Для цитирования: Кожемякин В.Е., Кривенко Т.В., Григорьева О.А., Тремясов В.А. Выбор оптимального состава основного оборудования микро-ГЭС с учетом надежности электроснабжения в маловодные периоды года // Вестник Казанского государственного энергетического университета. 2024. Т. 16. № 2 (62). С. 119-132.
SELECTING THE OPTIMAL COMPOSITION OF MAIN EQUIPMENT FOR MICRO HYDROELECTRIC POWER PLANTS WHILE CONSIDERING POWER SUPPLY RELIABILITY DURING LOW-WATER PERIODS OF THE YEAR
Kozhemyakin V.E., Krivenko T.V., Grigorieva O.A., Tremyasov V.A.
Siberian Federal University, Krasnoyarsk, Russia
Abstract: RELEVANCE of the study lies in the acute shortage of electricity that is developing today. There are regions in Russia that are technologically isolated from the unified energy system. In such regions the problem of reliable supply of consumers with electric energy is acute. THE PURPOSE. To develop an approach to determine the optimal capacity and composition of hydroelectric units of the generation system based on micro-hydroelectric power plants, taking into account reliability. To determine the influence of the stochastic nature of flow variations on the reliability of power supply from micro-hydroelectric power plants. METHODS. A multi-criteria optimization method using criterion properties and their convolution into a single comprehensive performance criterion is used to determine the optimal number and capacity of hydro units in a micro-hydro power plant. The reliability assessment of micro-hydro is carried out using the state space method for the micro-hydro based generation system. RESULTS. The paper analyses the existing market of micro-hydropower plants in Russia. A multi-criteria model of evaluation of different variants of power generation systems based on micro-hydropower plants is proposed. The process of convolution of the proposed optimization criteria into a single complex criterion is described. Using the proposed optimization model, the optimal variant of power supply from a micro-hydropower plant to the village of Ogur, located in the Balakhta district of the Krasnoyarsk Territory, was determined. For the selected variant of the generation system, a reliability model of the micro-hydropower plant was developed, taking into account the occurrence of a common cause failure associated with a decrease in the inflow to the micro-hydropower plant. Using the proposed model, the dependence of the availability coefficients of the hydroelectric units on changes in the calculated flow availability is shown. CONCLUSIONS. On the basis of a comprehensive performance criterion, the configuration of a micro-hydropower plant on the Ogur River was selected. The application of the state space method allowed to determine the transition probabilities of the generation system based on the micro-hydropower plant from the state in which the entire installed capacity is provided by the flow to the state in which a decrease in the domestic flow leads to the shutdown of one or two hydro units of the micro-hydropower plant.
Keywords: small hydropower; decentralized energy supply; micro-hydropower system; statespace method; multi-criteria optimization; complex optimization criterion.
For citation: Kozhemyakin V.E., Krivenko T.V., Grigorieva O.A., Tremyasov V.A. Selecting the optimal composition of main equipment for micro hydroelectric power plants while considering power supply reliability during low-water periods of the year. KAZAN STATE
POWER ENGINEERING UNIVERSITY BULLETIN. 2024. T. 16. No. 2 (62). P. 119-132.
Введение (Introduction)
Цель исследования заключается в создании многокритериальной модели оптимизации, позволяющей подобрать из нескольких конкурирующих вариантов оборудования один, наилучшим образом удовлетворяющий средней арифметической F* и средней гармонической F* форме комплексных критериев. Для наилучшего варианта показана зависимость надежности электроснабжения при возникновении отказа общей причины (ООП), связанного с изменением расхода реки.
Научная значимость исследования состоит в предложении критериальных свойств для оценки вариантов микро-ГЭС и применении метода многокритериальной оптимизации с учетом неопределенности части критериев. Так же в работе предлагается воспользоваться методом пространства состояний с целью определения вероятностей отказа одного или двух гидроагрегатов микро-ГЭС при сезонном изменении стока.
Практическая значимость исследования заключается в создании системы, обеспечивающей лицо, принимающее решение, при определении наилучшего состава агрегатов, дополнительной информацией, позволяющей упростить процесс принятия решения о вводе мощности МГЭС.
Литературный обзор (Literature Review)
Несмотря на долгую историю развития энергосистемы России, на территории нашей страны все еще остаются регионы, подключение которых к ЕЭС невозможно или не целесообразно [1]. При этом электроснабжение бытовых потребителей, проживающих на данных территориях, зачастую обеспечивается путем сжигания дизельного топлива в дизель-генераторных установках.
Одним из главных недостатков такого способа электроснабжения является его
120
высокая стоимость в сравнении с централизованным электроснабжением. Высокая цена обуславливается необходимостью завоза дизельного топлива [2, 3]. В подобных условиях оказывается экономически целесообразно рассмотреть возможность замещения части мощности дизель-генераторных установок мощностями ВИЭ [4].
Дефицит электроэнергии в Российской Федерации наблюдается на территории ряда регионов, изолированных от единой энергетической системы. Например, в рамках [5] освещается существующий дефицит электроэнергии в 12 населенных пунктах республики Тыва. Так же поднимается вопрос высокой стоимости электроснабжения от дизельных электрических станций. В заключении авторы делают вывод о экономической эффективности применения малых ГЭС для электроснабжения изолированных населенных пунктов республики.
Микро-ГЭС можно рассматривать как источник экологически чистой энергии для небольших потребителей, обеспечивающих в том числе туристическую инфраструктуру. Авторы [6] приводят проект малой ГЭС, необходимой для электроснабжения туристического центра, рыбного питомника и мини насосных станций ирригационного назначения. Проект предлагается в качестве пилотного и направлен на развитие малой энергетики Республики Таджикистан.
Вопросами выбора типа турбинных установок малых и микро-ГЭС задавались авторы [7]. Они провели анализ данных о стоимости строительства малых ГЭС, после чего структурировали затраты на строительство малых и микро-ГЭС с различными типами турбинных установок. Результатом работы стали экономические показатели, обосновывающие преимущества деривационных малых гидроузлов при их мощности выше 100 кВт в сравнении со свободнопоточными микро-ГЭС.
Малые ГЭС, построенные по деривационной схеме, являются более экономичными, в сравнении с ГЭС, построенными по плотинной схеме. Очевидно, что для создания напора при деривационной схеме требуется естественный перепад высот, который можно получить, преимущественно в горной местности.
В работе [8] авторы предлагают для повышения надежности электроснабжения горных районов от малых ГЭС применить новый алгоритм управления на основе ПИД -регулирования с кусочно-переменным коэффициентом. Такой подход к построению системы регулирования разработан с целью снижения величины перерегулирования в островной микро-сети при отключении ее от энергосистемы и обеспечения возможности работы в изолированном режиме. Применение терминала управления, использующего разработанный алгоритм показало повышение надежности электроснабжения горного района в провинции Гуандун в Китае.
Повышению надежности электроснабжения удаленных регионов, которые при аварии могут быть отключены от энергосистемы посвящена работа [9]. В работе авторы делают упор на микросети, подключенные к энергосистеме только по одной линии и включающие в свою структуру малые ГЭС. При этом уточняется, что в горной местности, для которой проводится исследование, характерно создание малых ГЭС с водохранилищами суточного регулирования, что позволяет создать запас энергии, необходимой для регулирования частоты при выделении в островной режим работы на протяжении 12 часов. По результатам работы предлагается система управления микросетью, позволяющая без установки дополнительных систем накопления энергии повысить надежность электроснабжения в сети с малой ГЭС суточного регулирования.
Иллюстрацией того, что микро-ГЭС могут стать жизненно важным источником электроэнергии, стимулирующим развитие местной экономики, является работа [ 10]. В ней авторы показывают важность обеспечения электроэнергией от микро-ГЭС деревни Булонгва, находящейся в Танзании. В статье авторы показывают, что низкая стоимость электроэнергии, полученной от микро-ГЭС, способствует развитию коммерческой деятельности, ранее зависимой от дизель-генераторов. Так же в работе приводятся данные о частоте отключений электроэнергии за 12 дней и их длительности. В сумме за 9 дней (216 ч.) произошло 10 отказов. Не трудно подсчитать, что величина интенсивности отказов для такой системы составит 0,046 ч-1. Такое высокое значение интенсивности отказов обусловлено старением оборудования, и отсутствием возможности приобрести заводские запасные части, о чем говорится в статье.
В работе [11] авторы задаются целью оптимизировать состав солнечно -гидравлической электростанции и соотношение между их мощностями. Для размещения малой ГЭС выбран оросительный канал с постоянным расходом воды. Местоположение канала - особый регион Джокьякарта в Индонезии. Для оптимизации состава гибридной системы генерации авторами используется метод роя частиц (PSO). В ходе расчета
предлагается так же установка системы накопления энергии. По результатам экономических расчетов наиболее дешевой оказывается система, состоящая только из мощностей малой ГЭС. Добавление солнечной электростанции в состав энергетической установки и повышение ее мощности от 0 до 40 кВт с шагом в 10 кВт приводит к увеличению капитальных затрат. При этом отпущенная величина электроэнергии и ее себестоимость изменяется незначительно. В результате, авторы приходят к выводу о том, что наиболее подходящей для данного региона будет малая ГЭС с мощностью 622 кВт.
В случае со странами с сезонным снижением температуры воздуха ниже нуля, использование малых ГЭС может стать невозможным из -за отсутствия энергоносителя. В работе [12] авторы предлагают использовать водородную систему накопления энергии для обеспечения микросети энергией и в зимние месяцы путем расходования накопленного водорода. Авторы показывают большую экономическую эффективность водородной системы накопления при хранении в длительные периоды.
Экологическая повестка так же подталкивает некоторые государства к применению систем производства водорода с использованием энергии из возобновляемых источников. Например, в [13] авторы показывают, что использование избыточного расхода русловой малой ГЭС мощностью 18,4 МВт позволит осуществлять производство водорода, который может поставляться в близлежащие города для использования в качестве топлива городского транспорта. Такое решение призвано сократить количество выбросов парниковых газов в атмосферу и увеличить полезное использование энергии малого водотока.
Вопрос строительства малых ГЭС мощностью до 10 МВт рассматривается и авторами [14]. В данной работе говорится о проблемах, возникающих в США при попытке согласовать проект малой ГЭС со всеми заинтересованными ведомствами. Авторы приходят к выводу о том, что необходимо проводить многофакторный анализ воздействия проектируемой малой ГЭС. Такой подход призван повысить шансы на реализацию проектов малых ГЭС на плотинах неэнергетического назначения.
В работе [15] автор говорит о возможности группирования критериев оптимизации следующим образом:
• первая группа: энергетические критерии (максимальная мощность энергетической установки, минимизация отклонения вырабатываемой мощности от графика нагрузки);
• вторая группа: экономические критерии (стоимость энергетической установки, себестоимость вырабатываемой электроэнергии, срок окупаемости).
Подводя итог, автор говорит о возможности оптимизации не только отдельных характеристик, но и об оптимизации конструкции или структуры энергетической установки.
В другой работе [16] авторы предлагают использовать малые ГЭС в составе гибридной энергетической системы с целью снижения стохастического характера выработки энергии на солнечных или ветроэлектростанциях. Одним из важных технико-экономических параметров работы малой ГЭС можно считать ее коэффициент использования установленной мощности (КИУМ). Развивая вопрос вытеснения дизельного топлива и вводя при проектировании дополнительную величину дублирующей мощности, можно использовать понятие КИУМ в качестве одного из параметров оптимизации, как наиболее комплексного.
Таким образом, существует потребность в разработке методики по определению наиболее оптимального варианта электроснабжения от МГЭС. При разработке методики необходимо сформулировать критерии оптимизации и определиться с применяемым методом решения задачи многокритериальной оптимизации. Помимо решения оптимизационной задачи практический интерес представляет оценка надежности электроснабжения от МГЭС с точки зрения обеспеченности стока.
Материалы и методы (Materials and methods)
По оценкам специалистов, общая емкость российского рынка малой гидроэнергетики - около 60 млрд кВтч, а объем освоенного рынка - до 0,3 млрд кВт-ч (до 0,5%). В то же время в горных районах Сибирского и Дальневосточного регионов имеется большое количество крутосклонных рек небольшой глубины, но с большими скоростями течения. В этом случае единственным эффективным средством получения электроэнергии от водного потока с минимальным ущербом для окружающей среды являются рукавные микро-ГЭС, требующие порой минимального объема земляных работ и обеспечивающие высокую эффективность освоения гидроэнергетического
потенциала малого водотока благодаря применению деривационной схемы создания напора.
Балахтинский муниципальный район Красноярского края находится в долинах рек Енисей и Чулым. Площадь территории составляет 10 250 км2. Площадь сельхозугодий -3 445 км2; земли лесного фонда 6 061 км2, водного - 657 км2. По размерам территория района занимает 12 место в крае. Балахтинский район является сельскохозяйственным районом края. Основным источником электрической энергии здесь являются дизельные электрические станции (ДЭС).
На рисунке 1 приведена карта района, а в таблице 1 - результаты оценки энергетических потенциалов рек района и его суммарный потенциал.
Рис. 1. Карта малых и средних рек Балахтинского Fig. 1. Map of small and medium-sized rivers in района Красноярского края с указанием Balakhta District, Krasnoyarsk Region, with населенных пунктов settlements indicated
*Источник: Составлено авторами Source: compiled by the author.
Таблица 1 Table 1
Гидрологические и энергетические характеристики рек Балахтинского района Красноярского края
Hydrological and energy characteristics of the rivers of Balakhta District, Krasnoyarsk Krai
Название реки Скорость, м/с Расход, м3/с Валовый потенциал, МВт Технический потенциал, МВт
Чулым 1,70 452,0 443,4 310,4
Жура 2,20 100,1 196,4 137,5
Березовая 1,80 4,3 2,1 1,5
Дербина 2,50 17,8 139,1 97,4
Бюза 1,80 4,3 2,1 1,5
Огур и др. малые реки - - 3,5 2,4
Итого по району: 550,7 786,6
*Источник: Составлено авторами Source: compiled by the author.
Решение задач оптимизации систем генерации микро -ГЭС по многокритериальным моделям заключается в свертке нескольких частных критериев (критериальных свойств) в единый (комплексный критерий эффективности). Частные критерии описываются существенными характеристиками системы, которые могут быть представлены как количественными, так и качественными показателями.
В настоящее время для многокритериальной оценки технических решений применяются различные формы свертки: средняя арифметическая линейная, средняя гармоническая и др.
Средняя арифметическая линейная форма свертки имеет вид:
Рр.л = Ёу>еч пРи Ё V = 1; (1)
V..
/=1 1=1
средняя гармоническая форма свертки:
( п А-1
Ё- при Ё V,- = 1, (2)
1 * = 1 г
V ,=1 У
п ,=1
где Е - оценочный функционал, представленный единым комплексным (скалярный) критерием; ву - оценка /-го частного критерия в у-м варианте; п - число частных критериев оценки в рассматриваемой задаче; vi - весомость частного критерия.
Обоснование структуры комплексного критерия эффективности Е является самостоятельной задачей. Значение целевой функции 1* для каждого у-го варианта
микро-ГЭС является комплексной оценкой его качества и дает возможность упорядочить варианты по их эффективности.
Диапазон возможных значений Е удобно выбирать единичным отрезком. Тогда любому неэффективному варианту соответствует Е =0, а идеальному - Е =1. Требуемое нормирование диапазона Е должно обеспечиваться структурой целевой функции и соответствующим масштабированием весовых коэффициентов.
В качестве оптимального варианта генерации микро-ГЭС выбирается тот, у которого достигается наибольшая оценка эффективности по выражениям (1) и (2).
Для формирования относительных оценок весомости частных критериев vi могут быть использованы различные методы экспертных оценок: методы непосредственной оценки, ранговой корреляции, последовательных сопоставлений, модификации частичного и парного сравнения и т.д. Практический опыт применения экспертных оценок показал целесообразность использования метода ранговой корреляции, который имеет преимущества в оценке согласованности экспертов.
Оценка эффективностей вариантов ву по каждому свойству основывается на определении показателей свойств, связанных с вариантами определенными зависимостями. При назначении оценок ву можно использовать возможные экономические и технические расчеты, а также экспертные оценки.
Для перехода от численных показателей у/ к относительным оценкам в у, представленным в диапазоне [0;1], в простейшем случае можно воспользоваться линейным преобразованием (3) или (4).
0 при у, < у,
е = 4Л при у < у, < у;
у,- - у, 1 при у > ^ у;
1 при у 1 < у,
е 1 = при ун < у, < у; у;- у,
(3)
(4)
0 при у 1 ^ у;
Для проведения линейных преобразований необходимо задать верхнюю у- и нижнюю у, границу возможных значений у/ в одном из четырех видов:
[о, у; ], [ у,, у; ], [ у,,«], [о, «>],
И ввести функциональное преобразование, позволяющее перейти от отрезка вида [у,, у; ] к отрезку вида [0,1].
Село Огур в Балахтинском районе - один из наиболее перспективных поселков для строительства пилотной микро-ГЭС по следующим причинам: а) большой гидроэнергетический потенциал региона; б) наличие дефицита электроэнергии; в) наличие автодороги республиканского значения, позволяющей осуществлять доставку оборудования к месту строительства, а также командировать обслуживающий персонал и расходные материалы в течение всего года.
Разместить микро-ГЭС предлагается на крутом спуске к Красноярскому водохранилищу, где при высоте плотины 5 м удастся получить требуемые расходы для эффективной работы гидроагрегатов. Рельеф в месте строительства позволяет возвести плотину длиной до 80 м, создающую водохранилище площадью 0,13 км2, в зону
затопления которого не попадают объекты инфраструктуры. Как показывают предварительные расчеты расходы на строительство окупятся менее, чем за два года.
На рисунке 2 представлены варианты генерирующего оборудования микро -ГЭС.
а) б) в)
Рис. 2. Модельный ряд энергоблоков для микро- Fig. 2. Model range of power units for micro-ГЭС: а) - Turgo Turbine (Китай); б) - Hydro- hydropowerplants: a) - Turgo Turbine (China); b) -eKIDS Type M (Toshiba, Япония); в) - МГЭС- Hydro-eKIDS Type M (Toshiba, Japan); c) - MGES-50Пр (Россия, «ИНСЕТ») 50Pr (Russia, INSET)
*Источник: Составлено авторами Source: compiled by the author.
Произведем выбор варианта системы генерации микро -ГЭС с оптимальным числом и мощностью гидроагрегатов (ГА) с помощью описанного выше метода многокритериальной оптимизации с учетом неопределенности части исходной информации.
Группой компетентных экспертов в области проектирования и эксплуатации ГЭС были сформулированы следующие критериальные свойства (КС) для микро -ГЭС:
КС 1 - минимум капитальных затрат К, тыс. руб./год;
КС 2 - максимум ежегодной выработки электроэнергии W, МВт-ч;
КС 3 - максимум объема вытесненного топлива для дизель-генераторов V, л;
КС 4 - минимум себестоимости выработанной электроэнергии с, руб/кВтч;
КС 5 - максимум технического совершенства Q, о.е.
Оценка весомостей перечисленных КС v, производилась методом ранговой корреляции. Компетентными экспертами были получены следующие оценки весомостей КС V,: v1=0,11; v2=0,29; v3=0,22; v4=0,25; v5=0,13.
Далее экспертами были подобраны соответствующие технико -экономические показатели у, по каждому из КС, способы их измерения и оценки eik представлены в таблице 2:
Таблица 2 Table 2
Показатели экономической эффективности микро-ГЭС из энергоблоков различных
производителей
Indicators of economic efficiency of micro-HPPs from power units of different manufacturers
Показатель Turgo Turbine 30 30 кВт Toshiba, Hydro-eKIDS 50 кВт МикроГЭС-50Пр «ИНСЕТ» 50 кВт
Рекомендуемое количество агрегатов микро-ГЭУ и, шт. 3 2 2
Стоимость оборудования микро-ГЭС, руб. 1 620 000 7 500 000 5 000 000
Капитальные затраты на строительство, руб. 10 019 800 19 624 500 13 450 000
Ежегодная выработка э/э микро-ГЭС, МВтч 648 720 720
Себестоимость электроэнергии микро-ГЭС, руб/кВтч 1,03 2,4 1,24
Объем вытесненного дизельного топлива, л 194 400 216 000 216 000
*Источник: Составлено авторами Source: compiled by the author.
Оценку надежности микро-ГЭС невозможно производить, не учитывая
125
конструкцию гидротурбинной установки (количество и единичную мощность ГА). В случае с ГЭС, работающими по водотоку, отсутствует любая возможность накопления стока, т.е. не формируется резерв энергоносителя, вследствие чего интенсивность отказов будет выше, чем у ГЭС, имеющих возможность аккумулирования стока в водохранилище или бассейне суточного регулирования (БСР). Таким образом, вероятность безотказной работы микро-ГЭС, работающей по водотоку, будет ниже, чем у ГЭС с возможностью аккумулирования стока.
Отказ, обусловленный недостаточной величиной расхода, можно отнести к отказам общей причины (ООП). Для микро-ГЭС рукавного типа, работающей по водотоку, ООП обусловлены воздействиями факторов окружающей среды. В работе [ 17] описываются возможные причины изменения меженного стока. Названные причины с точки зрения ООП представляют собой постоянно действующие факторы (в данном случае атмосферные), влияющие на сток в течение всего периода зимней межени.
При работе микро-ГЭС по водотоку, мгновенный расход может оказаться недостаточным для обеспечения установленной мощности всех агрегатов микро -ГЭС. В таком случае будет иметь место ООП нескольких ГА. В дальнейшем возможно увеличение расхода реки, приводящее к восстановлению нормальной работы отключенных ранее из-за недостатка энергоносителя агрегатов.
Рассмотрим для примера микро-ГЭС, работающую с двумя ГА. Зададимся периодом зимней межени, для которого снижение расхода в реке ниже расчетного можно считать ООП. Примем, что оборудование подготовлено к периоду зимней межени, что позволяет пренебречь вероятностью возникновения отказов его функционирования, связанных с повреждениями. Для построения графа состояний системы генерации примем следующие обозначения: Е0 - ООП гидроагрегатов №1 и №2; Е1 - гидроагрегаты №1 и №2 работоспособны; Е2 - гидроагрегат №1 - работоспособен, №2 - подвержен ООП; Е3 - гидроагрегат №1 - подвержен ООП, №2 - работоспособен; Ау - интенсивности отказов, представляющие собой плотность вероятности возникновения отказов, 1/ч;
р.у - интенсивности восстановления, являющиеся величиной, обратной времени восстановления работоспособного состояния микро-ГЭС, 1/ч;
& - время, за которое возможен переход из одного состояния в другое. Построенный граф состояний представлен на рисунке 3.
Рис. 3. Граф состояний модели надежности Fig. 3. State graph of the reliability model of a микро-ГЭС с двумя ГА micro-HPP with two hydroelectric units
*Источник: Составлено авторами Source: compiled by the author.
Состояния Е2 и Е3, в которых только один из двух гидроагрегатов обеспечен расходом, одинаковы по значению мощности. Так же вероятности перехода из состояния Е1 в данные состояния равновероятны в силу возможности выбора любого из двух ГА для оставления в работе. В связи с этим можно упростить схему и получить новый граф, с учётом того, что увеличение расхода воды в реке после состояния Е0 приведет сначала к восстановлению только одного ГА, после чего будет обеспечен расходом второй агрегат. Объединенное состояние Е2 и Е3 обозначим как Е23.Упрощённый граф представлен на рисунке 4.
Рис. 4. Упрощенный граф модели надежности Fig. 4. Simplified graph of the micro-HPP reliability микро-ГЭС с тремя состояниями model with three states
*Источник: Составлено авторами Source: compiled by the author.
В полученной схеме Х1=Х12=Х13, а Х2=Х20=Х30. Для интенсивностей восстановления так же справедливо равенство: ^1=^21=^31, а ц2=ц02=ц03. Учитывая значительную инерцию процессов изменения расходов в реке переход из состояния Е1 в состояние Е0 минуя состояние Е23 будем считать невозможным.
Обозначим вероятность застать микро-ГЭС в состоянии Е1 как Р(), вероятность застать установку в состоянии Е0 - Р0ф, а вероятность застать установку в состоянии Е23 - Р2(). Система дифференциальных уравнений (5) для вероятностей состояний, соответствующая этому графу:
PQ(t) = Я2 P23(t) -м2 Po(t); p'(t) = ^P23(t) -ЛРОt); p (t)=\рх (t)+^ Po (t) ) р2З (t).
(5)
Если Е1, Е23 и Е0 представляют собой полную группу событий можем записать: Р0+Р1+Р23=1. Поскольку рассматривается переход от сезона с расходом, обеспечивающим работу двух ГА, справедливо: Р()=1, Р2()=0, Р0(1)=0.
Для оценки степени использования микро-ГЭС в период межени при возникновении ООП, обусловленного недостатком расхода, можно использовать коэффициент готовности, рассчитываемый согласно (6):
М
к' =-
(6)
Л + м
Результаты (Results)
Полученные оценки комплексной эффективности вариантов, рассчитанные по формулам (1) и (2), приведены в таблице 3.
Таблица 3 Table 3
Комплексные оценки эффективности различных вариантов оборудования системы генерации
микро-ГЭС
Comprehensive efficiency assessments of different equipment options for micro-hydropower generation
system
Й Нормированные значения частных критериев eik Оценки
а s §• m v i=0,ll v2=0,29 v3=0,22 v4=0,25 v5=0,13
1 2 3 4 5 F' 1 A 1 Г
1 1 0 0 1 0,33 0,4 0
2 0 1 1 0 0,67 0,59 0
3 0,64 1 1 0,85 1 0,74 0,91
*Источник: Составлено авторами Source: compiled by the author.
Для определения значения коэффициентов ^ необходимо определить время восстановления системы т после возникновения отказа. Используя рассчитанные по данным гидрологических наблюдений значения расходов маловодного года обеспеченностью 90 % и 95 %, было определено, что в те годы, когда бытовой расход реки оказывается меньше Q90% или Q95%, то такой период длится не больше 1 месяца, т. е. не более 730 часов. Интенсивность восстановления получена как величина обратная времени восстановления и составляет:
Mi = = 1,389 • 1 0-3 ч" 1.
Интенсивности отказов X рассчитываются исходя из следующих соображений. Примем, что количество отказов равно количеству часов, на начало которых наблюдается снижение расхода ниже Q90% или Q95%. Время наблюдения составит период, за который рассматривается вероятность появления отказа, тогда:
(п — р • п 30• 24
1. = 1 лет Р' жт'-= (1 - р)• 82,2• Ю-3, (7)
' ПЖт•365•24 ^ ^^ ()
где А/ - интенсивность отказов, ч-1; плет - число лет наблюдений; pi - задаваемая обеспеченность расхода; 30 - число дней в месяцах с расходами, не превышающими заданную обеспеченность; 24 в числителе - это число часов, на начало которых наблюдается снижение расхода ниже заданной обеспеченности, в знаменателе - число часов в сутках; 365 - число суток за год.
Выражение (7), позволяет рассчитать величину интенсивности отказов в зависимости от расчетной обеспеченности расхода. Примем, что при появлении расходов ниже Q90% отказывает первый ГА, тогда согласно (7) интенсивность отказов А1=8,22-10~3, при появлении расходов ниже Q95% отказывает второй ГА с интенсивностью, равной А2=4,11-10-3.
По результатам численного решения (5) были получены графики, представленные на рисунке 5. Для анализа значений коэффициента готовности в зависимости от применяемой расчетной обеспеченности расхода построен график зависимости коэффициента готовности от расчетной обеспеченности, представленный на рисунке 6.
Значения коэффициента готовности при обеспеченностях 90 % и 95 % составляют:
= = 0,145, = = 0,253 .
1 + / 1+ И
720 1440 2160
Время, часы
Рис. 5. Вероятности перехода гидроагрегатов Fig. 5. Probabilities of transition of micro-микро-ГЭС различные состояния: 1 - в состояние hydropower units to different states: 1 - to the state E/, 2 - в состояние E23; 3 - в состояние E0 E1; 2 - to the state E23; 3 - to the state E0
*Источник: Составлено авторами Source: compiled by the author.
70 80
Обеспеченность расхода, % Рис. 6. Зависимость коэффициента готовности Fig. 6. Dependence of micro-HPP availability factor микро-ГЭС от расчетной обеспеченности on design availability
*Источник: Составлено авторами Source: compiled by the author.
Обсуждение (Discussions)
Обобщая полученные результаты, следует заметить, что варианты имеют вполне отличные друг от друга оценки F« и F*, позволяющие выбрать третий вариант. Оценки
г-,«
F « для первого и второго вариантов равны нулю, что свидетельствует о недопустимости принятия вариантов с низкими значениями частных критериев эффективности свойств.
Оптимальным можно считаться вариант микро-ГЭС, имеющий в своем составе два гидроагрегата фирмы «ИНСЕТ» с установленной мощностью каждого ГА равной 50 кВт.
Анализируя вероятности переходов системы генерации в различные состояния (рис. 5), видно, что в течение первого месяца периода зимней межени происходит изменение значения вероятностей нахождения гидроагрегатов микро-ГЭС в рассматриваемых состояниях Е1, Е23 и E0. Сохранение в работе двух ГА является наименее вероятным исходом уже спустя 7-8 дней после начала периода межени. После этого один ГА, вероятно, останется в работе ещё на 4-6 дней, после чего вероятность ООП двух ГА станет наибольшей.
При этом можно предположить, что установившееся спустя первые две недели состояние будет сохраняться на протяжении всего периода межени, что позволит спрогнозировать величину выработки вплоть до начала весеннего половодья.
Применение коэффициента готовности при известной величине обеспеченности меженного расхода позволяет определить вероятность выдачи запланированной величины мощности в течение маловодного периода года.
Так же из зависимости, представленной на рис. 6 можно констатировать, что стремление обеспечить надежное электроснабжение потребителей в маловодные периоды года приводит проектировщика к необходимости использовать не только общепринятые значения обеспеченности расходов в 90 % и 95 %, но и стремиться получить данные о расходах обеспеченностью близкой к 100 %.
Так, значение кг превышающее 0,5 достигается при использовании расхода обеспеченностью, превышающей 98 %. В таком случае возможно с высокой точностью определить прогнозную величину гарантированной выработки электроэнергии. Применение расходов высокой обеспеченности позволит использовать микро-ГЭС в качестве гарантированных поставщиков электроэнергии изолированному от энергосистемы потребителю.
Выводы (Conclusions)
На основе предложенных в работе комплексных критериев эффективности для различных вариантов используемого оборудования микро-ГЭС выбрана оптимальная система генерации с двумя гидроагрегатами.
Предложенная в работе модель надежности микро-ГЭС с двумя гидроагрегатами, учитывающая обеспеченность меженного расхода позволяет определить вероятности отказа гидроагрегатов при изменении бытового расхода реки.
Коэффициент готовности, как комплексный критерий, позволяющий оценить степень использования микро-ГЭС в период межени в зависимости от обеспеченности стока, иллюстрирует необходимость углубленной проработки вопроса о выборе обеспеченности расчетного расхода при проектировании микро-ГЭС с точки зрения надежности работы системы генерации в период межени.
Литература
1. Илюшин П.В., Тыквинский А.М. Особенности обеспечения надёжного электроснабжения промышленных потребителей в изолированных энергосистемах // Вестник Казанского государственного энергетического университета. 2019. Т. 11. №1(41). С. 39-50.
2. Мартко Е.О., Тригуб М.А. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии как современная технология сбалансированности отдаленных энергорайонов с децентрализованным электроснабжением // Интеллектуальная энергетика: Сборник научных статей кафедры "Электроснабжение промышленных предприятий" АлтГТУ им. И.И. Ползунова. Барнаул: изд-во ООО "МЦ ЭОР", 2021. С. 76-82.
3. Чайка Л.В. Традиционная и новая малая энергетика в Северных регионах России // Север и рынок: формирование экономического порядка. 2021. №1(71). С. 13-25.
4. Савина Н.В., Кустов Д.Ф. ВИЭ как средство повышения надежности и эффективности децентрализованных систем электроснабжения // Проблемы и перспективы развития электроэнергетики и электротехники: Материалы III Всероссийской научно -практической конференции; 17-18 марта 2021 г., Казань. Казань: КГЭУ, 2021. С. 484-489.
5. Севек В.К., Манчык-Сат Ч.С., Сарыглар А.А. Развитие малой генерации электроэнергетики в Республике Тыва // Экономика и предпринимательство. 2020. №7(120). С. 455462.
6. Петров Г.Н., Расулов С., Ахмедов Х.М., и др. К вопросу строительства деривационной гидроэлектростанции на реке Каратаг // Известия Национальной академии наук Таджикистана. Отделение физико-математических, химических, геологических и технических наук. 2021. № 1(182). C. 148-156.
7. Спирин Е.А., Никитин А.А., Головин М.П., и др. О выборе типа микроГЭС и ее оптимальной мощности в зависимости от гидрологических параметров // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2014. Т. 16. № 1-2. С. 543-547.
8. Wang G., Chen Z., Wang Z., et al. Research and implementation of frequency control strategy of islanded microgrids rich in grid-connected small hydropower // Energy Reports. 2023. Vol. 9, pp. 50535063.
9. Zhang Z., Yang X., Wang Z., et al. Highly applicable small hydropower microgrid operation strategy and control technology // Energy Reports. 2020. Vol. 6, pp. 3179-3191.
10. Ngowi J.M., Bangens L., Ahlgren E.O. Benefits and challenges to productive use of off-grid rural electrification: The case of mini-hydropower in Bulongwa-Tanzania. Energy for Sustainable Development. 2019. Vol. 53, pp. 97-103.
11. Syahputra R., Soesanti I. Renewable energy systems based on micro-hydro and solar photovoltaic for rural areas: A case study in Yogyakarta, Indonesia // Energy Reports. 2021. Vol. 7, pp. 472-490.
12. Jin L., Rossi M., Ferrario A.M., et al. Integration of battery and hydrogen energy storage systems with small-scale hydropower plants in off-grid local energy communities // Energy Conversion and Management. 2023. Vol. 286, 117019.
13. Jovan D.J., Dolanc G., Pregelj B. Utilization of excess water accumulation for green hydrogen production in a run-of-river hydropower plant // Renewable Energy. 2022. Vol. 195, pp. 780-794.
14. Hansen C., Musa M., Sasthav C., DeNeale S. Hydropower development potential at non-powered dams: Data needs and research gaps // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2021. Vol. 145,111058.
15. Степанов В.М. Принципы построения систем электроснабжения с гибридными энергетическими установками // 58-я Научно-практическая конференция профессорско-преподавательского состава ТулГУ с всероссийским участием; 08-11 февраля 2022 г., Тула. Тула: Тульский государственный университет, 2022. Ч. 1. С. 93-97.
16. Мокаев А.Р., Носков М.Ф., Курленко К.П. Перспективность использования гибридных энергетических комплексов на базе возобновляемых источников энергии // Успехи современного естествознания. 2023. №7. С. 97-102.
17. Боревский Б.В., Марков М.Л. Является ли меженный расход рек мерой питания подземных вод или общего подземного стока? // Разведка и охрана недр. 2014. № 5. С. 10-16.
Авторы публикации
Кожемякин Вячеслав Евгеньевич - аспирант Политехнического института (ПИ) Сибирского федерального университета (СФУ). ORCID: http://orcid.org/0000-0002-2941-9206. Email: [email protected].
Кривенко Татьяна Витальевна - канд. техн. наук, доцент кафедры «Электроэнергетики» Политехнического института (ПИ) Сибирского федерального университета (СФУ). Email: [email protected].
Григорьева Ольга Анатольевна - канд. техн. наук, доцент, зав. кафедрой «Стандартизация, метрология и управление качеством» (СМиУК) Политехнического института (ПИ) Сибирского федерального университета (СФУ). Email: [email protected].
Тремясов Владимир Анатольевич - канд. техн. наук, доцент, доцент кафедры «Электроэнергетики» Политехнического института (ПИ) Сибирского федерального университета (СФУ). Email: [email protected].
References
1. Ilyushin PV, Tykvinsky AM. Reliable industrial power supply features in off-grid systems. Vestnik Kazanskogo gosudarstvennogo ehnergeticheskogo universiteta. 2019; 11(1, Pt 41):39-50. (In Russ.).
2. Martko EO, Trigub MA. Netraditsionnye vozobnovlyaemye istochniki energii kak sovremennaya tekhnologiya sbalansirovannosti otdalennykh energoraionov s detsentralizovannym elektrosnabzheniem // Intellektual'naya energetika: Sbornik nauchnykh statei kafedry "Elektrosnabzhenie promyshlennykh predpriyatii" AltGTU im. I.I. Polzunova. Barnaul: izd-vo OOO "MTs EOR", 2021. pp. 76-82. (In Russ.).
3. Chajka LV. Conventional and new small power generation in the northern regions of Russia. Sever i rynok: formirovanie ekonomicheskogo poryadka. 2021. 1(71):13-25. (In Russ.) doi:10.37614/2220-802X.1.2021.71.002.
4. Savina NV, Kustov DF. Renewable energy as a means of improving the reliability and efficiency of decentralized power supply systems. Problemy i perspektivy razvitiya elektroenergetiki i elektrotekhniki: Materialy III Vserossiiskoi nauchno-prakticheskoi konferentsii; 17-18 Mar 2021, Kazan, Russia. Kazan: KGEU, 2021. pp. 484-489. (In Russ.).
5. Sevek VK, Manchyk-Sat ChS, Sargylar AA. Development of small-scale generation of electric power in the Republic of Tyva. Ekonomika ipredprinimatelstvo. 2020; 7(120):455-462. (In Russ.).
6. Petrov GN, Rasulov S, Akhmedov HM, et al. On the construction of a derivational hydroelectric power station on the Karatag river. News of the national academy of sciences of Tajikistan. Department of physical, mathematical, chemical, geological and technical sciences. 2021. 1(182): 148-156. (In Russ.).
7. Spirin EA, Nikitin AA, Golovin MP, et al. O vybore tipa mikroGES i ee optimalnoi moshchnosti v zavisimosti ot gidrologicheskikh parametrov. Izvestiya Samarskogo nauchnogo tsentra Rossiiskoi akademii nauk. 2014; 16(1-2):543-547. (In Russ.).
8. Wang G, Chen Z, Wang Z, et al. Research and implementation of frequency control strategy of islanded microgrids rich in grid-connected small hydropower. Energy Reports. 2023; 9:5053-5063. doi: 10.1016/j.egyr.2023.04.011
9. Zhang Z, Yang X, Wang Z, et al. Highly applicable small hydropower microgrid operation strategy and control technology. Energy Reports. 2020; 6:3179-3191. doi: 10.1016/j.egyr.2020.08.037
10. Ngowi JM, Bangens L, Ahlgren EO. Benefits and challenges to productive use of off-grid rural electrification: The case of mini-hydropower in Bulongwa-Tanzania. Energy for Sustainable Development. 2019; 53:97-103. doi: 10.1016/j.esd.2019.10.001
11. Syahputra R, Soesanti I. Renewable energy systems based on micro-hydro and solar photovoltaic for rural areas: A case study in Yogyakarta, Indonesia. Energy Reports. 2021; 7:472-490. doi: 10.1016/j.egyr.2021.01.015.
12. Jin L, Rossi M, Ferrario AM, et al. Integration of battery and hydrogen energy storage systems with small-scale hydropower plants in off-grid local energy communities. Energy Conversion and Management. 2023; 286(117019):1-7. doi: 10.1016/j.enconman.2023.117019.
13. Jovan DJ, Dolanc G, Pregelj B. Utilization of excess water accumulation for green hydrogen production in a run-of-river hydropower plant. Renewable Energy. 2022; 195:780-794. doi: 10.1016/j.renene.2022.06.079.
14. Hansen C, Musa M, Sasthav C, DeNeale S. Hydropower development potential at non-powered dams: Data needs and research gaps. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2021; 145(111058): 112. doi: 10.1016/j.rser.2021.111058.
15. Stepanov VM. Principles of construction of power supply systems with hybrid power plants. 58-ya Nauchno-prakticheskaya konferentsiya professorsko-prepodavatel'skogo sostava TulGU s vserossiiskim uchastiem; 08-11 Feb 2022; Tula, Russia. Tula: Tulskii gosudarstvennyi universitet, 2022. Vol.1. pp. 93-97.
16. Mokaev AR, Noskov MF, Kurlenko KP. The potential use of hybrid energy complexes based on renewable energy sources. Uspekhi sovremennogo estestvoznaniya. 2023; 7:97-102. (In Russ.). doi: 10.17513/use.38077.
17. Borevskii BV, Markov ML. Is river low-water flow a measure contributing to underground water or common underground water inflow? Prospect and protection of mineral resources. 2014; 5:1016. (In Russ.).
Authors of the publication
Vyacheslav E. Kozhemyakin - Siberian Federal University (SFU), Krasnoyarsk, Russia. ORCID: http://orcid.org/0000-0002-2941-9206. Email: [email protected].
Tatyana V. Krivenko - Siberian Federal University (SFU), Krasnoyarsk, Russia. Email: [email protected].
Olga A. Grigoreva - Siberian Federal University (SFU), Krasnoyarsk, Russia. Email: [email protected].
Vladimir A. Tremyasov - Siberian Federal University (SFU), Krasnoyarsk, Russia. Email: [email protected].
Шифр научной специальности: 2.4.5. Энергетические системы и комплексы
Получено 29.02.2024 г.
Отредактировано 10.04.2024 г.
Принято 30.05.2024 г.
