Тема 2. Автономные энергосистемы. Классификация. Оснонвые

Тема 2.Автономные энергосистемы. Классификация. Основные потребители.
Автономные системы энергообеспечения с промежуточным накоплением энергии
В условиях энергетической нестабильности гарантированное бесперебойное
энергообеспечение приобретает особое значение. Существующие технические
решения ориентируются главным образом на наличие единых энергосетей большой
мощности и эксплуатацию энергетического оборудования в единой энергосистеме.
В
целом
это
повышает
надежность
централизованного
энергоснабжения,
одновременно вынуждая применять жесткие меры по обеспечению устойчивости
системы, вплоть до принудительного автоматического отключения отдельных
потребителей в кризисных ситуациях.
Для удаленных потребителей. В настоящее время более половины российской
территории, прежде всего удаленные районы Крайнего Севера, Дальнего Востока и
Восточной Сибири, где живет около 20 процентов населения страны, не имеет
централизованного
электро-
и
теплоснабжения.
Кроме
того,
остается
неэлектрифицированной значительная доля фермерских хозяйств, садоводческих
участков, леспромхозов, а также местных производств в Европейской части страны.
Восполнить отсутствие централизованного энергоснабжения, в том числе в
отдаленных
или
экономически
неразвитых
районах,
могут
автономные
энергетические установки малой мощности, использующие как традиционные
источники энергии (привозное топливо), так и нетрадиционные, возобновляемые
источники. При этом установки на привозном топливе требуют относительно
небольших капитальных затрат при высоких эксплуатационных издержках, а
агрегаты на возобновляемых источниках (из-за малой плотности потоков энергии) значительных капитальных затрат при низких эксплуатационных издержках и
отсутствии топливной составляющей.
Энергообеспечение таких потребителей возможно при комбинированном
использовании дизельных электростанций и низкопотенциальной энергии ветра,
Солнца, малых рек и т. д., а во многих случаях только за счет последней. Основная
топливная составляющая в себестоимости подобной энергии очень мала. Таким
образом, энергоустановки, использующие возобновляемые источники, более
эффективны, чем дизельные (бензиновые) электростанции или подсоединение к
централизованным энергосистемам.
В
системах
автономного
энергоснабжения,
в
том
числе
и
с
низкопотенциальными источниками энергии, необходимо учитывать три основных
фактора: мощность источника энергии, максимальная мощность потребления и
время использования мощностей потребителем. При этом мощности источников
энергии
далеко
не
всегда
должны
соответствовать
максимальному
энергопотреблению, так как, учитывая третий фактор, можно удовлетворить
максимальные потребности в энергии при значительно меньших мощностях
генерирующих источников.
В
основу
создания
предлагаемых
конкурентоспособных
установок
автономного энергоснабжения положен принцип системности. АСЭ объединяет
комплекс
генерирующего
оборудования,
энергосеть,
средства
оперативно-
диспетчерского управления и нагрузки потребителя. Для сравнительно небольших
автономных систем ключевая проблема - увязка изменяющихся мощностей
производства и потребления энергии - может решаться не за счет подключения
специально создаваемого резерва генерирующего оборудования (по примеру
большой энергетики), а за счет буферного промежуточного накопления полезной
энергии на базовых (и ниже) режимах потребления, в достаточном для покрытия
пиковых нагрузок количестве.
Принципы работы. Техническая реализация концепции автономной системы
энергообеспечения осуществляется на основе следующих положений:
1. Анализ типовых графиков производства и потребления энергии для
различных локальных источников показывает, как правило, превышение общего
объема возможной выработки над потреблением при существенных колебаниях их
мощности.
При
этом
продолжительность
режима
пикового
потребления
значительно меньше режима поступления базовой мощности от источника,
составляя
от
нескольких
часов
до
нескольких
суток.
Использование
промежуточного накопителя, заряжающегося при снижении потребления энергии и
отдающего ее при возрастании нагрузки, компенсирует несоответствие графиков
производства и потребления энергии.
2. Для выработки электроэнергии с использованием низкопотенциальных
источников в составе локальной системы может применяться экологически чистый,
специально разработанный новый тип свободнопоточных ветро- и гидроприводов, а
также новая конструкция электрогенераторов. Созданные устройства, в отличие от
применяемых сегодня в мире, стабильно работают в очень широком диапазоне
нагрузок, скоростей потоков и расходов возобновляемых источников. Они
унифицированы и высокотехнологичны, что позволяет легко трансформировать их
под ветровые или водные нагрузки с независимым или комбинированным
использованием. Монтаж таких устройств не требует серьезных подготовительных
работ и больших финансовых затрат.
3. Помимо специально разработанных ветро- и гидротурбогенераторов, для
работы с автономными системами энергообеспечения могут применяться и другие
виды генерирующего оборудования. Солнечные батареи, слабые энергосети,
дизельные электростанции, а также тягловая (животная) сила могут использоваться
в качестве генерирующих источников, при этом их мощность в составе такой
энергосистемы может быть на порядок меньше, чем пиковые нагрузки потребителя.
Кроме того, к АСЭ могут подключаться микротурбины, малые ГЭС и
ветроустановки,
обычно
требующие
обязательной
связи
с
большими
энергосистемами. Подключение к энергосистеме существующих автономных
установок, работающих на невозобновляемых источниках (уголь, нефть, газ),
позволяет значительно повысить их эффективность при экономии привозного
топлива, в том числе на модульных котельных - с обеспечением выработки не
только тепла, но и электроэнергии. Разработаны схемы дооборудования котельных
турбоустановками
различного
типа
для
выработки
электроэнергии
с
использованием преимуществ АСЭ по поддержанию стабильных параметров теплои электроснабжения.
4.
Модульная
схема
подключения автономной
системы
энергообеспечения позволяет объединять потребителей в энергетический район с
созданием локальных сетей. При этом суммарная мощность сети энергорайона во
многом будет определяться применяемым типоразмером модуля автономной
энергосистемы. Так, используя модуль типоразмером 4 кВт, можно создать
энергорайон общей мощностью до 100 кВт, а типоразмером 33 кВт - мощностью до
1000 кВт. Такие типоразмеры позволяют не только удовлетворять практически все
требования различных потребителей (производственные, жилищно-коммунальные и
пр.), но и полностью унифицировать энергооборудование - от турбоприводов до
целых
блоков
автономной
энергосистемы.
Это сокращает затраты на изготовление и транспортировку оборудования,
строительно-монтажные работы, сроки ввода объекта в эксплуатацию, создание
линий связи с потребителем и т. д. Ремонтные и профилактические работы на
генерирующем оборудовании АСЭ могут проводиться без отключения потребителя.
Необходимая продолжительность бесперебойного энергоснабжения в таких случаях
обеспечивается, по желанию потребителя, за счет установки дополнительных
модулей оборудования.
5. Проведенные сравнительные экономические расчеты показывают, что при
относительно малых объемах требуемой энергии для снабжения удаленных
потребителей автономные энергосистемы с использованием возобновляемых
источников более эффективны, чем дизельные электростанции и ЛЭП. Так,
экономический эффект от применения АСЭ будет более 600 процентов при
сравнении с затратами на эксплуатацию за 10 лет работы дизельной электростанции
или ЛЭП аналогичной мощности. Срок окупаемости автономной системы
составляет 2-3,5 года.
Отдача для потребителей, бизнеса и государства. В целом предлагаемая автономная
система энергообеспечения с промежуточным накопителем представляет собой
новое направление развития малой энергетики, заполняя нишу в секторе
автономного
электроснабжения
потребителей
возобновляемых экологически чистых источников.
на
базе
низкопотенциальных
Таким образом, имеются все необходимые концептуальные, экономические и
технические
предпосылки
для
создания
конкурентоспособных
локальных
энергетических систем, отвечающих следующим требованиям:
- соответствие режима производства энергии и ее аккумулирования режиму
потребления; - низкая стоимость энергии;- общедоступность исходных ресурсов; высокая
надежность
и
бесперебойность
энергоснабжения;
-
экологическая
безопасность; - простота обслуживания;- возможность расширения производства
электроэнергии за счет других источников; - модульная схема, обеспечивающая
серийное производство.
Применение АСЭ с промежуточным накоплением энергии позволяет решать
задачи энергообеспечения на различных уровнях возникающих проблем.
На государственном (макроэкономическом) уровне - это создание в короткие
сроки
энергорайонов,
удаленных
от
энергосистем,
с
незначительными
капитальными вложениями в строительство локальных сетей, обеспечение
электроэнергией населения в условиях чрезвычайных ситуаций, а также улучшение
экологической обстановки.
На региональном уровне - это возможность получения дополнительных
мощностей без строительства новых электростанций и ввода дополнительных
трансформаторных подстанций.
Для предпринимателей - это получение новых доходов за счет создания
предприятий (с возможностью их электроснабжения) в тех местах, где ранее это
было экономически невыгодно. Это возможность работы предприятия при
отключении электроэнергии (аварии) на линиях электропередачи, а также снижение
расходов на электроэнергию за счет ее накопления в режиме использования ночного
тарифа.
Транспортирование и потребление тепловой и электрической энергии.
Основные
Основными
предприятия
потребители
тепловой
потребителями
и
энергии
тепловой
и
энергии
жилищно-коммунальное
системы
теплоснабжения.
являются
хозяйство.
Для
промышленные
большинства
производственных
потребителей
требуется
тепловая
энергия
в
виде
пара
(насыщенного или перегретого) либо горячей воды. Например, для силовых
агрегатов, которые имеют в качестве привода паровые машины или турбины
(паровые молоты и прессы, ковочные машины, турбонасосы, турбокомпрессоры и
т.д.), необходим пар давлением 0,8 – 3,5 МПа и перегретый до 250 – 450°С. Для
технологических аппаратов и устройств (разного рода подогреватели, сушилки,
выпарные
аппараты,
химические
реакторы)
преимущественно
требуются
насыщенный или слабо перегретый пар давлением 0,3 – 0,8 МПа и вода с
температурой
150°С.
В
жилищно-коммунальном
хозяйстве
основными
потребителями теплоты являются системы отопления и вентиляции жилых и
общественных зданий, системы горячего водоснабжения и кондиционирования
воздуха. В жилых и общественных зданиях температура поверхности отопительных
приборов в соответствии с требованиями санитарно-гигиенических норм не должна
превышать 95°С, а температура воды в кранах горячего водоснабжения должна быть
не ниже 50 – 60°С в соответствии с требованиями комфортности и не выше 70°С по
нормам техники безопасности. В связи с этим в системах отопления, вентиляции и
горячего водоснабжения в качестве теплоносителя применяется горячая вода.
Системой теплоснабжения называется комплекс устройств по выработке,
транспорту и использованию теплоты. Снабжение теплотой потребителей (систем
отопления, вентиляции, горячего водоснабжения и технологических процессов)
состоит из трех взаимосвязанных процессов: сообщения теплоты теплоносителю,
транспорта теплоносителя и использования теплового потенциала теплоносителя.
Системы теплоснабжения классифицируются по следующим основным
признакам:
мощности, виду источника теплоты и виду теплоносителя. По мощности системы
теплоснабжения
характеризуются
дальностью
передачи
теплоты
и
числом
потребителей. Они могут быть местными и централизованными.
Местные системы теплоснабжения – это системы, в которых три основных
звена объединены и находятся в одном или смежных помещениях
Централизованные системы теплоснабжения – системы, в которых от одного
источника теплоты подается теплота для многих помещений.
По виду источника теплоты системы централизованного теплоснабжения
разделяют на районное теплоснабжение и теплофикацию.
При системе районного теплоснабжения источником теплоты служит
районная котельная, теплофикации – ТЭЦ. Теплоноситель получает теплоту в
районной котельной (или ТЭЦ) и по наружным трубопроводам, которые носят
название тепловых сетей, поступает в системы отопления.
Теплоноситель – среда, которая передает теплоту от источника теплоты к
нагревательным
приборам
систем
отопления,
вентиляции
и
горячего
водоснабжения. По виду теплоносителя системы теплоснабжения делятся на 2
группы – водяные и паровые. Системы водяных теплопроводов могут быть
однотрубными и двухтрубными (в отдельных случаях многотрубными). Наиболее
распространенной является двухтрубная система теплоснабжения (по одной трубе
подается горячая вода потребителю, по другой, обратной, охлажденная вода
возвращается на ТЭЦ или в котельную).
В современных системах теплоснабжения применяют следующие значения
температур воды: 1) Т = 105°С (95°С), в системах отопления жилых и общественных
зданий; 2) Т = 150°С в системах централизованного теплоснабжения от котельной
или ТЭЦ, а также в системах отопления промышленных зданий. В Беларуси длина
тепловых сетей (1996 г.) составляет: основных 794 км, распределительных 1341 км.
Основными элементами тепловых сетей являются: трубопровод, состоящий из
стальных труб, соединенных между собой с помощью сварки; изоляционная
конструкция, предназначенная для защиты трубопровода от наружной коррозии и
тепловых потерь; несущая конструкция, воспринимающая вес трубопровода и
усилия, возникающие при его эксплуатации.
Электроэнергетические системы и электрические сети. Электрическая часть
электростанции включает в себя разнообразное основное и вспомогательное
оборудование. К основному оборудованию, предназначенному для производства и
распределения электроэнергии, относятся:
- синхронные генераторы, вырабатывающие электроэнергию (на ТЭС
турбогенераторы);
-
сборные
шины,
предназначенные
для
приема
электроэнергии
от
генераторов и распределения ее к потребителям;
-
коммутационные
аппараты-выключатели,
предназначенные
для
включения и отключения цепей в нормальных и аварийных условиях, и
разъединители, предназначенные для снятия напряжения с обесточенных частей
электроустановок и для создания видимого разрыва цепи;
- электроприемники собственных нужд (насосы, вентиляторы, аварийное
электрическое освещение и т.д.).
Вспомогательное оборудование предназначено для выполнения функций измерения,
сигнализации, защиты и автоматики и т.д.
Энергетическая система (энергосистема) состоит из электрических станций,
электрических сетей и потребителей электроэнергии, соединенных между собой и
связанных
общностью
режима
в
непрерывном
процессе
производства,
распределения и потребления электрической и тепловой энергии при общем
управлении этим режимом.
В
нашей
стране
применяются
стандартные
номинальные
(междуфазные)
напряжения трехфазного тока частотой 50 Гц в диапазоне 6 – 750 кВ, а также
напряжения 0,66; 0,38 кВ. Для генераторов применяют номинальные напряжения 3 –
21 кВ. Передача электроэнергии от электростанции по линиям электропередачи
осуществляется при напряжениях 110 – 750 кВ, т.е. значительно превышающих
напряжения
генераторов.
Электрические
подстанции
применяются
для
преобразования электроэнергии одного напряжения в электроэнергию другого
напряжения.
Энергетическое
хозяйство
промышленных
предприятий
и
потенциал
энергосбережения. В промышленности более 2/3 потенциала энергосбережения
находится в сфере потребления наиболее энергоемкими отраслями – химической и
нефтехимической, топливной, строительных материалов, машиностроения, черной
металлургии, лесной, деревообрабатывающей и целлюлозно-бумажной, пищевой и
легкой промышленностью.
Значительные резервы экономии ТЭР в этих отраслях обусловлены
несовершенством
энергоснабжения,
технологических
недостаточным
процессов
внедрением
и
оборудования,
новых
схем
энергосберегающих
и
безотходных технологий, уровнем утилизации вторичных энергоресурсов, малой
единичной
мощностью
технологических
линий
и
агрегатов,
применением
неэкономичной осветительной аппаратуры, нерегулируемого электропривода,
неэффективной загрузкой энергооборудования, низкой оснащенностью приборами
учета, контроля и регулирования технологических и энергетических процессов,
недостатками, заложенными при проектировании и строительстве предприятий и
отдельных производств, низким уровнем эксплуатации оборудования, зданий и
сооружений.
Машиностроение и металлургия. Примерно треть всего используемого в
машиностроении
котельно-печного
топлива
идет
на
нужды
литейного,
кузнечнопрессового и термического производства. На технологические нужды
используется около половины всей потребляемой теплоты и около трети всей
электроэнергии. Свыше трети всей электроэнергии идет на механическую
обработку. Основными потребителями энергоресурсов в машиностроении являются
мартеновские
печи,
вагранки,
плавильные
печи,
тягодутьевые
машины
(вентиляторы и дымососы), нагревательные печи, сушилки, прокатные станы,
гальваническое оборудование, сварочные агрегаты, прессовое хозяйство.
Причинами малой эффективности использования топлива и энергии в
отраслях
машиностроения
являются
низкий
технический
уровень
печного
хозяйства, высокая металлоемкость изделий, большие отходы металла при его
обработке,
незначительный
уровень
рекуперации
сбросной
теплоты,
нерациональная структура используемых энергоносителей, значительные потери в
тепловых и электрических сетях.
Более половины резервов экономии энергоресурсов может быть реализовано в
процессе плавки металлов и литейного производства. Остальная экономия связана с
совершенствованием процессов металлообработки, в том числе за счет повышения
уровня ее автоматизации, расширения использования менее энергоемких по
сравнению с металлом пластмасс и других конструкционных материалов.
Основными направлениями энергосбережения в этих отраслях являются:
-
использование
эффективных
футеровочных
и
теплоизоляционных
материалов в печах, сушилках и теплопроводах;
-
применение
тиристорных
преобразователей
частоты
в
процессах
индукционного нагрева металла в кузнечном и термическом производстве;
- внедрение энергосберегающих лакокрасочных материалов (с пониженной
температурой сушки, водоразбавляемых, с повышенным сухим остатком);
- снижение энергозатрат при металлообработке (замена процессов горячей
штамповки выдавливанием и холодной штамповкой;
- применение накатки шестерен вместо изготовления на зубофрезерных
станках;
- расширение использования методов порошковой металлургии;
- применение станков с ЧПУ (числовым программным управлением), развитие
робототехники и гибких производственных структур;
- снижение энергоемкости литья за счет уменьшения брака.
Химическая
и
нефтехимическая
промышленность.
В
этих
отраслях
промышленности существует разнообразие технологических процессов, при
которых потребляется или выделяется большое количество теплоты. Уголь, нефть и
газ используются как в качестве топлива, так и в качестве сырья.
Основными направлениями энергосбережения в этих отраслях являются:
- применение высокоэффективных процессов горения в технологических печах и
аппаратах (установка рекуператоров для подогрева воды);
- использование погруженных газовых горелок для замены парового разогрева
негорючих жидкостей;
- внедрение новой технологии безотходного экологически чистого производства
капролактама с получением тепловой энергии в виде пара и горючих газов (ПО
"Азот");
-
повышение
эффективности
процессов
ректификации
(оптимизация
технологического процесса с использованием тепловых насосов, повышение
активности и селективности катализаторов);
- совершенствование и укрупнение единичной мощности агрегатов в производстве
химических волокон;
- снижение потерь топлива и сырья в низкотемпературных процессах;
- перепрофилирование производства аммиака на менее энергоемкое производство
метанола (ПО "Азот").
Крупным
резервом
экономии
энергоресурсов
в
нефтехимической
промышленности являются утилизация вторичных энергетических ресурсов, в том
числе внедрение котлов-утилизаторов для производства пара и горячей воды с
целью утилизации тепла высокопотенциальных газовых выбросов.