УДК 620.9 ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭНЕРГОРЕСУРСОВ В МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОМ

УДК 620.9
ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
ЭНЕРГОРЕСУРСОВ В МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОМ
ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕСКОМ КОМПЛЕКСЕ НА БАЗЕ ДЭС, ВЭС И
МАЛЫХ ГЭС
А.Ю. Любимов – инженер; И.Я. Редько – д-р техн. наук, проф.
НПЦ малой энергетики, ОАО «РусГидро», ОАО «НИИЭС», г. Москва, Россия
А.С. Баделин – д-р техн. наук
Университет Касселя
Необходимость радикального решения проблем развития малой энергетики диктует
сложившаяся в последние годы ситуация в стране и электроэнергетике, напряженное
состояние в топливно-энергетическом комплексе в отрасли и регионах. Кроме того, 70%
территории России находится в зоне децентрализованного энергоснабжения, где
единственными источниками энергии, как правило, являются дизельные электростанции.
Очевидно, что строительство МЭК на основе ВИЭ в таких регионах окупит себя в
кратчайшие сроки. Новая концепция в настоящее время наиболее полно реализуется в
системе,
которая
получила
наименование
«Многофункциональный
энерготехнологический комплекс модульного типа на базе гибридных энергоустановок»,
сокращенно МЭК – это гибридная электростанция, представляющая собой систему
отдельных транспортабельных модулей, конструктивно и функционально совместимых
между собой, которыми управляет единая система управления. Данный комплекс
обеспечивает параллельную работу ВЭС, ДЭС и малой ГЭС.
Necessity of the radical solution of such a problem as development of small power
demands on the current situation in the country and electric power industry, and on the stress in
the energy sector in the industry and in the regions. In addition, 70% of the territory of Russia is
in the area of decentralized energy supply, where the only sources of energy are typically diesel
power. Obviously, the construction of the MPC, based on renewable energy in such regions will
pay for them selves in the shortest possible time. The new concept is currently the most fully
realized in the system, which received the name «Multifunctional Power Complex modularbased hybrid power», (MPC). MPC is the hybrid power plant, which is made of separate
transportable units, structurally and functionally compatible with each other, which is managed
by a unified management system. This complex provides parallel work between Wind-electric
Power Stations (WPS), Diesel-electric Power Stations (DPS) and small Hydroelectric Power
Stations (HPS).
Введение
Необходимость радикального решения проблем развития малой энергетики диктует
сложившаяся в последние годы ситуация в стране и электроэнергетике, напряженное
состояние в топливно-энергетическом комплексе в отрасли и регионах, замедленное
развитие и обновление производственно-технической отрасли, низкая энергетическая
эффективность регионов, нерациональное топливоснабжение труднодоступных районов
Севера и Дальнего Востока, неудовлетворительное состояние основного оборудования,
отсутствие прогнозной оценки создания новой техники и поэтапной модернизации
основного оборудования, низкая эффективность использования топливно-энергетических
ресурсов и экологическая обстановка.
В современных условиях одним из основных приоритетов энергетической политики
является повышение эффективности использования топлива и энергии и создание условий
для внедрения энергосберегающих технологий. Несмотря на определенные трудности в
экономике страны в последние годы электроэнергетика функционирует стабильно, решая
вопросы надёжного энергоснабжения потребителей. Эта отрасль представляет
крупнейший в мире промышленно-энергетический комплекс, основу которого составляют
крупные тепловые, гидравлические и атомные электростанции, общей установленной
мощностью 212 млн кВт. Наряду с крупными станциями, производящими тепло и
электроэнергию, существует большое количество мелких энергопроизводителей.
Это вызвано тем, что в настоящее время около 70% территории страны, с постоянно
проживающим населением более 20 млн человек, не получает энергию по системе
централизованного энергоснабжения. Территориально это районы Крайнего Севера,
Восточной Сибири, Дальнего Востока и т.д. На этой территории расположено 70 городов,
более 360 поселков городского типа и около 1400 мелких населенных пунктов. Районы
Крайнего Севера и приравненные к ним территории включают 14 краев и областей, 6
республик, 10 автономных округов. Энергоснабжение этих регионов осуществляется
мелкими
котельными,
дизельными,
газотурбинными
и
другими
малыми
электростанциями. Кроме того, начавшийся процесс либерализации энергетического
рынка свидетельствуют об образовании в ТЭК России нового перспективного сектора –
так называемой «малой энергетики».
Развитие энергии ветра и воды
Одно из наиболее эффективных направлений развития малой энергетики – это
использование энергии небольших водотоков с помощью малых ГЭС (МГЭС). В
настоящее время в России действует около 200 МГЭС суммарной мощностью 1000 МВт,
причем энергетический потенциал малых водных потоков используется менее чем на 1%.
Установленная мощность гидроузлов, использующих энергию малых потоков,
предложенных к строительству программой развития малой гидроэнергетики,
предусматривается в объеме 800 МВт со средней многолетней выработкой
электроэнергии более
3000 МВтч.
Сложившиеся тенденции в развитии отечественной энергетики с ориентацией к
созданию крупных электростанций привела к остановке и разрушению многих малых
гидроэлектростанций. Если в 50-60-е годы ХХ в. в России работали десятки тысяч малых
ГЭС, то теперь подавляющее большинство из них выведено из эксплуатации.
Сложившаяся экономическая ситуация в России заставляет обратить внимание на
возможность использования потенциала малых рек – на сегодняшний день одного из
самых доступных, эффективных возобновляемых ресурсов на ее территории. В
Российской Федерации свыше 2,5 млн малых рек (около 99% общего числа рек и 92…93%
их протяженности). Они формируют около половины суммарного объема речного стока
(более 1000 км3), в их бассейнах проживает до 44% городского населения страны и 90 %
сельского. Энергетический потенциал малых рек России, использование которого
возможно доступными средствами, составляет 493 млрд кВт·ч, в том числе более 100
млрд кВт·ч. в Европейской части.
Россия, обладая одним из самых высоких в мире ветропотенциалов (по оценкам
ученых, ее технический потенциал составляет 52181 млрд кВт·ч в год), находится на
одном из последних мест в мире по освоению этого богатства.
Еще в прошлом столетии отечественная ветроэнергетика занимала передовые
позиции. В 1931 г. в СССР заработала крупнейшая в мире ветроэнергетическая установка
мощностью 100 кВт, а затем десятки подобных ветрогенераторов были установлены на
юге страны. Перед Великой Отечественной войной в Крыму развернулось строительство
ветроэлектростанции мощностью 5 МВт. С 1950-1955 гг. Россия производила до 9 тысяч
ветроустановок в год единичной мощностью до 30 кВт. На целине впервые была
сооружена многоагрегатная
ветроэлектростанция
общей мощностью 400 кВт,
работавшая в паре с дизелем, – прообраз современных европейских ветропарков и систем
«ветродизель». Но начиная с 60-х годов прошлого века, энергетическая отрасль
переориентировалась на строительство крупных ТЭС, ГЭС и АЭС. Сейчас в нашей стране
установленная мощность ветроэлектростанций составляет 13,2 МВт, – это менее 0,001%
от мировой. Действующих ветростанций всего несколько, из них работают
Зеленоградская (Калининградская), Воркутинская, Чукотская и Башкирская (рис.1).
Перспективы развития МЭК
Перспективы
использования
автономных ветроэлектрических установок
и малых гидрогенераторов в России велики.
Такие районы, как Обская губа, Кольский
полуостров, большая часть прибрежной
полосы Дальнего Востока, считаются
самыми ветреными зонами. Кроме того,
70% территории России находится в зоне
децентрализованного энергоснабжения, где
единственными источниками энергии, как
правило,
являются
дизельные
электростанции. На этих труднодоступных,
Рис. 1. Ортогональная ВЭУ.
удаленных
территориях
в
сложных
Один ветрогенератор мощностью 1 МВт,
климатических
условиях
развиваются
сокращает ежегодные выбросы в атмосферу
важнейшие для страны виды добывающей
1800 т СО2, 9 т SO2, 4 т оксида азота
промышленности.
Себестоимость
электроэнергии на устаревших электростанциях достигает 20…60 руб. за кВт-ч. При этом качество и надежность
энергоснабжения остаются низкими, а перерасход топлива на старом оборудовании
иногда вдвое превышает нормативы. Очевидно, что строительство МЭК на основе ВИЭ в
таких регионах окупит себя в кратчайшие сроки.
Задача ученых и энергетиков – найти для этих территорий наиболее современный
вариант энергоснабжения, направленный на повышение энергоэффективности, чтобы
существенно снизить «северный завоз» топлива и одновременно повысить качество жизни
людей и улучшить экологию.
Новая концепция в настоящее время наиболее полно реализуется в системе, которая
получила наименование «Многофункциональный энерготехнологический комплекс
модульного типа на базе гибридных энергоустановок» (МЭК). Результатом многолетней
инновационной работы стал опытный образец МЭК, полевые испытания которого
успешно завершились. Проводились они на базе Воркутинской ВЭС – именно ее
ветроагрегаты стали оптимальной основой для отработки новой технологии (рис. 2).
Разрабатываемый МЭК – это гибридная
электростанция, представляющая собой систему
отдельных
транспортабельных
модулей,
конструктивно и функционально совместимых
между собой, которыми управляет единая
система управления. Комплекс обеспечивает
параллельную работу ВЭС, ДЭС и малой ГЭС.
В зависимости от ветропотенциала, гидрографа
реки и графика нагрузки со стороны
потребителей МЭК позволяет оптимизировать
их режимы работ по критериям максимальной
энергетической
и
экономической
эффективности. В проекте МЭК заложена такая
идея, что основным источником энергии
становится именно ветер и вода, а дизельный
генератор включается лишь тогда, когда сила
ветра и скорость воды недостаточны. Еще
одной особенностью данного комплекса
являются
высокие
показатели
качества
Рис. 2. Испытание многофункционального электрической энергии на различных режимах
энерготехнологического комплекса на
работы МЭК при любом распределении
базе Воркутинской ВЭС.
системой АСУ мощности между ДЭС, ВЭС и
Комплекс обеспечивает параллельную
МГЭС.
работу ВЭС и дизельной электростанции
Проблемы дизельных электростанций
Проблема обычных дизель-генераторов в
том, что они работают при постоянных
оборотах, обеспечивая стандартную частоту в
сети.
Такой режим очень неэкономичен для самого дизеля. В МЭК применен видоизмененный
генератор, обеспечивающий работу приводного двигателя в широком диапазоне
скоростей. Частота вращения дизель-генератора, входящего в МЭК, переменная. Он
может сбрасывать и набирать обороты в зависимости от нагрузки и автоматически
перестраивается для работы в наиболее экономичном режиме, который снижает расход
топлива на 15…20 %. Стыковка такой ДВС - электростанции с ветро- и гидроагрегатом и
утилизация тепла дизельной станции повышает этот показатель до 50…70 %.
Еще одно значимое преимущество МЭК заключается в том, что комплекс может
работать на любом виде топлива, которое имеется в каждой конкретной местности. Уголь,
древесина, сырая нефть, газ малых месторождений через топливо приготовительные
установки будут преобразовываться в газообразное или жидкое топливо для ДВС.
Под руководством РусГидро начаты работы по выбору и технико-экономическому
обоснованию (ТЭО) площадок для строительства ветроэлектростанций. Это логическое
продолжение РАО «ЕЭС России» работы «Предложения по формированию
перспективной программы размещения многофункциональных энерготехнологических
комплексов (МЭК), ВЭС, ВЭС+ГЭС на территории РФ». В соответствии с поставленной
задачей, выполняются технико-экономические обоснования строительства 11
ветроэлектростанций и МЭК в перспективных районах страны.
Перспективные районы для строительства МЭК, это – высокий ветровой потенциал,
климатические факторы, характеристики дефицита потребляемой энергии и мощности по
объединенным энергосистемам, наличие развитых транспортных сетей для доставки
негабаритного ветроэнергетического оборудования, возможность выхода в энергосистему,
существующие тарифы на электроэнергию, а также заинтересованность потенциальных
потребителей. Кроме того, были учтены, сейсмичность, характеристики загрязнения
окружающей среды по всем областям и регионам России, климатические прогнозы и их
предполагаемое влияние на состояние грунтов, находящихся в районах вечной мерзлоты,
наличие других возобновляемых ресурсов, таких как солнечная энергия, геотермальная,
энергия приливов и биомасс.
Так же были учтены пути миграции птиц, животных, зоны гнездования и кормления
особо охраняемых птиц и места обитания особо охраняемых животных.
В настоящее время ведется ТЭО следующих проектов: Краснодарская,
Калининградская, Кабардинская, Черкесская, Волгоградская и Дальневосточная ВЭС
(Приморский край). Суммарная мощность новых станций превысит 500 МВт, что более,
чем в 25 раз превзойдет мощность эксплуатируемых сейчас в России ВЭС.
Заключение
1. Разрабатываемый МЭК в регионах России позволит снизить дефицит мощности и
электроэнергии в ЭС и обеспечит электропитание МГЭС различных, близко лежащих
гидроузлов.
2. На МГЭС предполагается установить гидротурбины Пр15/1100-5-25 и два
синхронных генератора типа СГ-230/75-12-УХЛ4. Выработка электроэнергии МГЭС
составила 18,05 млн. кВтч, количество часов использования 4381 ч.
3. Мощность существующей ВЭС, на примере г. Воркуты, «Заполярная» будет
повышена с 1,5…5,5 МВт, добавлением 4-х ветроустановок мегаватного класса,
выработкой электроэнергии 8,1 млн кВт·ч и количеством часов использования 3492 ч.
4. Общий срок строительства МЭК в среднем составляет 9 месяцев. Срок
строительства определен с учетом продолжительности и очередности строительномонтажных работ.
5. Освещен вопрос электрической схемы выдачи мощности.
Библиографический список
1. Бусырев А.И.,
Долгополов В.А. Выбор основных параметров и основы
проектирования вертикальных реактивных гидротурбин: Учебн. пособие. – Л.: Изд-во
ЛПИ, 1988.-96 с.
2. Гидроэлектростанции малой мощности: Учебн. пособие /Под ред. В.В. Елистратова.
–СПб.: Изд-во Политехн. Ун-ва, 2005. 432 с.
3. Гидроэнеогетическое и вспомогательное оборудование гидроэлектростанций:
Справочное пособие: В 2 т./Под ред. Ю.С. Васильева, Д.С. Щавелева.
Вспомогательное оборудование гидроэлектростанций. – М.: Энергоатомиздат, 1990. Т.
2. 336 с.
4. Неклепаев Б.Н, Крючков И.П. Электрическая часть электростанций и подстанций:
Справочные материалы для курсового и дипломного проектирования: Учебн. Пособие
для вузов. – М.: Энергоатомиздат, 1989. 4-е изд., перераб. и доп. 608 с.
5. Галузин В.М., Комаринский М.В., Телешев В.И.. Выбор машин и оборудования при
производстве бетонных работ: Учебн. пособие. – СПб.: ГТУ, 1995. 80 с.