Содержание к диссертации
Введение
1. Надёжность электроснабжения птицефабрик при питании от энергосистемы 12
1.1 Существующее состояние электрических сетей энергосистемы России 12
1.2 Причины и последствия системной аварии 2005 года 21
1.3 Птицефабрика "Мирная"; историческая справка, схема электроснабжения, производительность 25
1.4 Удельный ущерб от недоотпуска электроэнергии птицефабрике - неопределённая величина 30
Выводы по главе 1 42
2. Выбор оптимального варианта резервирования птицефабрики по много критериальной модели в условиях неопределённости информации 43
2.1 Алгоритм выбора оптимального решения по многокритериальной модели с учётом неопределённости информации 43
2.2 Основные характеристики автономных источников электроснабжения для резервирования технологических процессов птицефабрики 52
2.3 Обоснование и выбор системы частных критериев 65
2.4 Имитационное моделирование системы электроснабжения птицефабрики, расчёт значений частных критериев и выбор оптимального варианта по многокритериальной модели
Выводы по главе 2 91
3. Оценка целесообразности электроснабжения ответственных электропри ёмников ПТФ от автономного источника питания 92
3.1 Реформы электроэнергетики России и варианты дальнейшего развития отрасли 92
3.2. Актуальность применения децентрализованного местного автономного источника питания
3.3. Определение стоимости электроэнергии вырабатываемой МАИП
4 Оценка эффективности при реализации варианта применения МАИП 106
5 Схемы подключения РАИП, МАИП и включения на параллельную работу с сетью центрального электроснабжения 113
Выводы по главе 3 133
Основные выводы и результаты 135
Литература 137
Приложения 147
- Причины и последствия системной аварии 2005 года
- Основные характеристики автономных источников электроснабжения для резервирования технологических процессов птицефабрики
- Актуальность применения децентрализованного местного автономного источника питания
- Оценка эффективности при реализации варианта применения МАИП
Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время в электроэнергетике России сохраняются неблагоприятные тенденции в работе электроэнергетических сетей и систем, связанные с технологическим отставанием в области генерации электроэнергии, изношенностью основного оборудования, медленными темпами его обновления, дефицитом квалифицированных кадров. Отсутствие внедрения передовых разработок и энергетических технологий привели к существенному отставанию нашей энергетики от энергетики развитых стран. Из-за нерешённых проблем 24 мая 2005 года на подстанции № 510 "Чагино" в Москве произошла авария. Её каскадное развитие повлекло отключение от централизованной электроэнергетической системы большого количества ответственных потребителей. Авария затронула и сельскохозяйственных потребителей, в частности, птицефабрики. Одной из пострадавших птицефабрик является ПТФ "Мирная", на примере которой проведено исследование. Низкая надёжность электроснабжения исследуемой птицефабрики привела к приостановлению важнейших технологических процессов и большим ущербам от недоотпуска электроэнергии. Суммарный ущерб от аварийного недоотпуска электроэнергии птицефабрикам Московской области составил свыше 60 млн руб. по данным Министерства сельского хозяйства Московской области.
Для повышения надёжности электроснабжения и снижения количества не-доотпущенной электроэнергии из-за аварий в системе централизованного электроснабжения в диссертации предложено применение автономного источника энергии для птицефабрик. Автономный источник является альтернативным вариантом отстройки от аварий в централизованных сетях электроснабжения. Актуальность темы обусловлена недостаточным уровнем надёжности электроснабжения из-за высокого износа сетей централизованного питания и необходимостью обеспечения требуемого уровня за счёт резервного автономного источника.
Оценка целесообразности применения автономного источника осуществлена по многокритериальной модели с учётом неопределённости исходной информации. В качестве частных критериев рассмотрены дисконтированные затраты и показатель надёжности. Неопределённым фактором приняты электрическая нагрузка на перспективу и значение удельных ущербов от аварийного недоотпуска электроэнергии.
С экономической точки зрения надёжность электроснабжения птицефабрики "Мирная" можно оценить величиной ущерба от недоотпуска электроэнергии, но однозначно определить значение этого ущерба не представляется возможным из-за влияния различных факторов на значение удельного ущерба. К ним относятся: время возникновения недоотпуска электроэнергии, зависящие от характера технологического процесса, срок службы используемого электрооборудования, общее количество часов недоотпуска и др.
В диссертации также исследована возможность использования автономного источника электроэнергии в качестве основного, снабжающего энергией жизнеобеспечивающие технологические процессы. Остальные процессы будут получать энергию от централизованных сетей, а в случае вывода автономного источника в ремонт жизнеобеспечивающие процессы переводятся на схему питания от энергосистемы. В результате исследования установлено, что стоимость электроэнергии в несколько раз меньше, чем при питании от энергосистемы.
Научная концепция диссертации. Решению проблемы повышения надёжного электроснабжения сельскохозяйственных потребителей посвящены работы научно-исследовательских институтов: МГАУ им. В.П. Горячкина, СПбГАУ, Сельэнергопроект, МЭИ (ТУ), ВИЭСХ, а также ряд других специализированных организаций. Продолжая исследования известных учёных И.А. Будзко, М.С.Левина, Т.Б. Лещинской, Н.М. Зуля, В.Ю. Гессена, А.Е. Мурадяна, разработана методика многокритериальной оценки и выбора резервного источника электроснабжения птицефабрик яичного и мясного направления. Диссертационная работа проводилась в Московском государственном агроинженер-
ном университете имени В.П. Горячкина, в соответствии с реализацией Федерального закона "Об энергосбережении" от 03.04.96 № 28-ФЗ; Указа Президента РФ от 07.05.95 №472 "Об основных направлениях энергетической политики и структурной перестройки топливно-энергетического комплекса российской Федерации на период до 2010 года"; Программы энергосбережения отрасли Электроэнергетика на 1999-2000гг. и на перспективу до 2005 и 2010гг."; "Энергетической стратегией России на период до 2020 года", утв. распоряжением Правительства Российской Федерации от 28 августа 2003 г. № 1234-р; "Приоритетные направления развития науки, технологий и техники Российской Федерации", утв. Президентом Российской Федерации 30 марта 2002 года.
Цель работы. Разработка методики многокритериальной оценки и выбора резервного источника для повышения надёжности электроснабжения и экономической эффективности птицефабрик яичного и мясного направления.
Цель работы включает решение следующих задач:
Разработку вариантов резервного электроснабжения предприятий;
Обоснование частных критериев оценки;
Оценку удельного ущерба от аварийного недоотпуска электроэнергии за счёт дополнительной информации;
Имитационное моделирование вариантов резервного электроснабжения птицефабрики и расчёт частных критериев оценки;
Свёртку частных критериев и выбор лучшего варианта резервирования по критерию Байеса;
Оценку целесообразности и экономической эффективности применения местного автономного источника питания для электроснабжения жизнеобеспечивающих технологических процессов ПТФ.
На защиту выносится: Методика многокритериальной оценки и выбора источника резервного электроснабжения птицефабрик яичного и мясного направления.
Объект исследования. Система электроснабжения птицефабрики "Мирная".
Предмет исследования. Методы оптимизации систем электроснабжения сельского хозяйства и применение многокритериальной оптимизации с учётом неопределённости для выбора варианта резервирования птицефабрики.
Методы исследования. Исследования диссертации включают методы теории решений, теории вероятностей, математическую статистику, методы математического моделирования, теории электроснабжения, методы системного анализа и др.
Научная новизна состоит в разработке методики оценки и выбора резервного источника для повышения надёжности электроснабжения и экономической эффективности птицефабрик яичного и мясного направления по многокритериальной модели с учётом неопределённости исходной информации. Исследование по обеспечению требуемого уровня надёжности птицефабрики путём установки автономного источника питания по многокритериальной модели проведено впервые. В методике:
Определён удельный ущерб от аварийного недоотпуска электроэнергии и установлены границы его интервала от 783,3 до 4452 руб./кВт-ч. Выявлены причины и влияющие факторы на значение удельного ущерба;
Разработаны стратегии резервирования птицефабрики. Показаны характерные особенности автономных источников электроэнергии и целесообразность применения выбранного типа резервной установки для снижения ущерба при возникновении аварии в централизованных электрических сетях;
Обоснована система частных критериев, оценивающих степень достижения целей функционирования. Рассмотрено два варианта частных критериев:
в первом - дисконтированные затраты на повышение надёжности электроснабжения Зд и оценка надёжности электроснабжения птицефабрики в виде недоотпуска электроэнергии из-за вероятных отказов электрооборудования Wllcd,
во втором — дисконтированные затраты на повышение надёжности электроснабжения Зд и оценка надёжности электроснабжения птицефабрики в виде ущерба от аварийного недоотпуска электроэнергии У;
Обоснована методика учета неопределенного фактора на основании вероятностей состояний среды, полученных в результате экспертной оценки;
Проведено имитационное моделирование системы электроснабжения птицефабрики, расчёт значений частных критериев и выбор оптимального варианта по многокритериальной модели с учетом неопределенности части исходной информации;
Доказана целесообразность применения автономного источника электроэнергии в качестве резервного и основного питания птицефабрик (на примере птицефабрики "Мирная") для надёжного и экономичного электроснабжения.
Достоверность разработанных научных положений, методов, выводов и рекомендаций обеспечивается корректным применением современных методик исследования; использованием современных вычислительных методов математической статистики; математического аппарата; представленным объёмом статистического материала; а также использованием современного программного компьютерного обеспечения для выбора оптимального варианта электроснабжения птицефабрики по многокритериальной модели в условиях неопределённости электрической нагрузки.
Практическую значимость представляет разработанная в диссертации методика выбора оптимального варианта обеспечения надёжности электроснабжения птицеводческих предприятий, позволяющая избежать ущерба от аварий в энергосистеме за счёт установки автономного источника питания. Такой источник может также работать в качестве основного источника питания ПТФ, обеспечивая мощностью наиболее ответственных электроприёмников, а избыточную мощность продавать в центральную энергосистему.
Реализация результатов работы. Полученные в диссертационной работе результаты и методика многокритериальной оценки и выбор резервного электроснабжения предприятий по производству сельскохозяйственной продукции приняты и используются в ЗАО "Птицефабрика Мирная" при решении задач, связанных с вопросами повышения надёжности электроснабжения птицефабрики, что подтверждается актом внедрения от 6 июня 2008г.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных научно практических конференциях профессорско-преподавательского совета ФГОУ ВПО МГАУ в 2006, 2007,2008 гг.
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в монографии и четырёх статьях, три из которых в изданиях, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем работ 160 страниц. Основная часть 146 страниц, 37 таблиц, 14 рисунков. Библиография включает 96 наименований. Приложение содержит 12 страниц.
Причины и последствия системной аварии 2005 года
24.05.2005 года на подстанции № 510 "Чагино" на юго-востоке Москвы в 20 часов 57 минут произошла авария. В результате повреждения и возгорания трех фаз измерительного трансформатора тока воздушного выключателя ПО кВ 1 секции шин трансформатора АТ-2 и последующего развития была полностью погашена ПС 500/220/110 кВ "Чагино" с отключением всех присоединений 110, 220 и 500 кВ [76]. Обслуживающий подстанцию персонал вывел из работы повреждённое оборудование. Потребителей запитали от неповрежденных элементов сети, на которые распредели нагрузку вышедшей из работы подстанции. После отключения ВЛ в южной части г. Москвы произошло снижение напряжения в сети ПО кВ до 85-90 кВ, приведшее к лавинным отключениям напряжения.
В результате расследования аварии специальной комиссией установлено, что авария произошла в результате наложения ряда факторов, каждый из которых в отдельности не привел бы к аварии такого масштаба: 1. Погашение ПС "Чагино" из-за повреждения 23 и 24.05.2005 оборудования (измерительных трансформаторов тока ПО кВ, воздушных выключателей ПО кВ, воздуховодов, подвесной изоляции) привело к: выбытию из баланса трансформаторной мощности и реактивной мощности синхронных компенсаторов ПС "Чагино"; выбытию из баланса 640 МВт генерации на ТЭЦ-22; разрыву Московского кольца 500 кВ из-за отключения ВЛ 500 кВ Чагино-Михайлов с отпайкой на Калугу в 23:41 24.05.2005, ВЛ 500 кВ Чагино-Ногинск в 23:49 24.05.2005, Чагино-Пахра в 03:25 25.05.2005. 2. Многочисленные отключения В Л ПО и 220 кВ защитами от коротких за мыканий произошли из-за увеличения провеса проводов от высокой температуры и несоблюдения габаритов ВЛ, набросов на провода ВЛ и вызвали значительное снижение напряжения в сети 110-220 кВ. 3. Недостаток реактивной мощности, возникший в сложившихся схемно-режимных условиях и существующем составе генерирующего оборудования ТЭС, привёл к снижению напряжения в южной части Московской энергосистемы. 4. Недостаточно эффективными оказались действия оперативно-диспетчерского персонала по обеспечению и восстановлению допустимых уровней напряжения в южной части Московской энергосистемы. 5. После отключения шести линий 220 кВ (в 9:23, 10:07, 10:09, 10:31, 10:31, 10:33) в условиях роста нагрузки на находящиеся в работе В Л и снижения напряжения началось каскадное развитие аварии. Снижение напряжения в сети ПО и 220 кВ в южной части Московской энергосистемы и в части Тульской энергосистемы ниже допустимых значений привело к отключению генерирующего оборудования электростанций действием защит от перегрузки генераторов технологическими защитами или персоналом. 6. При массовых отключениях ВЛ 110220 кВ и генерирующего оборудования электростанций возможности оперативно-диспетчерского персонала по обработке и анализу больших объемов информации, поступающей в основном по средствам телефонной связи, и принятию адекватных мер по предотвращению развития аварии были сильно ограничены. 7. Наличие участков трасс ВЛ ПО кВ и ВЛ 220 кВ не расчищенных от дре-весно-кустарниковой растительности. В результате обходов и осмотров отключившихся ВЛ выявлены следующие недостатки: В Л 220 кВ Очаково-Чоботы - в пролете опор 31-32 обнаружены завядшие листья на молодом деревце (что можно интерпретировать как перекрытие); В Л 220 кВ Очаково-Лесная в пролете опор 81-82 обнаружено дерево, растущее вне просеки ВЛ и наклоненное в сторону ВЛ; ВЛ 220 кВ Чертаново-Южная (Покровская) на шлейфе опоры № 2 обнаружен наброс на верхнюю фазу; ВЛ 220 кВ Конаково-Луч обнаружено перекрытие из-за падения дерева. 8. Не проработана методика реализации положения "Инструкции по предотвращению и ликвидации технологических нарушений в электрической части энергосистемы Москвы и Московской области" в части самостоятельного отключения персоналом электросетевых предприятий потребителей при аварийном снижении напряжения (по графикам отключения потребителей с питающих центров) в том узле, где произошло снижение напряжения.
Пострадала и ПТФ "Мирная". Лавинная авария в системе, дошедшая до ПС № 309 парализовала работу и нарушила технологический процесс. В связи с прекращением централизованного электроснабжения птицефабрика была полностью обесточена и в действующих цехах остановились процессы кормления, поения, уборки помёта. Наиболее тяжёлые последствия вызвало отключение вентиляции, из-за обесточивания которой птица погибла от удушья.
Аварийные ситуации в электроэнергетике случаются не только в России, похожие прецеденты происходили и в западных странах. Каскадное развитие аварийных нарушений, проявляющееся в нескольких последовательных отказах элементов энергосистемы и её системы управления, может повлечь за собой тяжёлые последствия, приводящие к нарушению электроснабжения потребителей на огромных территориях. Примерами подобных катастрофических аварий служат широко известные случаи аварий в электроэнергетических системах в США (1965 и 1977гг.), Франции (1978г.), Канаде (1982, 1988, 1989гг.) и Швеции (1983г.) [75]. Эти аварии вызвали серьёзные экономические и социальные потрясения и нанесли значительный ущерб экономике перечисленных стран. Основная причина этих системных аварий - неудовлетворительное состояние системы противоаварийного управления.
Летом 1996г. в США снова произошли две системные аварии, сопровождавшиеся нарушением электроснабжения большей части территории страны [41]. На момент возникновения аварии основная сеть энергообъединения работала в недопустимом режиме перегрузки. Одной из основных причин возникновения и развития послужило увеличение перетоков электроэнергии по транзитным линиям более дешёвой электроэнергии, в большом количестве произ 24 водимой на ГЭС в юго-западной части страны. Обе аварии начались с однофазных коротких замыканий, вызванных перекрытием на выросшие деревья. Причинами возникновения и развития системных аварий комиссия сочла неудовлетворительную эксплуатацию сетевого и станционного оборудования, неудовлетворительное состояние систем релейной защиты и противоавариинои автоматики, неудовлетворительное качество диспетчерского управления и действий оперативного персонала. По оценкам специалистов размеры ущерба оценены в 800 миллионов долларов.
Либерализация европейских рынков электроэнергии привела к уменьшению объёмов инвестиций в обеспечение надёжности электроснабжения Австрии. В августе 2003 года страна находилась на грани системной аварии, исправили обстановку только умелые действия диспетчеров. Чтобы не допустить повторения таких случаев и повысить надёжность, необходимо расширение австрийских электрических сетей или в качестве резервного электроснабжения подключение к сетям соседних стран [96].
Повторение подобных аварий в электроэнергетике западных стран, а в частности в России ещё возможно, т.к. значительных улучшений в системе электроснабжения пока не наблюдается. Современные тенденции изменения структуры отечественной электроэнергетики оставляют открытым вопрос повышения надёжности электроснабжения потребителей.
Основные характеристики автономных источников электроснабжения для резервирования технологических процессов птицефабрики
Нормируемый уровень надёжности электроснабжения ответственного потребителя не был обеспечен из-за отсутствия собственного автономного резервного источника питания. Произошедшая авария показала неготовность сельскохозяйственных потребителей, а в частности птицефабрики "Мирная", противостоять возможным аварийным ситуациям, влияющим на производственный процесс.
Уровень надёжности электроснабжения производственных помещений птицефабрики "Мирная" по проекту был обеспечен сетевым резервированием кабельными линиями 6 кВ от подстанции № 309 "Болятино", но как показала авария, этот вид резервирования не всегда удовлетворяет требованиям надёжности. Во многих случаях наряду с сетевым резервированием или вместо него эффективным оказывается применение автономных резервных электростанций обычного и специального назначения на базе дизельных, газопоршневых или газотурбинных двигателей. Осуществлять полное резервирование производственных мощностей нецелесообразно, т.к. на это потребуются заведомо большие затраты и аварийные источники электроэнергии не окупятся. Кроме технологических процессов (таблица 1.5) используемых в производственных помещениях в зависимости от специализации в таблице 2.1 представлено процентное соотношение электропотребления различных видов электроприёмников птицефабрики.
Для получения наилучших технико-экономических результатов целесообразно резервирование не всех технологических процессов, обеспечивающих производство, а только электроприёмников, непосредственно обеспечивающих поддержание жизнедеятельности птицы при возникновении аварии в энергосистеме. К таким электроприёмникам можно отнести процессы вентиляции, частичного освещения и водоснабжения.
В каждом птичнике для обеспечения работы вентиляции предусмотрено 40 двигателей. Из расчёта на 1 приточный вентилятор мощностью 2,2 кВт приходится 3 вытяжных, по 0,33 кВт каждый. Таким образом, для резервирования этих токоприёмников требуется мощность 31,9 кВт. Схемой освещения птичника предусмотрено 6 линий по 15 светильников мощностью по 0,55 кВт в каждой. Для удовлетворения потребности птицы в освещении достаточно осуществить резервирование по двум линиям. Итого необходимая резервируемая мощность освещения при возникновении аварии в системе электроснабжения составляет 16,5 кВт. На гибель птицы при возникшей аварии в энергосистеме повлияло отсутствие водоснабжения и поения птицы. Отключившаяся вентиляция прервала циркуляцию воздуха в производственных помещениях, нарушив тем самым привычный образ жизни птицы. Температура тела начала повышаться и потребность в воде возросла. Но автономное резервирование процесса поения также как и вентиляции не было предусмотрено и питающие насосы не смогли удовлетворить создавшуюся необходимость в воде. По проекту водоснабжения на территории птицефабрики "Мирная" предусмотрено 4 скважины, из которых накачивают воду в резервуар для хранения. Далее при помощи насосов второго подъёма вода поступает потребителям. В нормальном режиме работы резервуар всегда полон и при исчезновении сетевого электроснабжения
достаточно запитать один из двигателей второго подъёма мощностью 15 кВт. Объёма резервуара, наполненного за время безаварийной работы электрических сетей, достаточно для удовлетворения потребности птицы в воде. Оповещающим сигналом обслуживающий персонал предупреждается о возникшей аварии и потребление воды на любые нужды, кроме поения птицы, прекращается.
Из изложенного видно, что требуемая резервируемая мощность процессов вентиляции и освещения одного птичника равна 48,4 кВт. С учетом 20 работающих на данный момент производственных помещений суммарная мощность автономного резервного источника питания должна быть 983 кВт (принимая в расчёт подачу воды). Возобновление работы птицефабрики "Мирная" в полном объёме и резервирование 43 птичников потребует мощности РАИП равную 2096,2 кВт.
Отечественная и иностранная промышленность выпускает достаточно широкий ассортимент комплектных электрических станций, отличающихся принципом действия. Главное отличие состоит в типе горючего, используемого для работы резервного источника. Из выпускаемых агрегатов, работающих на нево-зобновляемых источниках электроэнергии, наиболее часто применяются следующие: бензиновые; газовые; дизельные. Электроустановки, работающие на бензине не подходят для резервирования наиболее ответственных электроприёмников птицефабрики, т.к. выпускаемые агрегаты имеют небольшую производительность. В [67] приводятся данные о нежелательном использовании бензиновых установок из-за вероятности окисления бензина.
Характерной особенностью топливно-энергетического баланса России является высокая доля природного газа (примерно 50%) [21]. Сегодня газ является самым экономическим органическим топливом. Поэтому наибольший интерес при создании автономных электроэнергетических объектов малой мощно сти вызывают установки, использующие природный газ. В последние годы нашли применение газопоршневые и газотурбинные установки малой мощности. Газ имеет меньшую стоимость и меньше засоряет окружающую среду отработанными веществами. При этом можно использовать газ, как с низким метановым числом, так и с высоким. Такие электростанции имеют меньшие стоимость и время на их строительство, обеспечивают возможность расширения электростанции. Широкие перспективы открываются для отработавших эксплуатационный срок авиационных турбин - ГТУ. Особым образом перестраивается система подачи топлива, и двигатель эксплуатируется на природном газе. Принципиальные преимущества и недостатки использования поршневого или турбинного двигателей анализируются в [21, 24, 29] в рекламных проспектах производителей и на сайтах "Internet". Информация о стоимости установок чаще всего не публикуется, а опубликованные сведения зачастую не соответствуют действительности.
Актуальность применения децентрализованного местного автономного источника питания
В среднем, на 10 птичников требуется один МАИП который работает в постоянном режиме, т.е. 8760 часов в год. В качестве МАИП возможно применение ДГУ, ГПУ и ДТУ. В результате опроса экспертов и изучения специализированных источников можно сделать вывод о целесообразности работы в постоянном режиме того или иного источника исходя из определённых особенностей. Прежде всего, перечисленные типы установок отличаются по виду использования топлива. Технико-экономические характеристики ДГУ и ГПУ приведены выше, тем самым необходимо осветить характер работы ДТУ.
Газовый двигатель с точки зрения стоимости топлива кажется более привлекательным. Существуют технологии, позволяющие модернизировать дизельные двигатели путём установки двухтопливной системы. Принцип действия ДТУ основан на использовании при работе как газа, так и дизельного топлива. Дизельное топливо используют для розжига обеднённой газовоздушной смеси. Технологическая схема позволяет сохранить все достоинства дизельных двигателей при экономии дизельного топлива за счёт замещения его до 80% натуральным газом [10]. Двухтопливная система — это комплект оборудования для натурального газа в цилиндры дизельного двигателя при различных режимах работы. В состав двухтопливной системы дизельного двигателя входят газовая магистраль (фильтр, регулятор "нулевого давления" и двойной модульный клапан), регулятор расхода газа и газовоздушный смеситель, а также датчик разряжения, давления, температуры и вибрации. Одним из основных достоинств двухтопливной системы является ее способность переключать топливные режимы без остановки двигателя. Рабочие характеристики, такие как КПД, устойчивая работа, приём нагрузки, практически не меняются и остаются на том же уровне, что и в дизельном режиме. Рабочий процесс в двухтопливном режиме протекает в обычной последовательности "сжатие-воспламенение". Газовоздушная смесь подаётся в камеру сгорания через впускные клапаны и ежимается в такте сжатия. В связи с недостаточно высокой температурой, самовоспламенение обеднённой газовоздушной смеси не происходит - она воспламеняется только в момент впрыска порции дизельного топлива. Скорость горения газовоздушной смеси и давление в камере сгорания сравнимы с характеристиками в 100% дизельном режиме. Качество и состав газа - очень важные факторы для эксплуатации двигателя в двухтопливном режиме. При использовании газа низкого качества может потребоваться изменение режима работы двигателя и (или) уменьшение доли газа в составе топлива. Двухтопливная система предназначена для приводов электрогенераторов, насосов, компрессоров и других установок промышленного назначения, работающих с постоянной частотой вращения. Двигатели с переменной частотой также могут быть модернизированы с помощью двухтопливной системы, если позволяет их система управления и режим работы. Наиболее эффективным применением ДТУ является их использование в качестве источника электроэнергии для питания буровых установок с электроприводом - бурение первых скважин идет на дизельном топливе, а затем, при освоении скважин, для замещения дизельного топлива используется попутный газ [59].
При децентрализованном способе выработки электроэнергии важно использовать такие источники энергии, которые позволяют свести к минимуму завоз топлива. Так как на территорию птицефабрики дизельное топливо необходимо доставлять, хранить, а также учитывая, что работа ДГУ в постоянном режиме эксплуатации с финансовой стороны не выгодна в связи со значительной стоимостью дизельного топлива и высоким уровнем вредных выбросов, а модернизация двигателя комплектом ДТУ способствует нежелательному удорожанию проекта целесообразней выбрать МАИП из агрегатов работающих только на газе, тем более, что на территории птицефабрики проложена газовая магистраль. Далее определяется источник, работающий на газе.
При выборе подходящего вида МАИП для электроснабжения более ответственных электроприемников, целесообразно определить экономическую эффективность от применения источника, сравнивая затраты на электроэнергию, получаемую от централизованных электрических сетей и местного источника электроэнергии, а также капитальные вложения в агрегат. Стоимость ГПУ превышает стоимость ДГУ приблизительно в 2,5 раза, но затраты на топливо для работы ГПУ во много раз ниже. В дальнейших расчётах технические характеристики также принимаются в усреднённом значении в зависимости от типа установки.
Оценка эффективности при реализации варианта применения МАИП
Из проведённых в исследовании расчётов видно, что применение ГПУ в качестве МАИП с экономической точки зрения более выгодно. Кроме того, при работе установки выделяется тепло, которое можно применить для различных производственных нужд, т.е. установка может работать в режиме когенерации. Когенерация есть комбинированное производство электрической и тепловой энергии из одного и того же первичного источника энергии. Принципы когенерации известны давно и используются в различных сферах: от первой энергетической установки Томаса Эдисона до современных химических производств, муниципальных электростанций, вырабатывающих электрическую и тепловую энергию. При эксплуатации паровых электростанций большое количество выработанного тепла выбрасывается в атмосферу через конденсаторы пара, градирни и т.п. Большая часть этого тепла может быть утилизирована и использована для удовлетворения тепловых потребностей. По данным [59] значение КПД при раздельном производстве электроэнергии и тепла составляет около 58%, а при комбинированном (когенерации) - до 90% . За счёт выработки электроэнергии непосредственно у потребителя снижаются транспортные потери, достигающие в энергосистеме 20% [42]. Среди многообразных когенерацион-ных установок наиболее эффективны технические решения, в которых утилизируемая теплота используется в технологических процессах. При этом удаётся использовать отработанную теплоту практически круглосуточно. Затраты на проектирование, закупку и амортизацию подобных установок окупаются уже на 2-3 году эксплуатации при расчётном сроке .службы оборудования 25-30 лет (180-190 часов) [67].
Ранее технологии когенерации применялись только на больших электростанциях, при реализации значительных комплексных проектов или в других особых случаях. В настоящее время благодаря передовым разработкам в области дизельных и газопоршневых двигателей, микротурбин, теплообменного оборудования и цифровых систем управления когенерационные установки могут успешно применяться даже потребителями малой мощности. Это заставляет самые разные предприятия и компании во всём мире по-другому посмотреть на перспективы применения когенерационных технологий с точки зрения надёжности электроснабжения, повышения эффективности производства и сокращения расходов. Спрос на когенерационные установки также связан с либеральной политикой в секторе рынка электроэнергии и предоставлением существующих налоговых льгот владельцам когенерационных электростанций. Последнее десятилетие XX века отмечено существенным ростом строительства электростанций, укомплектованных когенераторами. Подавляющее число заказываемых двигателей (примерно 75-85%) предназначено для работы на дизельном топливе. Из всего количества заказов примерно 75% приходится на страны Северной Америки и Западной Европы [28]. Это показывает, что происходит рост спроса на рынке электроагрегатов с поршневыми двигателями. В 1996 г. в США приняли закон о приватизации и дерегулировании рынка электроэнергии. Этот процесс привёл к резкому возрастанию спроса на генерирующие агрегаты с поршневыми и газотурбинными двигателями, что в свою очередь, повлияло на количество заказов на автономные источники энергии. В настоящее время на электростанциях когенерационного цикла производится 9% всей электроэнергии вырабатываемой в этой стране. Министерство энергетики поставило задачу перед энергетическими компаниями удвоить данный показатель к 2010 г. В период с июня 1999 г. по май 2000 г. произошло возрастание числа заказов в остальном мире в связи с принятием в феврале 1999 г. законодательной директивы по либерализации рынка электроэнергии І в Евросоюзе. Когенерационная энергетика в 15 странах Евросоюза обеспечивает более 10% выработки электроэнергии. Лидируют в этом процессе Швейцария, где на электростанциях когенерационного цикла вырабатываются 77% электроэнергии, и Дания - здесь этот показатель составляет 40% [38].
Актуальность применения ГПУ для комбинированной выработки электрической и тепловой энергии в России обусловлена происходящими в стране процессами либерализации электроэнергетического рынка. В этих условиях реальным путём повышения надёжности электроснабжения сельскохозяйственных потребителей и эффективности производства является развитие комбинированного производства электроэнергии и тепла с помощью МАИП.
Система утилизации отводимого тепла применяется в качестве технологического оборудования и предназначена для нагрева воды в системе горячего водоснабжения или системы отопления объекта. Основным элементом системы утилизации теплоты является теплообменник, устанавливаемый на выхлопном коллекторе дизельной установки. Схема съёма тепла ГПУ обеспечивается циркуляционной водой, которая проходит последовательно теплообменники системы охлаждения и системы выхлопных газов. В [57] авторами были разработаны различные схемы утилизации теплоты доказывающие эффективность применения когенерации и повышения величины КПД.
Система утилизации отходящих газов сохраняет работоспособность и при уменьшении электрической нагрузки на ГПУ,, но соответственно снижается и тепловая мощность системы утилизации отводимого тепла [25]. В среднем количество тепловой мощности, вырабатываемое когенерационной установкой не меньше номинальной электрической мощности. Когенерационные установки на базе дизельных и газопоршневых двигателей имеют различные эксплуатационные параметры, но в целом они характеризуются большим количеством выработки электроэнергии и более высоким общим КПД. При этом все установки обеспечивают уровень надёжности 90-95%. В качестве примера расчёта рентабельности когенераторной установки приведена модель ГДГ 500/1000. Данная ДГУ автоматизирована по 2-ой степени в соответствии с ГОСТ 14228, климатическое исполнение УХЛ1 по ГОСТ 15150.
