Методы исследования процессов транспортировки и перегрузки узлов ветроэнергоустановок

DOI: 10.24143/1812-9498-2018-1-71-75 УДК 656.073.7

М. С. Турпищева, С. Б. Джахъяева

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ТРАНСПОРТИРОВКИ И ПЕРЕГРУЗКИ УЗЛОВ ВЕТРОЭНЕРГОУСТАНОВОК

Рассматривается возможность использования средств моделирования для совершенствования организации транспортировки узлов ветроэнергоустановок к местам их эксплуатации. В качестве предмета исследования выступает оптимизация процессов перегрузки и перемещения тяжелых и длинномерных элементов ветроэнергоустановок с помощью программного обеспечения для имитационного моделирования PTV Vision. Целью исследования является поиск путей исключения аварийности и снижения рисков повреждения как элементов ветроэнергоустановок, так и используемого подъемно-транспортного оборудования.

Ключевые слова: ветроэнергоустановки, перегрузка, логистика, моделирование, лопасти, нагрузки, безопасность.

Введение

Задачи ветроэнергетики связаны с разработкой методов и средств преобразования энергии ветра в механическую, тепловую или электрическую энергию.

Запасы энергии ветра неисчерпаемы, т. к. образование ветра является следствием деятельности солнца, в связи с чем энергию ветра относят к так называемой «чистой», или «зеленой», энергии.

Причины, способствующие развитию ветроэнергетики и созданию ветроэнергоустановок (ВЭУ), следующие:

- зависимость современного производства от импорта энергоресурсов;

- использование невозобновляемых источников энергии, оказывающее значительное отрицательное воздействие на окружающую среду и на здоровье человека;

- повышение конкурентоспособности ВЭУ по сравнению с другими технологиями получения электроэнергии за счет использования эффективных и дешевых материалов и сокращения издержек по производству ВЭУ и выработке электроэнергии на них (рис. 1).

Рис. 1. Парк ветроэнергоустановок

ISSN 1812-9498. ВЕСТНИК АГТУ. 2018. № 1

Правительство России поставило цель: к 2020 году привести объем производства и использования энергии, вырабатываемой альтернативными источниками энергии, до 4,5 % от общего объема [1]. На основании этого был введен в действие ряд нормативных актов, которые должны способствовать созданию комфортных условий для возобновляемой энергетики и стимулировать рост инвестиций в генерирующие объекты. Так, на основании Постановления Правительства РФ от 28.05.2013 г. № 449 (ред. от 10.11.2015) «О механизме стимулирования использования возобновляемых источников энергии на оптовом рынке электрической энергии и мощности» уже было реализовано несколько инвестиционных проектов на розничных рынках электроэнергии, в том числе в районах с децентрализованным электроснабжением, где электроснабжение потребителя от источника не имеет связи с энергетической системой и нуждается в использовании автономных энергоисточников.

Проблемы логистики при развитии ветроэнергетики и пути их решения

Ветроэнергетические установки не причиняют вреда окружающей среде и климату, строительство ВЭУ не требует больших капитальных вложений и осуществляется за короткий срок. Таким образом, развитие ветроэнергетики России способствует развитию экономики отдаленных районов, улучшает экологию крупных городов.

В настоящее время энергопотребление удаленных районов РФ составляет около 6 ГВт [2]. Учитывая богатые ветровые ресурсы России, ветроэнергетика во многих регионах может эффективно сочетаться с солнечной энергетикой, с малыми ГЭС, биоэнергетическими или геотермальными установками на основе совместного использования возобновляемых и традиционных источников энергии, т. е. спрос на энергоснабжение в отдаленных районах может быть полностью удовлетворен комбинацией электроснабжающих технологий.

Самым распространенным видом ВЭУ являются береговые горизонтально-осевые ВЭУ. Как правило, такие ВЭУ оснащены тремя лопастями (существуют также много-, двух-и однолопастные ВЭУ), а их мощность может достигать 10 МВт.

Мощность ВЭУ зависит главным образом от диаметра и высоты расположения ветроко-леса (ротора) - лопастной системы ВЭУ, воспринимающей аэродинамические нагрузки от ветрового потока. Диаметр ветроколеса для крупных ВЭУ может достигать 100 м. С целью повышения эффективности работы ВЭУ оснащаются специальными устройствами ориентации на ветер с помощью механизированных систем поворота.

Барьером, осложняющим развитие ветроэнергетики, является инфраструктура изолированных регионов страны (Крайний Север, Кавказ, отдаленные зоны южного региона), которая характеризуется высокой территориальной разбросанностью населенных пунктов и недостаточной транспортной доступностью. В этих условиях доставка и разгрузка габаритного оборудования является сложнейшей задачей. Например, для монтажа ВЭУ в пос. Усть-Камчатский использовался 200-тонный подъемный кран, доставлять который было необходимо из Петро-павловска-Камчатского, расположенного на расстоянии 450 км [2].

Сложные проблемы логистики при строительстве ВЭУ могут решаться за счет гибкого планирования, улучшения материально-технического обеспечения логистических операций: например, доставка оборудования в отдаленные районы может осуществляться по Северному морскому пути, а иногда даже на вертолете, или при помощи мультимодальных перевозок.

На Российском инвестиционном форуме в Сочи подписано соглашение о строительстве ветропарка «Энел Россия» мощностью 90 МВт в донском регионе на побережье Азовского моря [3]. Доставка оборудования предполагается судами до порта Азов, а затем автопоездами до места монтажа. Планируется создание такой площадки в Ростовской области. Однако весьма актуальной является подобная задача и для Астраханской области, где наблюдаются значительные ветровые потоки, а отдаленные станы и фермы нуждаются в электроснабжении [4].

Проблемой при создании ветропарков является вопрос логистики перевозки и перегрузки узлов ветроэнергодвигателей (ВЭД), т. к. их производство, как правило, находится на значительном расстоянии от места эксплуатации. Разработка с помощью программного обеспечения для имитационного моделирования PTV Vision компьютерной имитационной модели транспортировки узлов ВЭД из порта Азов в отдаленные районы Астраханской области, основанная на конкретных данных о трассе [5], позволит выбрать оптимальные варианты логистического проекта.

Однако сложной задачей остается механизация перегрузки узлов ВЭД с водного транспорта на автомобильную платформу в порту прибытия. Особенность операции заключается в подъеме и перемещении лопастей ВЭД длиной 25-50 м со смещенным к одному из концов центром тяжести (рис. 2).

Рис. 2. Перевозка лопасти ветроэнергодвигателя [2]

Перегрузка может осуществляться мостовым перегружателем либо двумя кранами с помощью траверсы. При выгрузке лопастей ВЭД исключается параллельная работа механизмов крана.

Особенность операции перемещения лопасти ВЭД с судна на автомобильную платформу мостовым перегружателем консольного типа заключается в том, что центр тяжести лопасти находится на одном из ее концов. В этой точке и организуется подвес лопасти.

Для обеспечения безопасности процедуры перемещения лопастей необходимо оценить напряжения, возникающие в элементах крана и самой лопасти.

Для определения состояния узлов крана использованы системные методы анализа нагру-жения конструкций. В теоретико-множественной трактовке [6] движение крана с грузом может быть представлено в виде

где V, 3 - кванторы общности и существования; INII, 1|А|| - матрицы вторых производных от перемещений Zp, сомножителей функций, в которые входят2р и Zp и матрица силовых воздействий Af; p и f - индексы соответствующих перемещений и силовых воздействий.

При исследовании нагружения крановых механизмов система моделируется в виде нескольких сосредоточенных масс с упругими связями [6].

Наиболее простая и в то же время распространенная расчетная схема состоит из двух масс, соединенных упругим звеном. Внешние силовые воздействия рассматриваются как стационарные случайные процессы, а пусковые и тормозные моменты - как импульсные случайные процессы. Расчетная схема предполагает сосредоточение в точке подвеса основной массы лопасти. Остальная масса приводится ко второму концу лопасти. Массы тележки и установленных на ней приводных устройств приводятся к точке подвеса. Упругим звеном в данной схеме является свободная часть лопасти, обладающая поперечной податливостью.

Деформация упругого звена, связанная с динамическими нагрузками при пусках и торможениях механизмов крана и с ветровыми пульсациями, определяется в результате решения дифференциального уравнения

р + 2 пр + ц2 р = A

где р - деформация упругого звена, равная разности перемещений двух масс: m1, m2; п - параметр, характеризующий затухание колебаний; ц - круговая частота свободных колебаний системы; A(t) - внешнее силовое воздействие на систему.

Детерминированное решение уравнения (1) может быть получено известными методами в предположении о неизменности параметров системы [6]. Имитационное моделирование может дать картину нагружения с учетом реально изменяющихся параметров и внешних воздействий. Натурные наблюдения показывают значительные низкочастотные колебания системы, связанные с геометрией поверхности лопасти ВЭД, большой длиной и значительной наветренной площадью.

ISSN 1812-9498. ВЕСТНИК АГТУ. 2018. № 1

Заключение

Решения математической модели методами имитационного моделирования позволяют определять параметры колебаний груза и разрабатывать меры, обеспечивающие безопасность транспортных и перегрузочных операций.

СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ

1. Министерство энергетики Российской Федерации: официальный сайт. URL: http://minenergo. gov.ru/node/489 (дата обращения: 16.09.2016).

2. Итоги X Национальной конференции Российской Ассоциации ветроиндустрии. URL: https://rawi.ru/ ru/itogi-x-natsionalnoy-konferentsii-rossiyskoy-assotsiatsii-vetroindustrii/ (дата обращения: 16.09.2016).

3. Российский инвестиционный форум. URL: www.rusinvestforum.org (дата обращения: 16.09.2016).

4. Юг переходит на зеленый. В регионах ЮФО реализуют крупные проекты альтернативной энергетики // Российская газета - Экономика Юга России. № 7514 (51). 13.03.2018.

5. Нургалиев Е. Р., Попова С. С., Турпищева М. С., Джахъяева С. Б. Использование информационных технологий для совершенствования организации дорожного движения на участке улично-дорожной сети муниципального образования // T-Comm: телекоммуникации и транспорт. 2016. Т. 10. № 5. С. 41-48.

6. Брауде В. И., Тер-Мхитаров М. С. Системные методы расчета грузоподъемных машин. Л.: Машиностроение, 1985. 181 с.

Статья поступила в редакцию 16.01.2018

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

Турпищева Марина Семеновна - Россия, 414056, Астрахань; Астраханский государственный технический университет; канд. техн. наук, доцент; профессор кафедры техники и технологии наземного транспорта; mturpi@mail.ru.

Джахъяева Светлана Борисовна - Россия, 414056, Астрахань; Астраханский государственный технический университет; канд. техн. наук; доцент кафедры техники и технологии наземного транспорта; ttnt@astu.org.

M. S. Turpischeva, S. B. Dzhahyaeva

METHODS OF STUDYING PROCESSES OF TRANSPORTATION AND HANDLING OF THE WIND POWER PLANTS

Abstract. The article considers the possibility of using modeling tools to improve transportation process of wind power units to the places of their operation. Optimization processes of handling and moving heavy and long parts of wind power plants using software for simulation modeling PTV Vision are taken as a subject of research. The aim of the study is finding ways how to avoid accidents and reduce the risk of damage to both elements of wind power plants and lifting and transportation equipment.

Key words: wind power plants, overload, logistics, modeling, blades, loads, safety.

REFERENCES

1. Ministerstvo energetiki Rossiiskoi Federatsii: ofitsial'nyi sait [The Ministry of Energy of the Russian Federation: website]. Available at: http://minenergo.gov.ru/node/489 (accessed: 16.09.2016).

2. Itogi X Natsional'noi konferentsii Rossiiskoi Assotsiatsii vetroindustrii [Results of X National Conference of the Russian Association of wind industry]. Available at: https://rawi.ru/ru/itogi-x-natsionalnoy-konferentsii-rossiyskoy-assotsiatsii-vetroindustrii/ (accessed: 16.09.2016).

TEXHHHECKHE È ECTECTBEHHHE HAÓKH

3. Rossiiskii investitsionnyi forum [Russian Investment Forum]. Available at: www.rusinvestforum.org (accessed: 16.09.2016).

4. Iug perekhodit na zelenyi. V regionakh IuFO realizuiut krupnye proekty al'ternativnoi energetiki [The South comes to green. In the regions of the Southern Federal District of Russia large alternative energy projects are realized]. Rossiiskaia gazeta - Ekonomika luga Rossii, no. 7514 (51), 13.03.2018.

5. Nurgaliev E. R., Popova S. S., Turpishcheva M. S., Dzhakh"iaeva S. B. Ispol'zovanie informatsionnykh tekhnologii dlia sovershenstvovaniia organizatsii dorozhnogo dvizheniia na uchastke ulichno-dorozhnoi seti muni-tsipal'nogo obrazovaniia [Using information technologies to improve road safety management in the sector of street and road system of municipal education]. T-Comm: Telekommunikatsii i transport, 2016, vol. 10, no. 5, pp. 41-48.

6. Braude V. I., Ter-Mkhitarov M. S. Sistemnye metody rascheta gruzopod"emnykh mashin [System methods of calculating lifting mechanisms]. Leningrad, Mashinostroenie Publ., 1985. 181 p.

Turpischeva Marina Semenovna - Russia, 414056, Astrakhan; Astrakhan State Technical University; Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor; Professor of the Department of Machinery and Land Transport Technology; mturpi@mail.ru.

Dzhahyaeva Svetlana Borisovna - Russia, 414056, Astrakhan; Astrakhan State Technical University; Candidate of Technical Sciences; Assistant Professor of the Department of Machinery and Land Transport Technology; ttnt@astu.org.

The article submitted to the editors 16.01.2018

INFORMATION ABOUT THE AUTHORS