Система энергоснабжения как фактор обеспечения энергоэффективной среды жизнедеятельности объектов военной инфраструктуры

Энергоснабжение, водоснабжение и теплоснабжение объектов военного назначения

УДК 355.7:357.673:644.1:697.31

Аверьянов В.К., Толмачев В.Н., Мележик А.А.

Averianov V.K., Tolmachev V.N., Melezshik A.A.

Система энергоснабжения как фактор обеспечения энергоэффективной среды жизнедеятельности объектов военной инфраструктуры

The power supply system as a factor of ensuring energy-efficient built environments of military

infrastructure facilities

Аннотация: В статье приведены специфические вопросы создания безопасной и энергоэффективной среды жизнедеятельности. Отмечена необходимость комплексного подхода при развитии систем энергоснабжения военных городков. Использование интеллектуальных гибридных энергосистем позволяет снизить максимум нагрузки на 10-20%, энергопотребление на 515%, существенно увеличить коэффициент использования установленной мощности установок возобновляемых источников энергии. Для достижения таких результатов в статье обозначена необходимость комплексного подхода, учитывающего взаимозависимость, взаимозаменяемость и прогнозируемость режимов функционирования системы «здания и сооружения - инженерные сети - источники энергоресурсов и головные сооружения». Представлены сведения о проводимой работе по созданию систем интеллектуального управления автономными энергокомплексами.

Abstract: The paper presents specific issues of security and energy efficiency of the living environment. The need for an integrated approach to the development of power supply systems for garrison towns is described. Both 10-20% of peak load reduction and 5-15% of energy savings occur with the use of intelligent energy systems. The article touches upon the results achieved through the comprehensive approach, which is based on interdependence, interchangeability, and predictability of the operational modes of the system "buildings - engineering networks - power sources and head works". The information on ongoing work on the development of the intelligent management of the self-contained heat and power supply is presented.

Ключевые слова: энергосистема, возобновляемые источники энергии, интеллектуальное управление, активный потребитель.

Keywords: energy system, renewable energy sources, intellectual management, active consumer

Современное экономическое развитие характеризуется «продвижением к неоиндустриализации, которая связана с принципиально новыми технологиями (КБГС -конвергенция наноинформационных, биоинформационных и когнитивных технологий) и с решением новых задач обеспечения высокого качества жизни в гармонии с природной средой. Решение этих задач связано с требованиями энергоэффективности, минимизации количества отходов и безотходного производства. В неоиндустриальном развитии мировой экономики энергетика будет, по всей видимости, играть центральную роль» [1].

Наша страна вышла на путь энергоэффективности на государственном уровне. В 2009 году был принят Федеральный закон № 261-ФЗ «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности и внесении изменений в отдельные законодательные акты РФ». Далее были разработаны государственная программа «Энергосбережение и повышение энергоэффективности на период до 2020 года» и ряд других, в том числе ведомственных, нормативно-правовых документов по формированию в стране и её Вооружённых Силах (ВС) энергоэффективной среды жизнедеятельности.

Под энергоэффективной средой жизнедеятельности объектов военной инфраструктуры (ОВИ) понимается достижение в их архитектурно-планировочном пространстве экономически оправданной эффективности использования энергетических ресурсов, для качественного жизнеобеспечения военнослужащих в процессе их повседневной деятельности, при существующем уровне развития техники и технологий, и соблюдении требований к охране окружающей среды. Это в значительной степени определяется состоянием и показателями функционирования систем теплоснабжения и инженерных систем зданий и сооружений военных объектов.

Основными условиями при реализации комплекса мероприятий и программ по энергосбережению и повышению энергоэффективности ОВИ являются:

- обеспечение финансовой устойчивости экономики страны за счет снижения бюджетных расходов на энергоресурсы и на развитие энергетических объектов обеспечения ОВИ;

- снижение, за счет внедрения энергосберегающих технологий, расходов ВС и других силовых структур государства на энергоресурсы;

- повышение экологической и энергетической безопасности ОВИ.

Проблема энергосбережения в ВС, повышения энергоэффективности и надежности функционирования инженерной инфраструктуры военных объектов носит комплексный характер и связана с необходимостью решения значительного числа задач на всех этапах жизненного цикла системы «воинские здания и сооружения - инженерные сети - источники энергоресурсов и головные сооружения» (вода, топливо, тепловая и электрическая энергия).

За последние 10-15 лет был подготовлен и принят целый ряд документов, направленных на

решение проблем в процессе реформирования теплоснабжения. К таким нормативным документам

следует отнести Федеральный Закон РФ №190 «О теплоснабжении», Постановление Правительства

9

№154 «О правилах разработки схем теплоснабжения», ЭС-30 и др. В Министерстве Обороны РФ (МО РФ) введен в действие нормативный документ «Инструкция о порядке назначения основных теплотехнических характеристик общевойсковых зданий» (ВСП 31-01-03 МО РФ).

В соответствии с указанными документами оптимизация систем теплоснабжения в стране в целом, и в МО РФ в частности, должна осуществляться на научной основе [2,3,4,5] с использованием современных геоинформационных технологий, комплексного учета эффектов энергосбережения во всех звеньях системы «топливоснабжение - генерация энергии - распределительные сети -потребитель». Причём подобный подход должен быть как в существующем фонде, так и при новом строительстве [6,7].

Вместе с тем, в общей проблеме создания в ВС безопасной и энергоэффективной среды жизнедеятельности существует ряд специфических вопросов, неоднократно поднимавшихся в работах отечественных специалистов, в частности, в трудах академика С.А. Чистовича [2,8,9].

1. Наивысшим приоритетом для строительной и энергетической отраслей является обеспечение безопасности и комфорта военнослужащих в существующих и строящихся зданиях и сооружениях. Высокая аварийность объектов энергетики и инженерной инфраструктуры гражданских и военных объектов, ввиду их технического и морального износа, формирует необходимость разработки законов, нормативных, экономических и технических решений (механизмов) по скорейшему выходу из создавшейся чрезвычайно сложной ситуации.

2. Необходимость разработки эффективных методов создания благоприятного инвестиционного климата для развития когенерации для автономных военных городков и объектов. Создание системы распределенной комбинированной генерации тепловой и электрической энергии, которая обеспечивает не только минимизацию расхода топлива на выработку тепла и электроэнергии, но и повышает надежность тепло- и электроснабжения военных городков и отдельных объектов, обеспечивает нормативную экологическую обстановку, способствует снижению тарифа на вырабатываемое тепло по сравнению с котельными. Однако, до настоящего времени не разработаны технические условия и экономические механизмы, направленные на установление приоритета комбинированного производства электроэнергии и тепла, перед раздельным производством тепла с использованием котельных и электроэнергии на электростанциях. В настоящее время продолжается неуклонная «котельнизация», в том числе в МО РФ, со снижением за последнее десятилетие практически вдвое доли выработки тепловой энергии на ТЭЦ.

Реализация проектов с обеспечением энергоресурсосбережения, экологической и энергетической безопасности военных объектов, улучшения условий их эксплуатации, использования нетрадиционных и местных видов топлива требует [10,12,13] проведения комплексного анализа состояния действующих энергетических систем. Следует незамедлительно приступить к выявлению тенденций развития и созданию инновационных технологий, как в

10

области строительства новых объектов, так и в инженерной инфраструктуре действующих военных городков и объектов силовых структур нашего государства.

Основными постулатами для развития систем теплоснабжения являются [5,7]:

- сохранение сложившейся инфраструктуры (ТЭЦ и тепловые сети) для военных городков (отдельных объектов) расположенных в теплоплотных районах крупных городов с одновременным повышением технического уровня и внедрением энергоэффективных технологий в системах их энергообеспечения;

- создание для проектируемых военных городков и объектов силовых структур, расположенных в локальных зонах и районах с малой теплоплотностью, современных энергоэффективных, в том числе автономных источников с комбинированной выработкой тепловой и электрической энергии.

Следует отметить, что идеи энергоэффективности, жизненно необходимые в нынешней ситуации для жизнедеятельности ВС и других силовых структур, пока в недостаточной мере нашли обоснованное воплощение в практике проектирования и строительства новых объектов. По-прежнему вопросам развития способов энергосбережения в элементах воинских зданий и сооружений уделяется гораздо больше внимания, чем уменьшению потребления энергоресурсов в целом [8].

Как известно, под системой теплоснабжения понимается совокупность источников тепловой энергии и теплопотребляющих установок, технологически соединенных тепловыми сетями. В свою очередь, под теплопотребляющей установкой понимается устройство, предназначенное для использования тепловой энергии, теплоносителя для нужд потребителя.

Эффективное потребление энергии наряду с обеспечением комфортной среды обитания создают статус современного объекта капитального строительства. С этой целью, что неоднократно отмечал в своих работах С.А.Чистович, здание оборудуется сложным комплексом инженерных систем (отопление, электроснабжение, кондиционирование, сигнализация, информационные системы и др.). Эти системы призваны создавать комфорт, экологическую и климатическую обстановку в соответствии с индивидуальными предпочтениями каждого из жителей, обеспечивать надежность и безопасность, осуществлять учет потребления и сбережение ресурсов. Качество функционирования рассматриваемого комплекса инженерной инфраструктуры напрямую зависит от схемных решений, состава оборудования и уровня систем управления.

Ранее теплопотребляющие установки многоквартирных домов в военных городках

создавались [8,9] для сообщества жильцов, каждый из которых не мог (да в настоящее время чаще

всего не может) влиять на процесс фиксации объёмов теплопотребления с регулированием в

широком диапазоне температуры воздуха в отапливаемых помещениях. Внедрение стимулов

экономии тепла, в первую очередь для потребителей, здесь упирается в неприспособленность

существующих систем к индивидуальному регулированию. Существующая тенденция увеличения

11

тарифов на тепловую и электрическую энергию одновременно с невозможностью использования экономических стимулов повышения энергоэффективности поэлементно в системе: «генерация -транспортировка - распределение и квартирное теплопотребление энергии» может привести в дальнейшем к снижению качества жизни семей военнослужащих.

Одним из элементов решения существующей проблемы повышения надежности, энергоэффективности и минимизации издержек семей военнослужащих является создание сквозной системы интеллектуального управления и контроля параметров (с условием обеспечения заинтересованности всех участников процесса: выработка - транспорт - потребление тепла).

В настоящее время концепция «интеллектуального» здания как наиболее энергоэффективного переходит от самой идеи создания на новом технологическом уровне комфортной среды обитания к реальному, в том числе поэлементному воплощению (особенно в сфере производства и бизнеса).

В соответствии с анализом классификаций и определений Ю. А. Табунщикова обобщенно можно сформулировать понятие «интеллектуальное здание» как взаимосвязанного автоматизированного комплекса технических средств, оборудования и здания в целом, позволяющего создавать комфортные (оптимальные) условия жизнедеятельности при одновременном эффективном технологическом процессе (для производственных объектов), рациональном расходовании топливно-энергетических ресурсов, а также минимальных для этого психоэмоциональных усилиях и трудовых затратах самих пользователей.

Здесь качество и экономичность функционирования технических систем служебных помещений, квартир и здания в целом как альтернатива возрастающим затратам формируются [4,5,11]:

- взаимосвязью технических систем, программируемостью режимов их взаимного функционирования;

- мониторингом состояния оборудования и систем, визуализацией необходимых параметров (в том числе технологических: для производственных и служебных зданий);

- ранжированием управления техническими системами (общий, зонный (по зонам военного городка), домовой, квартирный и локальный уровни);

- электронными технологиями расчетов с поставщиками ресурсов и эксплуатационными организациями;

- использованием энергии буферных зон (энергии солнца, ветра, грунтового массива);

- утилизацией вторичных энергетических ресурсов;

- применением энергоресурсосберегающей техники, оборудования и ограждающих конструкций с высокими теплозащитными свойствами.

Реализация приведенного выше перечня мероприятий для интеллектуальных зданий способствует сокращению потребления теплоэнергетических ресурсов (ТЭР) по сравнению с

нормативными показателями на 15 - 40%, что позволяет строить в треугольнике «комфорт — безопасность — энергосбережение» бизнес-модели окупаемости дополнительных затрат на создание энергоэффективной среды жизнедеятельности.

Принципиально новый аспект будущего развития энергетики - формирование [5] активного потребителя, повышения его роли в системе функционирования и развития энергоисточников, в оптимальном количественном и временном регулировании энергопотребления. Здесь следует констатировать недостаточность отечественных научных исследований, программных средств и микропроцессорной техники, необходимых для сооружения и эксплуатации гибридных генерирующих объектов, функционирующих с использованием возобновляемых источников энергии и малолюдных систем интеллектуального управления параметрами как в энергокомплексах, так и в энергоприемниках потребителей. Вместе с тем, комплексный подход к построению эффективных интеллектуальных гибридных энергосистем позволяет снизить максимум нагрузки на 10-20%, электропотребление на 5-15%, существенно увеличить коэффициент использования установленной мощности установок возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Основная часть положительных эффектов здесь проявляется как результат активного регулирования энергопотребления и воздействий потребителя в интеллектуальной энергосистеме.

Рассмотрим управление режимами энергопотребления в автономном энергетическом комплексе (АЭК) с ВИЭ. Эффективное функционирование здесь заключается в обеспечении потребителей энергией в течение расчетного периода времени в режиме максимальной загрузки генераторов на базе ВИЭ, и, наоборот - для установок на традиционном топливе (т.е. КИУМвиэ—»1, КИУМтрадиц—>0). Таким образом, последние должны использоваться преимущественно для покрытия пиковой нагрузки, встречающейся в незначительный период времени в течение года (как правило, в пределах 10-20% годовой продолжительности энергопотребления). Итоговым показателем эффективности может являться коэффициент замещения топлива за счет возобновляемой энергии, значение которого в расчетный период должно стремиться к максимуму

(фгод—1).

В основе управления режимами энергосистемы лежат 2 способа: Первый способ заключается в изменении режимов выдачи мощности (P) и энергии на нужды потребителей (Q), когда (Pj —» Q{, Qj —» Qpac4). В данном случае предполагается, что все энергопотребляющие установки могут работать в любом режиме и в любой момент времени без взаимосвязи и вне зависимости от эффективности выработки энергии (использования топлива) на АЭК. Таким образом, потребительские установки работают в условиях статических внешних ограничений со стороны энергоисточника или сети (Pj = Ррасч = Рвиэ + ртрад + раккум = const). Второй способ предполагает изменение режимов энергопотребления в соответствии с изменяющимися ограничениями со стороны энергоисточника или сети (Qj —> Pj; Pj = var; р!"рад —»

0). Для реализации данного способа требуется сравнительно больший объем сведений по энергопотребляющим установкам, в т.ч. сведения по приоритетности их работы, уставкам и аккумулирующим способностям.

На рисунке 1 представлен пример управления режимами энергопотребления объекта при

Рисунок 1 - Пример управления режимами энергопотребления при изменяющемся лимите мощности на АЭК: а) Р^ = 1 0 5 кВт, б) Р^ = 9 0 кВт

Управлением режимами энергопотребления достигается выравнивание графиков нагрузки под

заданное максимальное значение оптимальной мощности и минимально допустимое значение

энергопотребления . При этом использование пиковых мощностей либо исключается

в полном объеме, либо снижается продолжительность их функционирования, а также

предотвращается перегрузка системы (рисунок 2).

Программная реализация изложенного способа регулирования позволяет ограничить

применение пиковых мощностей АЭК и избежать аварийных ситуации из-за перегрузки

энергосистемы. Кроме того, оценка диапазонов регулирования и допустимых временных сдвигов

14

энергетической нагрузки является важной задачей на этапе проектирования АЭК, так как позволяет оптимизировать устанавливаемые мощности и их соотношения при применении генераторов энергии различного типа и аккумуляторов энергии.

дэс

виэ +

АБ

Рисунок 2 - Пример энергообеспечения потребителей от АЭК без управления режимами энергопотребления

Основные необходимые условия реализации управления потребительскими нагрузками:

1. Наличие (задание) информации по каждому энергопотребляющему устройству или группе устройств: приоритетность работы; параметры (уставки), диапазоны регулирования; энергетические и теплофизические характеристики; технологические режимы (допустимые и оптимальные), возможные временные сдвиги и их продолжительность; математическое описание законов изменения обеспечиваемых целевых параметров (уставок).

2. Прогнозирование с использованием математических моделей, включая статистический анализ: режимов работы технологического оборудования военного объекта; режимов служебной деятельности персонала, влияющих на энергопотребление (время присутствия в помещениях, использования оборудования и др.); энергетических режимов объектов; режимов генерации энергии от ВИЭ.

3. Управление и/или выдача рекомендательных сигналов по использованию энергопотребляющих установок и принятия решений по сдвигу или изменению нагрузки с целью минимизации суммарных затрат на энергопотребление при сохранении требуемого качества энергоснабжения.

При таком подходе задача пред проектной проработкой состоит в определении рациональной

структуры, параметров и регламентов элементов локальной энергосистемы (генерации, аккумуляции,

15

130 125

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

передачи, распределения и активно регулируемого потребления электроэнергии) с решением следующих основных задач:

- исследовать взаимозависимость параметров генераторов и потребителей распределенной энергосистемы с целью оценки эффективности использования гибридных энергоустановок (установок с использованием ВИЭ);

- создать единую методику и основанный на ней аппарат технико-экономического обоснования структуры и параметров ГЭК для выбора параметров источников и потребителей энергии ГЭК на различных стадиях проектирования;

- провести вычислительные эксперименты, подтверждающие корректность и эффективность методики, разработанного на ее основе прототипа программного обеспечения при обосновании параметров конкретных проектируемых военных объектов.

В кооперации с ведущими предприятиями страны ОАО «Авангард» и ПАО «Газпром Промгаз» проводят НИОКР по созданию информационных и автоматизированных систем и программного обеспечения, интегрированных в единые платформы систем интеллектуального управления (СИУ). Цель работы - обеспечение повышения эффективности функционирования автономных энергетических комплексов, в том числе с возобновляемыми и инновационными источниками энергии, различных энергетических объектов. Следует заметить, что результаты НИОКР могут быть использованы для совершенствования работы энергетических комплексов объектов военной инфраструктуры. В разрабатываемом продукте, кроме указанного выше, основные акценты делаются на следующем:

- обеспечение бесперебойности электропитания, в том числе для мощных электроприемников, требующих 1 -й особой категории надежности электроснабжения;

- обеспечение динамической компенсации реактивной мощности и высших гармонических составляющих тока, генерируемых нелинейной нагрузкой;

- устранение влияния на потребителей провалов напряжения и перенапряжений, автоматическое симметрирование нагрузки по фазам;

- использование в основном отечественных наработок в области создания программно-аппаратных средств СИУ автономных энергетических комплексов и элементной базы для них, что обеспечит независимость конечного продукта от импортных поставок.

В настоящее время выполнены следующие этапы:

- разработана концепция, структура и функциональный состав системы интеллектуального управления АЭК;

- формализованы и математически описаны задачи интеллектуального управления энергетическим оборудованием АЭК;

- разработано алгоритмическое обеспечение решения задач интеллектуального управления энергетическим оборудованием АЭК;

- разработаны имитационные модели систем интеллектуального управления, воспроизводящие основные режимы функционирования источников, распределительных сетей и потребителей АЭМ в составе АЭК;

- выполняется разработка программного обеспечения систем интеллектуального управления энергетическим оборудованием АЭК;

- разработана конструкторская, разрабатываются технологическая и программная документация.

К началу 2018 года на базе АО «Авангард» планируется создать и начать проведение натурных испытаний макета автономного энергетического комплекса, разработанного с использованием вышеперечисленных изделий и программного обеспечения. Выводы:

1. Формирование энергоэффективной среды жизнедеятельности с помощью существующих систем энергоснабжения возможно при их модернизации с использованием современных разработок в области интеллектуального управления, основы которого заложены в трудах С.А. Чистовича.

2. Существующий высокий уровень развития вычислительной техники и технологий передачи данных позволяет за счет внедрения интеллектуального управления спросом и генерацией энергии существенно повысить эффективность работы энергетических систем ОВИ.

Список литературы:

1. Энергетика России: постстратегический взгляд на 50 лет вперед / Бушуев В.В., Громов А.И., Белогорьев А.М., Мастепанов А.М. - М.: ИАЦ «Энергия», 2016. - 96 с.

2. Чистович С.А., Харитонов В.Б. Автоматизированные системы теплофикации, теплоснабжения и отопления. - СПб: АВОК Северо-Запад, 2008. 304 с.

3. Аверьянов В.К. Энергоэффективная среда жизнедеятельности: направления развития / Аверьянов В.К., Юферев Ю.В., Мележик А.А. // Газинформ. - 2017. - №2 (52). - С. 16 - 23.

4. Спектор Ю.И. Инновационные решения по развитию энергетической инфраструктуры объектов Группы Газпром / Спектор Ю.И., Аверьянов В.К., Оплачко А.В. // Газовая промышленность. - 2016. - №12 (746). - С.78-84.

5. Аверьянов В.К. Современные технологии управления потребительским спросом в системе генерация - транспорт - потребление энергии / Аверьянов В.К., Мележик А.А., Вавилов Д.О., // Энергетик. - 2014. - №2. - С. 28 - 30.

6. Аверьянов В.К. Мероприятия по формированию энергоэффективной среды жизнедеятельности при разработке схемы теплоснабжения г. Санкт-Петербург / Аверьянов В.К., Юферев Ю.В., Лисицкий Э.Н. // Газинформ. - 2016. - № 4 (54) - С. 30 - 36.

7. Аверьянов В.К. О направлениях повышения эффективности централизованного теплоснабжения крупных городов / Аверьянов В.К., Лисицкий Э.Н., Юферев Ю.В. // Новости теплоснабжения. - 2015. - №9 (181). - С. 10 -17.

8. Автоматизированные системы теплоснабжения и отопления / Чистович С.А., Аверьянов В.К., Темпель Ю.Я., Быков С.И. - Л., Стройиздат, 1987. - 247 с.

9. Энергосберегающие системы теплоснабжения, вентиляции и кондиционирования воздуха / Альбом, под общей редакцией Чистовича С.А. - СПб. - 2004.

10. О современной модернизации систем электроснабжения локальных технологических объектов ТЭК / Шаповало А.А., Перминов Э.М., Аверьянов В.К., Толмачев В.Н. // Энергетик. -2016. - №12. С. 25 - 31.

11. Каталог технических решений и практических рекомендаций по энергосбережению и повышению энергетической эффективности зданий и сооружений / Акимов Р.С., Бурцев С.И., Бусахин А.В. и др. - НОСТРОЙ, 2014. - 139 с.

12. Аверьянов В.К. Системы малой энергетики: современное состояние и перспективы развития / Аверьянов В.К., Карасевич А.М., Федяев А.В. - том 1, том 2 - ИД «Страховое Ревю», 2008 г. - 962 стр.

13. Обоснование целесообразности использования установок сжижения природного газа в качестве источника пикового и резервного топлива для ГТ-ТЭС и ПГУ-ТЭС / Аверьянов В.К., Блинов А Н., Митрофанов В.А., Хаев В.К., Цвик А.А. // Газинформ. - 2016. - №2 (52). - С. 52 - 57.

УДК 355.673.5:69.035.2: 553.7.031.1

Продоус О.А., Джанбеков Б.А., Шипилов А. А. Prodous O.A., Dzhanbekov B.A., Shipilov A.A.

Социально-экономическая и экологическая эффективность возведения объекта «Тебердинский магистральный групповой водопровод» большой протяженности в условиях повышенной сейсмичности

Socio-economic and environmental effectiveness of the construction of the object "Teberdinsky trunk group plumbing" of great length in the

conditions of high seismicity