УСТРОЙСТВО ДЛЯ БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩЕГО ВЫРАВНИВАНИЯ АКТИВНОЙ МОЩНОСТИ ЭНЕРГОСИСТЕМЫ
DEVICE FOR FAST-ACTING EQUALISING OF ENERGY SYSTEM ACTIVE POWER

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к электротехнике и электрофизике, в частности к устройствам для быстродействующего выравнивания активной мощности энергосистемы и предотвращения или ослабления колебаний мощности в энергосистеме путем накопления энергии в горючем газе и накопления энергии с помощью электрических машин с маховиками.
Предшествующий уровень техники
Известно устройство для выравнивания работы ветроэлектрической станции (патент РФ SU10092, кл. H02J 1/16, H02J 7/34 [1]), содержащее буферный инерционный аккумулятор (маховик), механически соединенный с электрическим генератором, ветровой двигатель, электрическую аккумуляторную батарею, электролизер для разложения воды со сборными баками для кислорода и водорода и работающий на водороде тепловой двигатель, механически соединенный с вспомогательным генератором, включаемым параллельно с главным генератором.
Известна также установка для выравнивания нагрузки в мощной энергосистеме фирмы Beacon Power Corporation, состоящая из 200 маховичных генераторов с максимальной рабочей частотой вращения 16000 об/мин. Маховики маховичных генераторов выполнены композитными из углеродного и стекловолокна. Мощность установки 20 МВт при накопленной кинетической энергии 18 ГДж [2].
В настоящее время многими энергосистемами рассматривается возможность использования современных аккумуляторов для выравнивания нагрузки в мощных энергосистемах. В программе инновационного развития ОАО «ФСК ЕЭС» до 2016 года с перспективой до 2020 года предусмотрено проведение исследовательских работ по созданию таких установок [3].
Известна также разработанная и испытанная в Институте электрофизики и электроэнергетики РАН установка для плазменной газификации твердых органических отходов, предназначенная для получения продукт-газа, состоящего примерно на 70% из смеси окиси углерода и водорода, включающая реактор с системой загрузки отходов и генераторы плазмы (Автореферат диссертации кандидата наук В.Е.Попова Исследование, разработка и создание системы плазменной газификации твердых органических отходов на основе мощных электродуговых генераторов плазмы. Санкт-Петербург, 2007 год. [4]). Аналогичная установка для получения водорода описана в Международном патенте фирмы PLAGAZ АВ №20110243802 с приоритетом от 08.12.2008 [5].
К недостаткам известных устройств относится следующие
В известном устройстве по патенту РФ SU10092 используется электролизер для разложения воды. Электролизер для разложения воды из-за значительных затрат энергии на нагрев электролизера имеет относительно низкую эффективность, электроды электролизера имеют высокую стоимость и малый срок службы. При получении водорода из воды общий КПД электролизера не превышает 57-70% [6, стр.369, фиг.8.3]. Водород при его получении и хранении весьма взрывоопасен. Установка для плазменной газификации твердых отходов, описанная в [4], потребляет электроэнергии не более 15-20% от энергии, содержащейся в получаемом продукт-газе [7]. Поскольку твердые бытовые отходы, используемые для производства продукт-газа, могут быть получены практически бесплатно, а в некоторых случаях за уничтожение бытовых отходов может быть получена значительная плата, использование установки для плазменной газификации твердых бытовых отходов дает существенную экономию электроэнергии по сравнению с использованием электролизера.
В аккумуляторных устройствах для выравнивания нагрузки в мощных энергосистемах предполагается использовать значительное число элементов с единичной энергоемкостью порядка 10-20 Ватт-часов. Надежность аккумуляторных элементов относительно невелика, и имеются случаи их самовозгорания. Для обеспечения безопасности и надежности аккумуляторные батареи из литий-йонных аккумуляторных элементов фирмы GS Yuasa снабжаются электронными системами мониторинга [8], что существенно повышает их стоимость. Несмотря на использование электронных системам мониторинга литий-йонные аккумуляторы остаются недостаточно надежными. Так, 16 января 2013 года возгорание литий-йонных батарей фирмы GS Yuasa стало причиной экстренной посадки лайнера Dreamliner фирмы Boing в Японии [9].
Раскрытие изобретения
Целью настоящего изобретения является создание устройства для быстродействующего выравнивания активной мощности энергосистемы и предотвращения или ослабления колебаний мощности в энергосистеме путем накопления энергии в горючем газе и накопления энергии с помощью электрических машин с маховиками. Известно устройство для выравнивания работы ветроэлекрической станции (патент [1] РФ SU10092, кл. Н02J 1/16, H02J7/34), содержащее буферный инерционный аккумулятор (маховик), механически соединенный с электрическим генератором, ветровой двигатель, электрическую аккумуляторную батарею, электролизер для разложения воды со сборными баками для кислорода и водорода и работающий на водороде тепловой двигатель, механически соединенный с вспомогательным генератором, включаемым параллельно с главным генератором. В известном устройстве электролизер для разложения воды из-за значительных затрат энергии на нагрев электролизера имеет относительно низкий КПД, не превышающий 57-70%. Электролизер для разложения воды из-за значительных затрат энергии на нагрев электролизера имеет относительно низкую эффективность, электроды электролизера имеют высокую стоимость и малый срок службы. Водород при его получении и хранении весьма взрывоопасен.
Целью предлагаемого устройства является повышение его КПД и быстродействия, снижение стоимости устройства и затрат электроэнергии и повышение безопасности эксплуатации устройства. Указанная цель в предлагаемом устройстве достигается за счет использования в нем инерционного аккумулятора, механически соединенного с электрическим двигатель-генератором, работающего на продукте газификации теплового двигателя, механически соединенного со вторым электрическим генератором, блока газификации, содержащего агрегат для сортировки твердых бытовых отходов, агрегат для сушки твердых бытовых отходов, агрегат для измельчения твердых бытовых отходов, систему загрузки твердых бытовых отходов, реактор газификации твердых бытовых отходов, содержащий герметичный корпус, на стенке которого размещен один или несколько плазмотронов, и к выходу блока газификации присоединен компрессор, к выходу компрессора присоединен сборный бак для хранения продукта газификации и к выходу сборного бака для хранения продукта газификации присоединен вход топливоподачи теплового двигателя, и содержащего электрический двигатель-генератор, через преобразователь частоты присоединенный параллельно второму электрическому генератору и присоединенный параллельно выходным клеммам устройства. Испытания, проведенные в Институте электрофизики и электроэнергетики РАН, показали, что при использовании предлагаемого устройства потребление электроэнергии не првышает 15-20% от энергии, содержащейся в получаемом продукт-газе [7].
Краткое описание чертежей
Техническая возможность реализации предлагаемого устройства иллюстрируется Фиг.
На Фиг. изображена структурная схема элементов устройства. Схема в целом известна [1], но за счет использования блока газификации с реактором для газификации твердых бытовых отходов обладает новыми свойствами: свойством повышения КПД, свойством снижения стоимости устройства и затрат электроэнергии и свойством повышения безопасности эксплуатации устройства.
В заявляемом устройстве инерционный аккумулятор (маховик) 1 механически соединен с электрическим двигатель-генератором 2 и тепловой двигатель 16 механически соединен со вторым электрическим генератором 17. Блок газификации 3 содержит: агрегат для сортировки твердых бытовых отходов 4, выполненный с возможностью приема бытовых отходов, и выход, агрегат для сушки твердых бытовых отходов 5, имеющий вход, соединенный с выходом агрегата для сортировки твердых бытовых отходов 4, и выход, агрегат для измельчения твердых бытовых отходов 6, имеющий вход, соединенный с выходом агрегата для сушки твердых бытовых отходов 5, и выход, агрегат для загрузки твердых бытовых отходов 7, имеющий вход, соединенный с выходом агрегата для измельчения твердых бытовых отходов 6, и выход, реактор газификации твердых бытовых отходов 11, имеющий вход, соединенный с выходом агрегата для загрузки твердых бытовых отходов 7, выход для продукта газификации 9 и выход для удаления шлаков 10, содержащий герметичный корпус реактора газификации 8 на стенке которого размещен один или несколько плазмотронов 12, компрессор 13, имеющий вход, соединенный с выходом для продукта газификации реактора газификации твердых бытовых отходов 9, и выход, сборный бак для хранения продукта газификации 14 имеющий вход, соединенный с выходом компрессора 13, и выход. К выходу сборного бака для хранения продукта газификации 14 присоединен вход топливоподачи 15 теплового двигателя 16, электрический двигатель-генератор 2 через преобразователь частоты 18 электрически присоединен параллельно второму электрическому генератору 17 и второй электрический генератор электрически присоединен параллельно выходным клеммам устройства 19.
Пример осуществления изобретения
Основным методом обеспечения устойчивости энергосистем при значительном снижении частоты является использование автоматического ограничения снижения частоты (АОСЧ). Для выполнения этих функций АОСЧ осуществляет автоматический частотный ввод резерва при снижении частоты ниже минимально допустимых значений 49,5 Гц и автоматическую частотную разгрузку (АЧР) при снижении частоты ниже 49,0 Гц. Автоматический частотный ввод резерва из-за особенности работы электростанций производится с относительно небольшой скоростью. Так, регулирование активной мощности тепловых электростанций обычно производится со скоростью не более 15% от величины номинальной мощности электростанции в минуту. Для АЭС возможно регулировать активную мощность на ~5% от ее номинальной величины в минуту. АЧР осуществляется достаточно быстро путем отключения потребителей, но является крайне нежелательной.
Оптимальным способом поддержания устойчивости является введение в энергосистему установок для выравнивания нагрузки на основе накопителей энергии различного типа [10, 11]. Для небольших энергорайонов мощность установки для выравнивания нагрузки должна составлять примерно половину номинальной мощности энергопитания района. Для города с населением 40 тысяч человек номинальная мощность энергопитания будет 20 МВт (из расчета 0,5 кВт на человека [12, стр.726]) и установка для выравнивания нагрузки должна иметь мощность 10 МВт.
2
2
Предлагаемое устройство может, например, состоять из инерционного аккумулятора в составе маховика с накопленной энергией 200 МДж и электрического двигатель-генератора мощностью 10 МВт с КПД 95% на максимальную частоту вращения 6000 об/мин, дизельного двигателя мощностью примерно 10,5 МВт, соединенного механически с вторым генератором мощностью 10 МВт, и блока газификации твердых бытовых отходов, обеспечивающего газификацию твердых бытовых отходов, сжатие продуктов газификации твердых бытовых отходов и их хранение в сборном баке. Маховик с подходящими характеристиками был спроектирован в Институте электрофизики и электроэнергетики (ранее ВНИИЭлектромаш) и изготовлен промышленностью. Маховик был выполнен из титана и имел диаметр 1720 мм при массе 4 тонны. Для привода маховика использовался синхронный двигатель-генератор на 6000 об/мин [13]. В предлагаемом устройстве двигатель-генератор инерционного аккумулятора подключен к энергосистеме через полупроводниковый преобразователь частоты. На статор двигатель-генератора в режиме накопления энергии через полупроводниковый преобразователь частоты подают трехфазное напряжение, частоту которого изменяют от 0 до 100 Гц, и при этом поддерживают величину трехфазного напряжения примерно пропорциональной его частоте. После пуска установки увеличивают частоту напряжения полупроводникового преобразователя до 100 Гц, маховик разгоняется до 6000 об/мин и запасает кинетическую энергию 200 МДж. В режиме разряда инерционного аккумулятора двигатель-генератор за счет изменения частоты на выходе преобразователя частоты в пределах от 100 Гц до примерно 50 Гц переводят в генераторный режим и тем самым производят торможение маховика. Запасенная в маховике кинетическая энергия отдается в энергосистему. Поскольку кинетическая энергия пропорциональна квадрату частоты вращения маховика, при таком торможении в энергосистему отдается (100/100)-(50/100)=0,75 от энергозапаса маховика, то есть 200 МДж·0,75=150 МДж. КПД инерционного аккумулятора с рассматриваемыми параметрами достигает 95%. При мощности 10 МВт энергии инерционного аккумулятора достаточно для питания энергосистемы в течение 14 секунд. За 14 секунд производят пуск дизельного двигателя, соединенного механически с вторым генератором мощностью 10 МВт, и производят питание энергосистемы от этого генератора за счет энергии запасенного в сборном баке продукта газификации.
2
2
Газоаккумулирующая установка плазменной газификации отходов представляет из себя мусороперерабатывающий комплекс. Поступающие на переработку твердые бытовые отходы подвергают сортировке в агрегате для сортировки твердых бытовых отходов. Агрегат для сортировки твердых бытовых отходов может быть выполнен в виде ленточного транспортера, с которого воздействием постоянного магнитного поля извлекают стальные предметы и воздействием импульсного магнитного поля извлекают алюминиевые и прочие немагнитные металлические предметы. Далее производят сушку твердых бытовых отходов. Для сушки, например, используют тепло, содержащееся в продукте газификации, которое подводят к твердым бытовым отходам с помощью теплообменника. Далее производят измельчение твердых бытовых отходов. Для этого, например, используют рубительную машину барабанного типа, рабочим инструментом которой является ротор (барабан) с закрепленными на нем режущими ножами. Далее твердые бытовые отходы направляют в блок газификации, где под действием струй плазмы, истекающих из плазмотронов, вырабатывают из них продукт газификации - смесь окиси углерода, водорода и азота. Из 1 кг отходов по этой технологии получают примерно 2,2 м продукта газификации с теплотворной способностью примерно 7 МДж/м, т.е. в газе запасают энергию в 15,4 МДж на один кг отходов. Газоаккумулирующая установка потребляет электрическую энергию. Затраты электроэнергии на переработку одного кг твердых бытовых отходов не превышает 15-20% от энергии, содержащейся в получаемом продукте газификации.
3
3
3
В часы минимумов потребления энергии в энергосистеме продукт газификации накапливают в сборном баке объемом 500 м при давлении 30 атм, получаемом с помощью компрессора, и запасают 15000 м продуктов газификации. При возникновении аварийных ситуаций или в часы максимумов нагрузки в энергосистеме накопленный продукт газификации используют для выработки электроэнергии с помощью дизельного двигателя и второго генератора. Газоаккумулирующая установка производительностью 1,6 т/ч наполняет сборный бак объемом 500 м за 10 ч. Запас энергии составляет 105 ГДж. Дизель-генератор с КПД выработки электроэнергии 30% мощностью 10 МВт израсходует запасенный газ за 52 минуты. Этого времени достаточно для запуска горячего резерва на тепловых электростанциях и холодного резерва в виде газотурбинных установок и обеспечения бесперебойного энергоснабжения.
Существенным преимуществом предлагаемого устройства является его высокий КПД, снижение стоимости устройства, повышение безопасности эксплуатации устройства, способность за счет использования маховика к практически мгновенному входу в работу.
Литература
1. Устройство для выравнивания работы ветроэлектрической станции, согласно установленному графику нагрузки. Автор А.Г.Уфимцев. Патент РФ SU 10092, кл. H02J 1/16, H02J 7/34 с приоритетом от 15.03.1927 года.
2. Bill Сарр. Beacon Power Corporation//Adour Capital Energy Technology Conference. September 15, 2011. 29 pages.
3. Программа инновационного развития ОАО «ФСК ЕЭС» до 2016 года с перспективой до 2020 года. Москва, 2011 год. 305 стр.
4. Попов В.Е. Исследование, разработка и создание системы плазменной газификации твердых органических отходов на основе мощных электродуговых генераторов плазмы. Автореферат диссертации кандидата наук. Санкт-Петербург, 2007 год.
5. Inventors: D. Ringheim, Т. Granberg. Assignees: PLAGAZ AB. International Patent №20110243802. International Filling Date 08.12.2008. System for the production of hydrogen.
6. Фильштих В. Топливные элементы. - М.: Мир, 1968 год. 419 стр.
7. Rutberg Ph.G., Bratsev A.N., Kuznetsov V.A., Popov V.E., Ufimtsev A.A., Stengel' S.V. On efficiency of plasma gasifcation of wood residues. Biomass and bioenergy. №35, 2011. Pp.495-504.
8. Рекламные материалы фирмы GS Yuasa International Ltd. http://www.gs-yuasa.com/us.
9. Проблемы с аккумуляторами Dreamliner случались еще в прошлом году. Российская Газета. 30.01.2013.
10. Гончаренко Р.Б., Рутберг Ф.Г. Применение маховичньгх агрегатов переменного тока с целью стабилизации режимов в энергосистеме. Известия РАН. Энергетика №5, 2012. Стр. 13-21.
11. Glebov I.A., Kasharsky E.G., Rutberg Ph.G. Synchronous Generators in Electrophysical Installations. Lexington Books, Massachusets, 1982. 187 p.
12. Электротехнический справочник. Том 3 книга 1. Производство и распределение электрической энергии. Под редакцией И.Н. Орлова и др. - М.: Энергоатомиздат, 1988. 880 стр.
13. Глебов И.А., Рутберг Ф.Г., Гончаренко Р.Б. и др. Перспективные системы энергопитания корабельных импульсных и кратковременных нагрузок. В книге Российская наука - Военно-Морскому Флоту. - М.: Наука, 1977. Стр. 269-272.