К ВОПРОСУ ЭКОНОМИЧЕСКОГО ОБОСНОВАНИЯ ПРИМЕНЕНИЯ КОГЕНЕРАЦИОННЫХ УСТАНОВОК НА ОБЪЕКТАХ МАЛОЙ МОЩНОСТИ

УДК 621.314

К ВОПРОСУ ЭКОНОМИЧЕСКОГО ОБОСНОВАНИЯ ПРИМЕНЕНИЯ КОГЕНЕРАЦИОННЫХ УСТАНОВОК НА ОБЪЕКТАХ МАЛОЙ МОЩНОСТИ

А.В. Ильин, Д.А. Кретюк, А.В. Соловьев

В работе представлен подход к выбору варианта энергоснабжения объектов -потребителей электрической и тепловой энергии. Определены границы применения когенерационных установок в зависимости от расстояния до внешней системы электроснабжения.

Ключевые слова: когенерационные установки, построение системы электроснабжения, объекты малой мощности, технико-экономическое обоснование.

Классическая система энергоснабжения объекта подразумевает его электроснабжение от внешней системы электроснабжения и теплоснабжение от собственной котельной.

В статье в качестве объектов малой (ограниченной) мощности рассматриваются объекты с потребляемой электрической мощностью соизмеримой с мощностью автономных источников (от 500 кВт до 3 МВт).

Проведенный анализа систем энергоснабжения объектов малой мощности (от 500 кВт до 3 МВт) показал, что в России около 10% потребителей обеспечиваются энергией от собственных источников энергии [9]. Большинство из них может использовать источники совместной выработки электрической и тепловой энергии (когенерато-ры) [5], что не всегда реализовано.

Нормативным документом, рекомендующим применение когенерационных установок, является «Концепция развития и использования возможностей малой и нетрадиционной энергетики в энергетическом балансе России» [4], в соответствии с которым к установкам малой энергетики отнесены электростанции мощностью до 30 МВт.

В настоящее время в качестве основного источника могут использоваться автономные электростанций, а в качестве резервного - внешняя система электроснабжения (СЭС). В качестве таких источников целесообразно использовать автономные источники (АИ) которые производят, как электрическую энергию, так и тепловую [2,7]. В качестве таких АИ в настоящее время широкое применение нашли когенерационные установки [8].

Когенератор - АИ электротепловой энергии в котором в качестве первичного двигателя вращающего генератор используют двигатель внутреннего сгорания, в качестве источника тепловой энергии теплообменники преобразующие тепло выхлопных газов, охлаждения и смазки в тепловую энергию системы отопления потребителей.

При эффективной работе когенератора электрический КПД может достигать 38%, а тепловой до 55 %. В этом случае суммарный КПД или коэффициент использования топлива может превышать 90% [1]. Такой положительный эффект может достигается благодаря равномерному графику потребления электроэнергии на объекте. Однако, графики энергопотребления объектов имеют ступенчатый характер, что не соответствует эффективной работе когенераторов [3].

Экономическое обоснование применения когенераторов определяется решением оптимизационной задачи сравнения вариантов энергообеспечения объекта:

электроснабжение от внешней сети, теплоснабжение от централизованной котельной установки (вариант 1);

электроснабжение и теплоснабжение от когенерационных установок (вариант 2).

Целевая функция решаемой оптимизационной задачи формируется на основе ряда факторов, влияющих на экономичность варианта системы энергоснабжения.

Факторы, которые учитываются при первом варианте системы энергоснабжения, влияющие на экономическую сторону вопроса:

стоимость подключения к внешней сети (за заявленную мощность); цена потребляемой электроэнергии от внешней сети; стоимость понижающей трансформаторной подстанции; стоимость воздушной линии электропередач (ЛЭП); стоимость потерь энергии при передаче от внешней сети до объекта; стоимость обслуживания и амортизации ЛЭП;

стоимость обслуживания и амортизации понижающей трансформаторной подстанции;

стоимость распределительного устройства (РУ) и комплектной трансформаторной подстанции (КТП) (внутренняя СЭС объекта);

стоимость обслуживания и амортизации РУ и КТП; стоимость котельной;

стоимость первичного источника энергии (топлива) для котельной; стоимость обслуживания и амортизации котельной.

Для первого варианта обеспечения объекта энергией затраты будут определяться выражением:

= Ен

где Ен - нормативный коэффициент эффективности; К1 - капиталовложения на ЛЭП; Ктр - капиталовложения на трансформаторную подстанцию; И1 - годовые эксплуатационные затраты на ЛЭП при централизованном электроснабжении; Итр - то же на трансформаторную подстанцию; Цэ - стоимость приобретённой энергии от внешней сети; ЦП - стоимость годовых дополнительных потерь электроэнергии при передаче; рн - коэффициент годовых эксплуатационных затрат на автономный источник; К2 - капиталовложения на автономную электростанцию; И2 - годовые эксплуатационные затраты на источник; Цт -затраты на топливо для АИ; Цк-затраты на топливо для котельной; См - затраты на заявленную мощность; Кк - капиталовложения на котельную; Ик - годовые эксплуатационные затраты на котельную; Цтк - затраты на топливо для котельной.

При обеспечении энергией по второму варианту затраты Е2 состоят из стоимости когенератора, стоимости первичного источника энергии

=РпК2 + И2 + Цт ,

где рн - коэффициент годовых эксплуатационных затрат на автономный источник; К2 - капиталовложения на автономную электростанцию; И2 - годовые эксплуатационные затраты на источник; Цт -затраты на топливо для АИ.

Решение задачи по определению границы технико-экономической эффективности применения местного электроснабжения и резервирования предложено в работе [6]. Однако, представленная методика не учитывает применение в качестве автономных источников когенераторов, в ней не рассматривается тепловая составляющая энергоснабжения.

Особенность когенератора заключается в том, что он помимо электрической энергии производит тепловую энергию. При чём производство тепловой энергии практически не влияет на величину электрического КПД, однако не всегда всё количество энергии может быть востребовано потребителем.

Рассмотрим возможные варианты соотношения объемов производимой тепловой и электрической энергий.

В случае, если тепловая энергия не востребована вообще, то применение коге-нерационной установки приведёт к снижению экономической эффективности проекта (стоимость когенератора больше на 20%, чем стоимость обычного АИ), поэтому основным допущением будет обязательное наличие потребителей тепловой энергии.

Экономическое обоснование целесообразности применения когенерационной установки.

Экономическое обоснование выполнено путем исследования выражения (3), которое определяет экономическую целесообразность применения источника совместного производства энергии.

Ен

Неравенство (3) не отражает величины потоков энергии по составляющим, то есть не позволяет определить экстремум при минимальном уровне потерь. Величина потерь энергии при передаче зависит от расстояния до объекта. Тогда, необходимо раскрыть составляющие выражения (3) для определения граничной длины линии электропередач Ьгр до объекта через значения потерь энергии.

В случае если объект расположен ближе граничного расстояния Ьгр, то использование автономных источников на базе когенераторов экономически нецелесообразно.

С учетом того, что первичный источник энергии для рассматриваемых вариантов систем энергоснабжения один, то можно перейти от величин стоимости топлива потребляемого источниками в год, к значениям расхода энергии.

При энергоснабжении объекта от когенератора:

Цт = Р-Г

где Ж - расход когенератора на производство всей энергии [л]; в - стоимость 1л. топлива [руб/л]; с - собственные электрические нужды когенератора (1,04... 1,09); Р - потребление электрической энергии объектом в год; б - потребление тепловой энергии объектом в год.

При работе когенератора тепловая энергия вырабатывается благодаря наличию теплообменников, т. е. стоимость топлива на выработку тепловой энергии равна нулю.

Тогда выражение (4) примет вид:

Цт =Ь-Ж-Р-

При энергоснабжении объекта по классической схеме

Цк =Р-ж-б,

где Ж - расход котельной на производство всей энергии[л]; в - стоимость 1л. топлива [руб/л]; с - собственные электрические нужды когенератора (1,04.1,09); б - потребление тепловой энергии объектом в год.

Топливопотребление тепловых машин зависит от количества производимой энергии и коэффициента полезного действия. Допустим, что суммарный КПД когене-ратора равен КПД котельной следовательно, если когенератор и котельная производят одинаковое количество тепловой энергии, то они потребляют одинаковое количество топлива.

В тоже время, когенератор должен производить большее количество энергии, чем котельная, так как он покрывает нужды потребителей электроэнергии (в первом варианте их покрывала внешняя сеть электроснабжения). В этом случае:

где в - стоимость 1 кг топлива, используемого источником; Ж - удельный расход тепловой машины для производства 1 Гкал; с - собственные электрические нужды когенератора (1,04.1,09); б - потребление тепловой энергии объектом в год; Р - потребление электрической энергии объектом в год.

Так же необходимо учитывать, что не всё количество тепловой энергии может быть востребовано потребителем в этом случае возникнет некоторое количество тепловой энергии А, которое необходимо будет отдать окружающей среде. В этом случае (7) примет вид:

Потери энергии А можно найти из условия идеального энергопотребления, т. е. объект будет потреблять столько энергии, сколько будет производиться когенератором. В этом случае справедливо выражение:

Л = -Р-,

л в+д

где цз - электрический КПД когенератора; цт- тепловой КПД когенератора. Тогда потери А можно представить в виде (10),

д=лР-в

Лз

Когенератор и котельная будут производить также тепловую энергию для покрытия её потерь на передачу. Но этими величинами можно пренебречь, так как согласно (6), в целевой функции будет использоваться разность затрат на потребление топлива при первом и втором варианте.

Если преобразовать выражение (3), используя выражения (4-10), то оно примет

вид:

Ен

Слагаемые целевой функции зависят от тепловой и электрической мощности и длинны линии электропередач внешней СЭС. Необходимо выразить их через значение Ьгр. Для преобразования функции (11) необходимо учесть следующие отношения:

И2 = Ен-Куд-Рмш;

К = куд- Ь ;

И = Рл-Кулд -Ь

ИтР = Ртр-КУлд ;

И 2 = Ен-Куд-Рмах;

Т

ц = р _ма^Сз; 4 7

^Э мах Э '

Цп =р

5

8760

Л2

т-С.

Р

V ин СО^У

Э 5

С = С Р К

См СЖ шах Кисп 4 '

где рл - коэффициент годовых эксплуатационных затрат на ЛЭП; ртр - коэффициент годовых эксплуатационных затрат на трансформатор; Сэ - стоимость энергии в сети; т - время максимальных потерь; Кууд - удельная стоимость когенератора [руб/кВт]; Кулд - удельная стоимость ЛЭП [руб/км]; Тмах - удельная стоимость ЛЭП [руб/км]; Тв - удельная стоимость ЛЭП [руб/км]; Рмах - удельная стоимость ЛЭП [руб/км]; С№ - стоимость одного кВт энергии при подключении (плата за заявленную мощность). Целевая функция примет вид:

т

8760

Ен -[ К^-Ь + Ктр + Кк ] + рл-К1д-Ь + Ртр-К^ + Рмаг-^-Т.'Сэ

2 (20) р Т I Р 1 л Р 1 + р--^ -т-Сэ + Сж-Рмах-кшси > РИ-К2 + Ен-Куд-Рмх +Ь-Ж Р-с +Лт--в

иис05ф

Лз

5

Решение выражения (20) определяет условия целесообразности применения варианта энергоснабжения с когененратором.

Для наглядности ниже приведены графики определяющие границу экономической целесообразности применения когенератора в качестве источника для объекта со средней электрической мощностью 1 МВт.

На рис. 1 представлены зоны разделенные функцией L(P,Q), которая определена условием равных экономических затрат на первой и второй вариант энергоснабжения объекта, т.е. если при заданном значении мощностей расстояние до внешней СЭС меньше Lгp (область над графиком функции L(P,Q)), то экономически эффективней применять ЛЭП, если расстояние больше, то - целесообразен второй вариант энергоснабжения.

Рис. 1. График равной экономичности вариантов электроснабжения объекта

Если приравнять левую и правую часть неравенства (20), то получим выражение определяющее равные затраты при первом и втором варианте энергоснабжения объекта. В этом случае зависимость граничного расстояния от потребляемых мощностей при условии равенства стоимости варианта энергоснабжения примет вид.

pнК 2 + ЕН-КУ +Ь W

Ц( P, Q) =-—р-^--

КУ (Ен + Рн) + Сэ

Я ин 0оф

-е (К + К )- Р К - Рмах Т С -С Р к

^И \*^ТР^КК> ГТР КТР 8760 1 в СЭ Сш мах исп

ку (Ен + Рн) + Г (.,Рмах ф)2т Сэ Я ин  008 ф

В зависимости от потребляемой электрической и тепловой энергии экономическая эффективность вариантов построения систем электроснабжения и энергоснабжения будет различна. Так же следует отметить, что при малых значениях потребляемой тепловой и электрической мощностей (Р =1 МВт, Q =2 МВт - наиболее вероятные значения мощностей для объектов ограниченной мощности) применение автономной ко-генерационной установки предпочтительнее на расстояниях более 15 км.

Выводы. Выбор варианта энергоснабжения объекта с применением когенера-ционной установки на объектах малой мощности зависит от нескольких факторов:

наличие потребителей тепловой энергии, т. е. возможность утилизировать максимальное количество дополнительно выработанной тепловой энергии; расстояние до объекта.

Эффективное использования когенерационной установки на объектах малой мощности предпочтительнее на расстояниях от внешней системы электроснабжения более 15 км.

Представленный подход к выбору варианта энергоснабжения объектов, позволяет определить границы применения когенерационных установок в зависимости от расстояния до системы энергоснабжения на этапе изыскательских работ, что позволяет повысить экономическую эффективность в процессе производства и потребления энергии.

Список литературы

1. Дильман М.Д., Филиппов С.П. Требования к топливной эффективности перспективных когенерационных установок // Известия академии наук. Энергетика. 2017. C. 102-111.

2. Кретюк Д.А., Прилуцкий А.В. «Предложения по модернизации системы энергоснабжения СО МО» // Сборник научных трудов учёных Пушкинского Военного Института КВ. СПб 2005. С. 342-348.

3. Кромин Ю.В. Способы снижения совокупных затрат дизельных и газопоршневых энергетических установок. Спб.: ОАО «Звезда энергетика», 2005. 106 с.

4. Постановление Правительства РФ от 15 апреля 2014 г. № 328 «Об утверждении государственной программы Российской Федерации «Развитие промышленности и повышение ее конкурентоспособности».

5. Перспективы внедрения возобновляемых источников энергии с участием МСП. [Электронный ресурс] URL: http://www.combienergy.ru/malaya-energetika (дата обращения: 12.10.2020).

6. Сухарь Г.А. Решение задач по определению границы технико-экономической эффективности применения местного электроснабжения и резервирования // Оптимизация сложных радиотехнических систем. Пушкин. ФВКА.2003. С. 153.

7. Трохин И. С. Мини-теплоэлектроцентрали с паровыми моторами XXI века // Новости теплоснабжения. 2012. 11. С. 22-25.

8. Энергетическая стратегия России на период до 2030 года (утв. распоряжением Правительства РФ от 13 ноября 2009 г. N 1715-р).

9. Фахразиев И.З. Зацаринная Ю.Н. Малая энергетика России. Анализ текущего состояния и перспективы развития // Вестник Казанского технологического университета, 2013. 20. С. 350-352.

Ильин Антон Викторович, канд. техн. наук, старший преподаватель, vkaamil.ru, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского,

Кретюк Денис Александрович, канд. техн. наук, старший преподаватель, vka a mil.ru, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского,

Соловьев Алексей Владимирович, преподаватель, vka a mil.ru, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского

TO THE QUESTION OF ECONOMIC SUBSTANTIATION OF APPLICATION OF COGENERA TION UNITS A T OBJECTS OF SMALL PO WER

A. V. Ilin, 0.А. Kretyuk, A. V. Solovev 289

The paper presents an approach to choosing the option of energy supply facilities -consumers of electric and thermal energy. The boundaries of the use of cogeneration plants are determined depending on the distance to the external power supply system.

Key words: cogeneration plants, construction of a power supply system, low-power facilities, feasibility study.

Ilin Anton Viktorovich, candidate of technical sciences, senior lecturer, vka@,mil.ru, Russia, St. Petersburg, Military-space academy of A.F. Mozhajsky,

Kretyuk Denis Aleksandrovich, candidate of technical sciences, senior lecturer, vka@,mil.ru, Russia, St. Petersburg, Military-space academy of A.F. Mozhajsky

Solovev Aleksey Vladimirovich, lecturer, vka@,mil.ru, Russia, St. Petersburg, Military-space academy of A.F. Mozhajsky

УДК 621.31

ИССЛЕДОВАНИЕ ПУСКОВЫХ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ ПРИ ПОНИЖЕННОЙ ЧАСТОТЫ

НАПРЯЖЕНИЯ СЕТИ

Ш.Т. Дадабаев, И.И. Исмоилов

Результаты исследования приведены в виде графиков переходных процессов асинхронного двигателя, которая показывает поведения данного типа машин при пуске от сети с пониженным частотой. Новизна исследования заключается в компьютерном моделировании асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором в абсолютных единицах и в детальном графическом выводе результатов. До этого для исследования данного вопроса в основном использовалось моделирование в относительных единицах и при этом вывод результатов получалось обобщенным, а не детальным.

Ключевые слова: асинхронный двигатель, частота напряжения сети, компьютерное моделирование, переходные процессы, электромагнитный момент, угловая скорость двигателя, MATЬAB/Simulink.

Мировой технический прогресс требует постоянного совершенствования работы и расширения функций механизмов и машин, что невозможно без управляемых приводов. Поэтому приводимые механизмы непрерывно улучшаются и управление усложняется. С давних пор было известно, что возможность легко регулировать скорость вращения асинхронных электродвигателей можно добиться только управлением частотой питающего их напряжения. Но теоретическую возможность широкого регулирования скорости вращения асинхронных электродвигателей, было трудно и дорого реализовать технически [3]. Из-за этого применение частотно-регулируемого электропривода в технике долгое время носило характер дорогостоящих систем управления. Сравнительно недавно эта теоретическая возможность была достигнута и реализована в широкой промышленной практике благодаря успехам электроники, а именно успехам силовой электроники. Асинхронный короткозамкнутый электродвигатель, является самым простым, технологичным и дешевым как в производстве, так и в эксплуатации. И потому этот тип двигателя считается наиболее привлекательным для разработчиков электрических приводов любого назначения [4, 6].

290