Орел, Орловская область, Россия
УДК 62 Инженерное дело. Техника в целом. Транспорт
ГРНТИ 44.29 Электроэнергетика
Выполнен поиск решения по усовершенствованию процесса обеспечения резервным энергоснабжением потребителей первой категории. Проведен сравнительный анализ всех доступных систем резервного энергоснабжения, включая те, что ранее не применялись для энергоснабжения наиболее ответственных потребителей. Предложены микротурбинные установки как наиболее эффективные и удобные в эксплуатации. В основе метода исследования лежит принцип сравнения, позволяющий выбрать наиболее подходящее решение. Результаты исследования являются принципиально новым решением для данной области исследования, так как ранее микротурбинные установки не применялись для резервного энергоснабжения потребителей первой категории. Представлены различные варианты резервного энергообеспечения, выполнена постановка задачи с учетом предъявляемых требований, описаны исследуемые объекты и представлены выводы по наилучшему варианту обеспечения теплоэлектроэнергией потребителей первой категории.
энергоснабжение, генератор, микротурбинная установка, исследование
Введение
К первой категории энергопотребления относятся наиболее важные потребители, перерыв в энергоснабжении которых может привести к серьезным последствиям, в частности крупным катастрофам и большому материальному ущербу [1].
К потребителям данной категории можно отнести:
- различные виды промышленности, в частности горнодобывающую, химическую, а также опасные производства;
- городские системы жизнеобеспечения, в частности насосные станции, котельные и т.п.;
- значимые объекты здравоохранения, к примеру медицинские учреждения, отделения реанимации, акушерские отделения;
- тяговые подстанции городского электрифицированного транспорта;
- установки связи, диспетчерские пункты городских систем, серверные помещения;
- устройства пожарной сигнализации, противопожарные устройства.
Потребители данной категории нуждаются в питании от нескольких независимых источников, например двух линий электропередач, функционирующих от отдельных силовых трансформаторов, генераторов и т.п. Для большей надежности допускается использование трех и более резервных источников. Главная задача – исключить возможные перерывы в электроснабжении потребителей первой категории [2].
Основная часть
Существует много вариантов обеспечения резервной электроэнергией: ветроэлектрические установки, солнечные электростанции, источники бесперебойного питания, бензиновые и дизельные генераторы и т.д. Чаще всего, в качестве резервных источников энергоснабжения для энергопотребителей первой категории используются различные виды генераторов (дизельные, бензиновые, газовые), которые располагаются внутри здания или снаружи в морозостойких шумозащитных контейнерах. Однако данные способы обеспечения электро-тепло энергией уже значительно устарели и не являются эталоном качества и надежности [3].
В настоящее время к источникам аварийного питания, получившим широкое распространение, можно отнести:
1. Бензиновый генератор - устройство, преобразующее энергию, вырабатываемую в процессе сгорания бензина в двигателе внутреннего сгорания в электрическую.
Бензиновый генератор обладает следующими достоинствами: возможностью работы при отрицательных температурах (на открытом воздухе), низким рабочим шумом (50-70 дБ), наличием топлива, компактностью, уменьшенным весом, низкой стоимостью.
Однако имеет целый ряд недостатков, например: невысокий моторесурс, необходимость проведения регулярного ТО, высокие требования к качеству топлива и др. [4].
2. Дизельный генератор преобразует механическую энергию, генерируемую в двигателе во время сгорания дизельного топлива, в электрическую.
Дизельный генератор обладает рядом достоинств: возможностью работы в любых погодных условиях (на открытом воздухе), большим ресурсом двигателя и временем непрерывной работы (промышленные дизель-генераторы рассчитаны на непрерывную работу), большой эффективностью и экономичностью (по сравнению с бензиновым генератором).
Дизельный генератор имеет меньшее количество недостатков, чем бензиновый, однако они не менее существенны. К примеру, такие устройства тяжело завести при температуре меньше –5 °C. Также, если к генератору подключено меньше 40% нагрузки (от номинала), то двигатель перестанет работать, да и стоимость таких генераторов выше [5].
3. Газогенератор преобразует механическую энергию, генерируемую в двигателе при сжигании газообразного топлива, в электричество.
Обладает рядом преимуществ: возможностью размещения и дома и на улице, значительным ресурсом двигателя и наибольшим (из генераторов) временем непрерывной работы, а также меньшими вредными выбросами в атмосферу бесшумной работой и высоким КПД.
Основными недостатками являются: многокомпонентность функциональных частей, множество взаимозависимых элементов, необходимость постоянного поддержания работы путем загрузки топливного сырья.
4. Источник бесперебойного питания (ИБП) обеспечивает резервной энергией благодаря дополнительным источникам - батареям. Помимо резервирования он также выполняет функцию улучшения качества электроэнергии, обеспечивая ее характеристики в определенных пределах [6].
Обладает рядом преимуществ: встроенной функцией автоматического включения (без дополнительных затрат на ее реализацию), экологичностью, стабилизацией питающего напряжения, защитой от скачков напряжения (на основном входе), фильтрацией сетевых помех.
Основными недостатками ИБП являются: ограниченная мощность до 5 кВт, необходимость замены батареи каждые 3-5 лет, непродолжительное время работы, шум при работе, высокая стоимость. Кроме этого, их нельзя размещать на открытом воздухе или в неотапливаемых помещениях [7].
5. Солнечная электростанция — это комплекс устройств, вырабатывающих электрическую энергию из солнечного света.
Обладает рядом достоинств, например: бесплатное топливо, неограниченное время автономной работы, доступность, бесшумная работа, экологичность.
Однако недостатков значительно больше: производительность электростанции зависит от климатических условий и времени суток, требуется поверхность для установки солнечных модулей, стоимость оборудования высока. Зависимость от времени суток полностью компенсируется использованием аккумуляторных батарей, но их необходимо заменять каждые 3-5 лет, а солнечные панели постоянно очищать от загрязнений.
6. Ветровая электростанция – несколько ветрогенераторов, объединенных в единую сеть. Ветроэлектростанции используют энергию ветра для выработки электроэнергии. Для стабильньго получения электричества установкой данного типа, требуется ветер со скоростью не менее 10 м/с. Принимая во внимание статистику за год, в большинстве широт, пригодных для проживания, скорость ветра равняется максимум 2-4 м/с. Это свидетельствует о том, что ветроэлектрическая установка большую часть времени, элементарно не будет работать.
Достоинства: экологичность, неисчерпаемость, возобновляемость [8].
Недостатки: нестабильность, высокая стоимость электрогенераторов, шумность, помехи для систем связи.
7. Менее широкое распространение в России получили микротурбинные установки (МТУ) (рис.1). Они позволяют стабильно вырабатывать качественную энергию из топлива различных видов на месте потребления или в непосредственной близости. Использование выхлопных газов для подогрева сетевой воды позволяет использовать микротурбинные установки не только для получения электричества, но и для выработки тепловой энергии [9].
 |
Рис. 1. Общий вид и компоненты МТУ
Описание предложенного решения
Основной и наиболее наукоёмкой частью МТУ является турбогенератор (рис. 2, 3). В отличии от турбоагрегатов, созданных на основе авиационных двигателей, он имеет ряд существенных отличий. В частности, эти отличия обусловлены:
- количественным сокращением трудоёмких в изготовлении деталей, узлов и агрегатов, требующих высокой точности;
- применением в конструкции решений, использующихся в наземных силовых установках, например: рекуператор, гидродинамический подшипник скольжения, низкоэмиссионная камера сгорания;
- низкими затратами на регулярное обслуживание;
- низкой степенью повышения давления на выходе из компрессора;
- отсутсвием потребности в проведении регулярных ремонтных работ [10].
 |
Рис. 2. Общий вид турбоагрегатора:
1- корпус; 2 - корпус статорной части; 3 - маслопровод (подвод масла);
4 - воздухопровод для поддува лабиринтного уплотнения;
5 – диффузор; 6 - сопловой аппарат; 7 - жаровая труба; 8 - свеча зажигания;
9 - топливный коллектор; 10 - колесо турбины; 11- колесо компрессора;
12 - лабиринтное уплотнение; 13 - гидродинамический подшипник;
14 - статорные обмотки; 15 - горловина слива масла;
16 - постоянные магниты; 17 - слив масла; 18 – ротор;
19 - керамический подшипник качения
Самая важная часть турбогенератора – ротор. Он изготавливается из стали высокой прочности и размещает на себе:
- втулку высокоскоростного синхронного генератора с 2-мя запрессованными постоянными магнитами;
- колесо одноступенчатой центростремительной турбины, изготовленное из термопрочного сплава, закрепленное на основной части ротора с помощью сварки трением.
- колесо одноступенчатого центробежного компрессора [11].
Рис. 3. Схема движения газовоздушной смеси внутри турбогенератора.
По сравнению с генераторами другого типа, микротурбинные установки обладают большим количеством преимуществ, в частности:
- возможностью эксплуатации не только в автономном режиме, но и одновременно с сетью;
- возможностью выдерживать скачки нагрузки от 0 до 100%;
- большим интервалом между регулярным техническим обслуживанием;
- возможностью непрерывно функционировать в течении длительного времени как при низких нагрузках, так и в режиме холостого хода;
- отсутствием необходимости в частых затратах на смазочные материалы;
- низким износом в следствии отсутствия большого количества двужущихся частей;
- возможностью функционировать на топливе с минимальной концентрацией метана;
- практически полным отсутствие вибраций [12].
Выводы
На основании всей представленной информации можно сделать вывод, что микрогенераторы являются лучшим решением для обеспечения резервным энергоснабжением потребителей первой категории. Именно МТУ способны лучшим образом обеспечить жизненно важные отрасли (телекоммуникацию, финансы, непрерывное производство) и системы жизнеобеспечения бесперебойной энергией. Использование микротурбин позволит не только обеспечить получение энергии высокого качества, но и извлечь экономическую выгоду, а также сберечь окружающую среду, что не маловажно в текущих условиях непрерывного загрязнения экологии.
1. Хохлов, А. Распределенная энергетика в России: потенциал развития / А. Хохлов, Ю. Мельников, Ф. Веселов [и др.]. - Москва: Энергетический центр Московской школы управления СКОЛКОВО, 2017.
2. Иванов, И. В. Перспективы использования газотурбинных технологий в энергетике России / И. В. Иванов, С. А. Струговец, А. Ю. Чечулин. - Уфа : УГАТУ, 2009. - С. 26-31.
3. Турышева, А.В. Автономное энергоснабжение нефтегазодобывающих предприятий / А. В. Турышева // Санкт-Петербург: Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», 2015. - С. 94-96.
4. Терехин, А. Н. Перспективы развития автономных источников энергоснабжения на базе газопоршневых и газотурбинных двигателей / А. Н. Терехин, И. В. Слесаренко, А. В. Горланов [и др.]. // Двигателестроение. - 2007. - № 1. - С. 30-33.
5. Быстрицкий, Г. Ф. Установки автономного и резервного электроснабжения / Г. Ф. Быстрицкий // Промышленная энергетика. - 2008. - № 2. - С. 13-23.
6. Гусаров, В. А. Создание микрогазотурбинного двигателя на основе турбокомпрессора ДВС / В. А. Гусаров, Я. В. Кулагин // Вестник Саратовского государственного технического университета. - 2015. - № 3. - 70-75 с.
7. Гусаров, В. А. Разработка газотурбинного двигателя, работающего на биогазовом топливе / В. А. Гусаров, Я. В. Кулагин // Вестник федерального научного агроинженерного центра ВИМ. - 2013. - №1. - С. 68-76.
8. Илюшин, С. А. Внедрение систем телемеханики с возобновляемыми источниками электропитания / С. А. Илюшин, С. А. Лавров // Автоматизация в промышленности. - 2015. - № 11. - С. 8-12.
9. Делков, А. В. Проблемы и перспективы создания установок резервного электроснабжения на базе газотурбинных двигателей / А. В. Делков, М. Г. Мелкозеров // Актуальные проблемы авиации и космонавтики. - 2010. - №6 - С. 80-81.
10. Гусаров, В. А. Газотурбинные технологии для автономного электроснабжения / В. А. Гусаров, Я. В. Кулагин // Газотурбинные технологии. - 2012. - № 7 - С. 36-38.
11. Qiang, Ya. Smart Power Distribution Systems: Control, Communication and Optimization / Qiang Yang, Ting Yang, Wie Li. - Elsevier, Academic Press, 2019. - 630 с. - ISBN: 9780128121542.
12. Backman, J. L. H. Small and Micro Combined Heat and Power (CHP) Systems // Microturbine systems for small combined heat and power (CHP) applications / J. L. H. Backman, J. Kaikko. - Текст : электронный. - URL: https://www.researchgate.net/publication/284506124/. - (дата обращения: 20.02.2021). - DOI:https://doi.org/10.1533/9780857092755.2.147.
