«УДК 620.9 ББК 31.27 С78 Электронный учебно-методический комплекс по дисциплине Методы и средства энергои ресурсосбережения подготовлен в рамках инновационной образовательной программы Создание инновационного центра ...»

Соответственно мощность потока N, сбрасываемого из верхнего бьефа в нижний, где Q – расход воды, м3/с; с – плотность воды (1000 кг/м3); g – ускорение свободного падения (м/с2).

Полная энергия сбрасываемой воды определится как где t – время, с.

Разделив реку в нескольких створах плотинами, можно по формулам (2.2), (2.3) получить энергетический потенциал реки. Следует отметить, что предложенная схема расчета упрощена, так как часть напора теряется при движении воды от водозабора до турбины, речной сток неравномерен и меМетоды и средства энерго- и ресурсосбережения. Учеб. пособие -81ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ И РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ И РАСПРЕДЕЛЕНИИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ няется, часть воды сбрасывается вхолостую и не проходит через турбину.

В табл. 2.5 представлен потенциал некоторых крупнейших рек России и производство электроэнергии на 1995 г.

Экономический Использованный Экономический Использованный На гидроэлектростанции большая часть воды, проходящей через плотину, по водоводам поступает к турбинам. Турбина, вращаемая потоком, переводит гидравлическую энергию в механическую энергию вращения рабочего колеса турбины. Рабочее колесо турбины соединено валом с ротором генератора. В генераторе происходит преобразование механической энергии в электрическую. КПД генератора напрямую зависит от напора воды, а следовательно, управление водными ресурсами является важным моментом в вопросе энерго- и ресурсосбережения на гидростанции.

Вопрос рационального использования водных ресурсов эффективно решается с помощью водного хозяйства. Его главная задача – трансформировать естественный гидрограф реки и приспособить его к графикам потребностей водопотребителей и водопользователей. Основным регулятором стока является водохранилище (искусственный водоем, образующийся перед плотиной). Объем водохранилища является полным объемом Vполн, если уровень воды соответствует нормальному подпорному уровню (НПУ). Соответствующий объем водохранилища от дна до отметки УМО называется мертвым объемом Vм.о. Разность между полным и мертвым объемами составляет полезный объем водохранилища:

Выбор оптимального размера водохранилища (высоты плотины) представляет собой сложную комплексную задачу. С одной стороны, водохранилище должно иметь вместимость (объем), достаточный для того, чтобы запасти в нем возможно большую часть стока половодья и паводков и расходовать этот запас в межень, когда естественные расходы малы и воды не хватает для нужд потребителей. При пропуске катастрофических половодий Методы и средства энерго- и ресурсосбережения. Учеб. пособие -82ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ И РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ И РАСПРЕДЕЛЕНИИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ и паводков техническими условиями разрешается кратковременно повышать уровень, превышающий НПУ. Уровень, до которого разрешается такой подъем, называется форсированный подпорный уровень (ФПУ). В большинстве случаев водохранилище имеет многоцелевой характер. При разработке схемы управления гидроресурсами (графики отпуска и потребления воды, мощности и электрической энергии) должны быть учтены интересы: со стороны поставщиков воды: бассейновые водохозяйственные управления; со стороны поставщиков электроэнергии: РАО «ЕЭС России»; со стороны потребителей воды, мощности и энергии: промышленные, сельскохозяйственные, коммунально-бытовые и другие потребители энергетических ресурсов; бытовые и другие потребители энергетических ресурсов; со стороны прочих организаций: органы федерального, регионального и местного самоуправления, предприятия и организации по обеспечению защиты от повреждений, затоплений, подтоплений и санитарного расхода воды во все времена года с учетом экологических требований и интересов коммунально-бытовых потребителей.

Существует ряд проблем, которые можно условно разнести по разным уровням уравнения:

расчеты балансов энергии и мощности и их перетоков производятся только в физических единицах, без денежного выражения, что не позволяет оценить экологическое состояние производителей энергии;

отсутствие механизма учета режимного эффекта ГЭС;

недостаточный учет экологических требований в правилах водопользования;

в правилах водопользования недостаточно рассмотрены вопросы параллельно работающих каскадов ГЭС, расположенных на одной и на разных реках;

отсутствие согласованного механизма принятия решении по наиболее полному и эффективному использованию водноэнергетических ресурсов рек на различных интервалах времени при соблюдении экологических требований;

технико-экономическое обоснование балансов энергии и мощности каждой территории и энергосистеме отдельно на различных интервалах времени с учетом режимов энергосистемы;

недостаточная точность прогнозов расходов воды, отсутствие правил водопользования, разработанных с учетом рыночных отношений между всеми водопользователями, производителями и потребителями электроэнергии;

отсутствие методик оценки и механизма взыскания ущерба при несогласованных действиях или отклонениях от них различными организациями и органами управления.

Особенностью управления ГЭС по сравнению с ТЭС является необходимость учета ряда специфических факторов:

неравномерность годового стока рек и необходимость его основного использования в зимний период (зимний максимум нагрузки);

Методы и средства энерго- и ресурсосбережения. Учеб. пособие -83ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ И РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ И РАСПРЕДЕЛЕНИИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ непосредственное влияние водного режима на большое количество объектов выше и ниже створа ГЭС и, следовательно, необходимость учета интересов большого количества субъектов (водопользователи, пароходство, рыбное хозяйство и т. д.);

инерционность водных режимов;

влияние водноэнергетического режимов каждой ГЭС на другую ГЭС данного каскада и на другие каскады ГЭС, особенно, когда реки, на которых они выполнены, сливаются вместе в одну.

Кроме того, зеркало водохранилища должно быть возможно минимальным, чтобы избежать больших затоплений и уменьшить негативное влияние водохранилища на окружающую среду. В табл. 2.6 приведены данные по некоторым наиболее крупным водохранилищам России.

Из таблицы видно, что Саяно-Шушенское водохранилище имеет минимальное зеркало водохранилища при существенной его емкости. Это один из важных факторов при оценке экономической эффективности ГЭС.

При энергетическом освоении какого-либо водотока стремятся к каскадному использованию его водных ресурсов. В этом случае на реке возводятся последовательно несколько гидроузлов, решающих общую задачу рационального регулирования стока реки. Это повышает степень зарегулированности стока, а следовательно, позволяет увеличивать мощность и выработку энергии ГЭС каскада.

Период аккумуляции воды в водохранилище сопровождается ростом уровня верхнего бьефа и называется наполнением водохранилища, период отдачи накопленной воды – сработкой водохранилища. На рис. 2.3 дан условный график сработки – наполнения водохранилища, на котором по оси Z в.б отложены уровни воды, а по оси t – время.

Методы и средства энерго- и ресурсосбережения. Учеб. пособие -84ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ И РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ И РАСПРЕДЕЛЕНИИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ Рис. 2.3. Условный график сработки – наполнения водохранилища Существует несколько видов регулирования стока: многолетнее, годичное, суточное. Годичное (сезонное) преобразует сток в течение одного года. Многолетнее регулирование, когда в водохранилище хранится избыток стока многоводных лет, чтобы использовать этот избыток в маловодные годы (рис. 2.4). Пример такого водохранилища – Братское, самое большое водохранилище в России объемом 169 км3. При суточном регулировании преобразуется сток в течение одних суток в периоды суточных утренних и вечерних максимумов нагрузки. В большинстве случаев водохранилища совмещают в себе функции сезонного и многолетнего регулирования.

Рис. 2.4. Общая схема многолетнего регулирования и график уровня верхнего бьефа Если объем притока превышает объем сброса, следовательно, это годы аккумулирования (наполнения) водохранилища. Когда объем сброса превышает объем притока, то можно говорить о сработке водохранилища. Из рис. 2.2 видно, что потребовалось 5 лет, чтобы наполнить водохранилище до отметки нормального уровня.

Методы и средства энерго- и ресурсосбережения. Учеб. пособие -85ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ И РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ И РАСПРЕДЕЛЕНИИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ При анализе притоков и расходов гидроресурса в стоке Красноярской ГЭС было выявлено, что самый маловодный год за последние 20 лет – это 1990 год, приток составил всего 73,3 км3. Пик притока воды 117,2 км3 пришелся на 2006 год. Вхолостую было сброшено 17,7 км3, что приблизительно эквивалентно 4 млрд кВт ч. Следует отметить, что если бы не было каскада ГЭС на Енисее, то такой огромный приток создал бы массу проблем для водопользователей и только хорошо зарегулированный сток позволил избежать наводнения. Оптимизация графиков наполнения и сработки водохранилищ призвана обеспечить максимально высокие уровни водохранилищ многолетнего и суточного регулирования. Поддержание оптимальных сроков наполнения водохранилищ сезонного регулирования позволяет повысить КПД гидрогенератора. Важными вопросами при управлении водными ресурсами также являются: своевременное уточнение, разработка новых правил использования водных ресурсов совместно с федеральными органами МПР с учетом интересов других пользователей; участие в разработке федеральных законов и региональных нормативных документов, обеспечивающих приоритетное право на использование гидроресурсов водохранилищ ГЭС.

2.2.2. Управление расходом электроэнергии на собственные нужды ГЭС Экономия электроэнергии на собственные нужды на гидростанциях обеспечивается снижением расходов на технологию производства, отопление и освещение.

Снижение расходов электроэнергии на технологию производства возможно за счет оптимизации режимов охлаждения оборудования.

1. Снижение расходов электроэнергии на технологию производства осуществляется:

за счёт оптимизации режимов охлаждения оборудования (вода, масло, воздух; например, охлаждение обмотки статора гидрогенератора);

уменьшения времени работы компрессорных установок вследствие уменьшения протечек в системах воздухообеспечения в ОРУ или замены ВВБ на элегазовые выключатели, уменьшения времени работы гидрогенератора в режиме синхронного компенсатора.

2. Снижение расходов электроэнергии на отопление обеспечивается:

выбором оптимального режима отопления машинного зала, производственных и служебных помещений;

автоматизацией контроля и управления температурным режимом помещений;

обеспечением качественного ремонта теплового контура всех зданий и помещений;

управлением режимом работы вентиляции помещений (зимний режим – замкнутый, летний – разомкнутый);

Методы и средства энерго- и ресурсосбережения. Учеб. пособие -86ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ И РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ И РАСПРЕДЕЛЕНИИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ использованием в качестве отопления машинного зала работы системы охлаждения генераторов (разомкнутый цикл системы охлаждения допускается инструкцией по эксплуатации).

3. Снижение расходов электроэнергии на освещение осуществляется путем:

оптимизации уровня освещения в соответствии с нормативами;

автоматизации управления освещением наружным и помещений большой площадью (машзал, смотровые галереи плотины, кабельное хозяйство и т. д.);

своевременной чистки светильников, витражей;

замены светильников на современные с высокой светоотдачей.

Потери электрической энергии в электрических сетях могут происходить в основном и вспомогательном электрооборудовании на подстанциях и линиях электропередач. Доля потерь ЭЭ в электроэнергетическом балансе России за 1970–1985 гг. по [17] представлена в табл. 2.7.

В укрупненном виде все потери можно разделить на переменные (нагрузочные), условно-постоянные (постоянные на длительных интервалах времени) и постоянные (не зависящие от нагрузки).

Стратегия управления потерями электроэнергии в электрической сети в целом и по составляющим ее элементам, в объеме оперативного или административного управления, состоит в следующем:

оценка нормативных потерь электроэнергии;

оценка фактических потерь электроэнергии;

подбор существующих, экономически обоснованных мероприятий по снижению потерь ЭЭ;

разработка новых и внедрение пилотных образцов;

разработка экономически целесообразных мероприятий по снижению потерь;

контроль фактической эффективности внедренных мероприятий и при необходимости их доработка;

тиражирование наиболее эффективных мероприятий.

Нормативный уровень потерь электроэнергии по регионам России по состоянию 2000 г. представлен в табл. 2.8 [18].

Потери ЭЭ рассчитывают на разных уровнях управления и на различных временных интервалах. Классификация задач по анализу и расчету потерь электроэнергии по аналогии с общей классификацией задач ОАСУ «Энергия» представлена в табл. 2.9.

Методы и средства энерго- и ресурсосбережения. Учеб. пособие -87ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ И РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ И РАСПРЕДЕЛЕНИИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ Вопросы анализа и снижения потерь энергии в электрических сетях регламентированы в официальных документах, например [19], и широко освещены в специальной литературе, например [20, 21, 22, 23, 24, 25] и т. д.

Для практического анализа и снижения потерь ЭЭ необходимо установить следующие основные составляющие анализа:

терминология (см. терминологический словарь);

характерные задачи снижения;

структура баланса электроэнергии на шинах подстанции;

структура потерь;

понятие о реактивной энергии.

Потребление Нагрузочные потери в электри- Потери холостого хода Потери на корону Наименования федерального и регионального уровней управления последние годы постоянно меняются, поэтому они в данной таблице не приводятся.

Методы и средства энерго- и ресурсосбережения. Учеб. пособие -88ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ И РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ И РАСПРЕДЕЛЕНИИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ Сфера управления Федеральная Региональная Предприятие Для расчета потерь электроэнергии необходимо осуществить:

1) выбор критериев для проверки правильности эксплуатации электрических сетей по территории, классам напряжения, элементам схем электроснабжения и т. д.;

2) выбор схемы развития электрических сетей и места установок компенсирующих устройств и расчет технико-экономических показателей;

3) выбор основного режима электроснабжения на заданный период, составление графика ремонтов ЛЭП, проверка эффективности планов внедрения организационно-технических мероприятий по сокращению потерь;

4) выбор оптимального режима энергосистемы, выдача графиков выработки электроэнергии электростанциям и коэффициентов трансформации трансформаторов;

5) оперативную коррекцию режимов системы, корректировку графиков загрузки электростанции;

6) проверку правильности ведения режима;

7) выявление мест повышенных потерь для пп. 5 и 8, сравнение плановых и фактических потерь, составление баланса производства и потребления энергии;

8) составление структуры потерь, определение факторов, влияющих на величину потерь, разработка новых методов расчета потерь;

9) расчет транзитных потерь при обмене электроэнергией между системами и стоимости этих потерь.

Местом возникновения потерь ЭЭ являются все виды оборудования потребляющего ЭЭ на подстанциях и в сетях.

Важнейший способ анализа потерь ЭЭ – составление и изучение баланса электроэнергии и баланса потерь ЭЭ, а также их структуры.

Расход электроэнергии на подстанциях разделяется на следующие составляющие:

расход электроэнергии на собственные нужды;

расход электроэнергии на хозяйственные нужды;

расход электроэнергии на производственные нужды.

Структура баланса ЭЭ на подстанции показана на рис. 2.5.

Основными составляющими баланса ЭЭ на шинах подстанции являются:

Wтр – электроэнергия, проходящая через шины подстанции транзитом для потребителя;

Wсн – электроэнергия, потребленная собственными нуждами подстанции;

Wпн – электроэнергия, потребленная производственными нуждами подстанции;

Wхн – электроэнергия, потребленная хозяйственными нуждами подстанции;

Wэс – суммарные потери электроэнергии на подстанции;

Wсэс – потери электроэнергии в электрической сети подстанции.

На подстанции могут существовать вторичные ресурсы (тепло силовых трансформаторов, компрессоров на подстанциях с воздушными выключателями, отработанное трансформаторное масло из трансформаторов и масляных выключателей и т. д.), но они являются тепловыми и могут входить в топливно-тепловой баланс нагрузок и потерь на подстанциях.

Подстанция Расход Рис. 2.5. Укрупненная структура баланса электрической энергии Методы и средства энерго- и ресурсосбережения. Учеб. пособие -90ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ И РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ И РАСПРЕДЕЛЕНИИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ Уравнения электрического баланса на главных шинах подстанции:

приход электроэнергии на главные шины подстанции расход электроэнергии с главных шин подстанции суммарный расход электроэнергии на подстанции В более точном анализе балансов ЭЭ и потерь ЭЭ необходимо учитывать наличие на шинах подстанции напряжений разных уровней.

2.3.4. Потребление электроэнергии на подстанциях В суммарное потребление электроэнергии непосредственно на подстанции можно включить расход электроэнергии на собственные нужды, производственные нужды и хозяйственные нужды [22].

Расход электроэнергии на собственные нужды электростанций и подстанций – потребление электроэнергии приемниками, обеспечивающими необходимые условия функционирования электростанций и подстанций в технологическом процессе выработки, преобразования и распределения электрической энергии:

охлаждение трансформаторов и автотрансформаторов;

обогрев, освещение и вентиляция технологических помещений (ОПУ, ЗРУ, ОВБ, аккумуляторной, компрессорной, насосной пожаротушения, здания вспомогательных устройств синхронных компенсаторов, проходной);

освещение территории;

зарядно-подзарядные устройства аккумуляторных батарей;

питание оперативных цепей и цепей управления (на подстанциях с переменным оперативным током);

обогрев оборудования распределительных устройств (РУ) ячеек КРУН, приводов выключателей и т. д.

Расход электроэнергии на хозяйственные нужды электрических сетей – потребление электроэнергии вспомогательными и непромышленными подразделениями, находящимися на балансе электростанций и предприятий электрических сетей, необходимой для обслуживания основного производства, но непосредственно не связанное с технологическими процессами производства тепловой и электрической энергии на электростанциях, а также с передачей и распределением этих видов энергии:

ремонтные, механические и столярные мастерские;

Методы и средства энерго- и ресурсосбережения. Учеб. пособие -91ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ И РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ И РАСПРЕДЕЛЕНИИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ масляное хозяйство;

автохозяйства, базы механизации;

административные здания предприятий и районов электрических сетей и помещения различного назначения:

монтажные, наладочные и экспериментальные работы, капитальный, средний и аварийно-восстановительный ремонты зданий и оборудования, выполняемые персоналом электросетей или персоналом энергосистемы;

служебные и жилые помещения оперативного персонала подстанций и автоматизированных станций с дежурством на дому и т. д.

В состав электроприемников производственных нужд подстанций входят следующие потребители электроэнергии:

системы освещения – все виды внутреннего и наружного освещения, общего и местного назначения (активное и реактивное сопротивления) – нагрев с выделением тепла в атмосферу и потери энергии со световым потоком;

системы сжатого воздуха – компрессоры (активное и реактивное сопротивление) – на подстанциях с воздушными выключателями – утечки сжатого воздуха, расход воздуха при неплановой работе воздушных выключателей.

2.3.5. Нормативные методы расчетов потерь электроэнергии Структура баланса потерь электроэнергии приведена на рис. 2.6.

Абсолютные потери ЭЭ Wан – абсолютные нормативные потери ЭЭ; Wадоп – абсолютные дополнительные потери ЭЭ.

Кроме того, каждую из двух составляющих в правой части формулы (2.7) можно представить в виде Методы и средства энерго- и ресурсосбережения. Учеб. пособие -92ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ И РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ И РАСПРЕДЕЛЕНИИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ Далее общее значение потерь ЭЭ можно представить в виде суммы технологических и коммерческих потерь ЭЭ:

где Wат – технологические потери, состав которых приведен выше; Wаком – коммерческие потери.

2.3.6. Методы расчета потерь в электрических сетях [19] Как сказано выше, потери можно разделить на переменные (технологические), условно-постоянные (потери на корону в ЛЭП-220 кВ и выше) и постоянные (потери холостого хода, утечки через изоляцию и т. д.):

Условно-постоянные потери включают в себя:

потери на холостой ход силовых трансформаторов (автотрансформаторов);

потери на корону в воздушных линиях (ВЛ) 110 кВ и выше;

потери в компенсирующих устройствах (КУ) (синхронных компенсаторах, батареях статических конденсаторов, статических тиристорных компенсаторов), шунтирующих реакторах (ШР), соединительных проводах и сборных шинах распределительных устройств подстанций (СППС);

потери в системе учета электроэнергии (ТТ, ТН, счетчиках и соединительных проводах);

потери в вентильных разрядниках, ограничителях перенапряжения;

потери в устройствах присоединений высокочастотной связи (ВЧ связи);

потери в изоляции кабелей;

потери от токов утечки по изоляторам ВЛ;

расход электроэнергии на собственные нужды (СН) подстанций (ПС) и на плавку гололеда.

2.3.7. Потери холостого хода электрооборудования Потери электроэнергии холостого хода (xx) в силовом трансформаторе (автотрансформаторе) определяются на основе приведенных в паспортных данных оборудования потерь мощности холостого хода Рхх по формуле Методы и средства энерго- и ресурсосбережения. Учеб. пособие -93ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ И РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ И РАСПРЕДЕЛЕНИИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ где Т pi – число часов работы оборудования в i -м режиме.

Прочие условно-постоянные потери в укрупненном виде можно определить по таблицам в [19] по разным действующим факторам.

Потери электроэнергии в разрядниках вентильных (РВ), ограничителях перенапряжений (ОПН), измерительных трансформаторах тока (ТТ) и напряжения (ТН) и устройствах присоединения ВЧ связи (УПВЧ) в зависимости от мощности устройства приведены в табл. 2.10.

напряжения, кВ

РВ ОПН ТТ ТН УПВЧ

Потери электроэнергии в синхронных компенсаторах представлены в табл. 2.11.

Удельные потери мощности на корону даны в табл. 2.12.

опоры, число сечение проводов Методы и средства энерго- и ресурсосбережения. Учеб. пособие -94ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ И РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ И РАСПРЕДЕЛЕНИИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ Методы расчета нагрузочных потерь:

Метод оперативных расчетов состоит в расчете потерь электроэнергии по формуле где n – число элементов сети; tij – интервал времени, в течение которого токовую нагрузку I ij i -го элемента сети с сопротивлением Ri принимают неизменной; m – число интервалов времени.

Токовые нагрузки элементов сети определяются на основе данных диспетчерских ведомостей, оперативных измерительных комплексов (ОИК) и автоматизированных систем учета и контроля электроэнергии (АСКУЭ).

Метод средних нагрузок включает расчет потерь электроэнергии по формуле где Рср – потери мощности в сети при средних за расчетный интервал нагрузках узлов;

Метод числа часов наибольших потерь мощности состоит в расчете потерь электроэнергии по формуле где Pmax – потери мощности в режиме наибольшей нагрузки сети; 0 – относительное число часов наибольших потерь мощности, определенное по графику суммарной нагрузки сети за расчетный интервал.

Относительное число часов наибольших потерь мощности определяется по формуле где Pmax – наибольшее значение из m значений Pi в расчетном интервале.

Методы и средства энерго- и ресурсосбережения. Учеб. пособие -95ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ И РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ И РАСПРЕДЕЛЕНИИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ Коэффициент kк в формуле (2.16) принимают равным 1,03. Для сетей 6–20 кВ и радиальных линий 35 кВ вместо значений Рi и Pmax в формуле (2.17) можно использовать значения тока головного участка I i, I max. В этом случае коэффициент kк принимают равным 1,0.

Допускается определять относительное число часов наибольших потерь мощности за расчетный интервал по формуле Значения м и N рассчитывают по формулам:

где Wм.р – отпуск электроэнергии в сеть в расчетном месяце.

При расчете потерь за месяц N = 1.

При отсутствии графика нагрузки значение 0 определяется по формуле Метод оценки потерь по обобщенной информации о схемах и нагрузках сети применяется для расчета потерь электроэнергии в электрических сетях напряжением 0,4 кВ.

Нагрузочные потери электроэнергии в сети 0,4 кВ могут быть рассчитаны следующими способами:

оценка потерь электроэнергии на основе зависимостей потерь от обобщенной информации о схемах и нагрузках сети;

расчет потерь электроэнергии в линиях 0,38 кВ в зависимости от величины падения напряжений;

поэлементный расчет потерь мощности и электроэнергии с использованием схемы электрической сети и ее режимных параметров.

Потери электроэнергии в линии 0,38 кВ с сечением головного участка Fг, мм2, отпуском электрической энергии в линию W0,38 за период Д, дней, рассчитывают в соответствии с методом оценки потерь электроэнергии на Методы и средства энерго- и ресурсосбережения. Учеб. пособие -96ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ И РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ И РАСПРЕДЕЛЕНИИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ основе зависимостей потерь от обобщенной информации о схемах и нагрузках сети по формуле где L – эквивалентная длина линии; tg – коэффициент реактивной мощности; k – коэффициент, учитывающий характер распределения нагрузок по 0,38 длине линии и неодинаковость нагрузок фаз.

Относительные потери электроэнергии (%), обусловленные допустимой погрешностью системы учета электроэнергии, определяются как предельное значение величины допустимого небаланса электроэнергии в целом по ЭСО с учетом данных за базовый период:

где i ( j ) – погрешность измерительного канала поступившей (отпущенной) активной электроэнергии по ЭСО; d i ( d j ) – доля поступившей (отпущенной) активной электроэнергии по ЭСО; n – количество точек учета, фиксирующих поступление электроэнергии; m – количество точек учета, фиксирующих отпуск электроэнергии крупным потребителям; k 3 – количество точек учета трехфазных потребителей; k1 – количество точек учета однофазных потребителей; d 3 – суммарная доля потребления электроэнергии трехфаз-ными потребителями (за минусом учтенных в "m") от суммарного поступления электроэнергии в сеть ЭСО; d1 – суммарная доля потребления электроэнергии однофазными потребителями (за минусом учтенных в m) от суммарного поступления электроэнергии в сеть ЭСО.

2.3.9. Отдельные проблемы в расчетах потерь ЭЭ.

Влияние реактивной мощности на потери энергии Во всех расчетах режимов электрических сетей одновременно применяются понятия активной и реактивной мощности и первоначально не заметно их различие. Этот вопрос требует разъяснения, так как реактивная мощность в значительной степени определяет активные потери энергии на всех этапах ее генерации, передачи и потребления.

Генерация. Активная мощность вырабатывается на генераторах, вращаемых первичными двигателями – гидравлическими или паровыми турбинами, дизельными или ветровыми установками и т. п. Реактивная мощность может быть получена в любом месте. Она генерируется синхронными машинами при их перевозбуждении, емкостью линий, конденсаторами и т. д. ЛюМетоды и средства энерго- и ресурсосбережения. Учеб. пособие -97ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ И РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ И РАСПРЕДЕЛЕНИИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ бой элемент электрической системы и сети, в котором ток опережает напряжение, является генератором реактивной энергии.

Передача. Режим работы каждого элемента сети характеризуется величинами «ток» и «напряжение», следовательно, и значением полной мощности у передающего и приемного концов сети, представляемой в комплексном виде. Вещественная часть полной мощности является активной, а мнимая – реактивной. При этом необходимо иметь в виду, что первая, вещественная часть, является целью электроснабжения, а вторая – мнимая – сопутствующим явлением.

Значение реактивной мощности может быть изменено практически в любой точке электрической сети, с учетом её характерных режимов работы, например с помощью специальных компенсирующих устройств, рассмотренных ниже.

Потребление. Активная мощность в основном потребляется электроприемниками, преобразующими электрическую энергию в другие виды энергии (механическую, тепловую, световую и т. д.). Частично активная мощность теряется (технологические потери) в активных сопротивлениях элементов сети.

Реактивная мощность потребляется не только приемниками, но и элементами сети. Например, суммарная реактивная мощность, потребляемая силовыми трансформаторами, установленными в энергосистеме, из-за наличия нескольких ступеней трансформации повышающих и понижающих трансформаторов, больше суммарной реактивной мощности, потребляемой всеми синхронными двигателями.

Реактивная мощность потребляется любым элементом сети, в котором ток отстает от напряжения, и не связана непосредственно с величиной потребления активной энергии.

Влияние реактивной энергии на режимы энергосбережения состоит в том, что ее наличие в элементах сети увеличивает значение полного тока и соответственно влияет на активные потери электроэнергии в данном элементе сети.

Существуют две задачи, касающиеся эффективного снижения потерь от реактивной мощности:

1) задача оптимального распределения реактивной мощности в электрической сети, являющейся частью более общей задачи комплексной оптимизации режима работы энергосистемы;

2) задача оптимизации установки новых источников реактивной мощности. На каждый киловатт установленной активной мощности экономически выгодна установка 4–5 квар реактивной мощности [26].

Располагаемая реактивная мощность генераторов в установившемся режиме определяется номинальной мощностью генераторов Рном, активной нагрузкой Рн и номинальным коэффициентом мощности cos [27]:

Методы и средства энерго- и ресурсосбережения. Учеб. пособие -98ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ И РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ И РАСПРЕДЕЛЕНИИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ где K з = – коэффициент загрузки генератора по активной мощности, в пределах которого располагаемая реактивная мощность синхронного генератора определяется током статора.

Для генераторов всей энергосистемы где P г = Pном – сумма установленной активной мощности генераторов станции за вычетом находящихся в аварийном и плановом ремонте и в холодном резерве;

Баланс реактивной мощности в энергосистеме имеет следующий вид:

где Qпотр – реактивная мощность, передаваемая с шин 6–10 кВ подстанций энергосистем в сети потребителей; Qс.н – потребление реактивной энергии электрооборудованием собственных нужд; Qл и Qтр – потери реактивной энергии в линиях и трансформаторах; Qшр – мощность шунтовых реакторов, включенных в рассматриваемом режиме; Qрез – необходимый резерв реактивной мощности; Qген – располагаемая реактивная мощность генераторов электростанций; Qзар – зарядная мощность линий электропередачи; Qк.у – располагаемая мощность синхронных компенсаторов (СК) и батарей статических конеденсаторов (БСК); Qп – передача и получение реактивной энергии со стороны соседних энергосистем.

2.3.10. Статистический анализ потерь по временным рядам Статистический анализ непосредственно не указывает на наличие каких-либо физических факторов, на основании которых существует исследуеМетоды и средства энерго- и ресурсосбережения. Учеб. пособие -99ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ И РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ И РАСПРЕДЕЛЕНИИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ мая зависимость, но можно утверждать, что при статистическом анализе можно получить обобщенную оценку уровня потерь ЭЭ в целом по объекту и выполнить прогноз потерь на некоторый интервал времени с помощью анализа и синтеза их состояния. Указанные проблемы следующие:

Проблема анализа: выявление присущих предмету анализа закономерностей; изучение их свойств; анализ их общности; определение характеристик; изучение характеристик, разложение их реализаций на компоненты, подверженные влиянию отдельных внешних факторов; исследование вида и параметров зависимостей; изучение свойств и характеристик элементов структуры и компонент;

Проблема синтеза: моделирование режимов исследуемого предмета, подбор или разработка для этой цели адекватного математического аппарата;

разработка методов расчетов; например, для решения проблем временных рядов – установление заблаговременного интервала упреждения, синтетезирование реализаций результатов анализа, оценка погрешности результатов.

Необходимо также отметить, что прогнозный период может составлять не более одной трети исходного ряда данных, т. е. при наличии данных за три года можно выполнить прогноз потерь на 12 месяцев вперед.

При анализе исходных данных по среднегодовым месячным потерям строят модель тренда потерь T(I). Затем выполняют расчет месячных коэффициентов мультипликативным MK(J)м или аддитивным MK(J)а преобразованием и усреднение их по всему ряду исходных данных Если обозначить составляющие массива исходных данных месячных потерь электроэнергии за I лет по J(1...12) как W[I, J], то модель для прогноза месячных потерь на один год вперед будет при мультипликативном построении модели временного ряда иметь вид где Wп (i + 1, j ) – прогнозное значение тренда на (i+1) год; MK ( j )m – среднегодовые значения месячных коэффициентов мультипликативной модели.

При аддитивном построении модели прогнозные значение будут иметь вид где MK(J)а – среднегодовые значения месячных коэффициентов аддитивной модели.

Остальные обозначения те же.

Погрешность прогнозного расчета на каждый месяц прогнозного года определяется по следующему выражению:

Методы и средства энерго- и ресурсосбережения. Учеб. пособие -100ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ И РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ И РАСПРЕДЕЛЕНИИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ где (i + 1, j ) – ошибка прогноза, которая в общем случае должна иметь нормальное распределение; Wф (i + 1, j ) – фактическое значение месячных потерь ЭЭ; Wп (i + 1, j ) – расчетное значение месячных потерь ЭЭ.

2.3.11. Оценка эквивалентного сопротивления энергосистем В некоторых случаях при выполнении расчетов по потерям ЭЭ по базовым выражениям (Красновский) применяется величина Rэкв – эквивалентное сопротивление энергосистемы. Проблемным вопросом является его достоверная оценка в нормальных режимах и времени максимальных потерь.

Эквивалентное сопротивление энергосистемы можно выразить уравнением где a0 + a1 (t ) – многолетний тренд; MK ( J ) – месячный коэффициент. Вид многолетнего тренда в выражении (2.31) показан упрощенно. Он может быть гораздо более сложной формы. В энергосистемах могут быть периоды, когда строится больше кольцевых линий, и тогда k экв действительно снижается, но могут быть периоды, когда строится больше радиальных линий, и тогда Rэкв растет. Кроме того, как будет показано далее, на Rэкв значительное влияние оказывает режим работы энергосистемы и оно может значительно меняться даже в течение суток.

Все крупные предприятия имеют свои подстанции напряжением кВ и выше. Крупные промышленные предприятия, электротяга и трубопроводный транспорт, входящий в эту категорию потребителей, составляют более 70 % суммарной нагрузки энергосистемы. В этих случаях можно рассчитать нормальный режим и определить k экв по потерям мощности и суммарной нагрузки, полностью исключив влияние абонентской задолженности.

Сопротивление Rэкв в сети 110–500 кВ может меняться почти в 2 раза в зависимости от времени года. Рассмотрим пример. Имеем рассчитанные режимы в сети 110 кВ и выше по результатам проведенных летних и зимних контрольных замеров (4 летних и 4 зимних). Результаты приведены в табл. 2.13.

Методы и средства энерго- и ресурсосбережения. Учеб. пособие -101ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ И РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ И РАСПРЕДЕЛЕНИИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ Как видно из данных таблицы, изменение зимних и летних потерь мощности не соответствует квадрату изменения нагрузки в это время. Рассчитанные мгновенные режимы работы энергосистемы разные, хотя нагрузки изменились не в такой степени.

Суммарную нагрузку и эквивалентное сопротивление энергосистемы можно определить из следующего выражения:

где I – суммарная нагрузка энергосистемы; Rэкв – эквивалентное сопротивление энергосистемы; I i, Ri – ток и сопротивление i -го участка сети.

В правой части выражения (2.32) приведены потери мощности во всех элементах энергосистемы. Разделим обе части этого выражения на I и введем коэффициент загрузки K i элемента энергосистемы, тогда После подстановки (2.33) в уравнение (2.32) получим:

Таким образом, при изменении загрузки отдельных элементов энергосистемы, т. е. при изменении режимов работы, меняется Rэкв, которое является интегральной режимной характеристикой энергосистемы и может быть постоянной величиной в течение расчетного интервала, только если нагрузки в течение этого интервала постоянны, что практически никогда не бывает.

Среднее сопротивление зимних суток Rэкв отличается от среднего сопротивления летних суток более чем на 20 %.

В связи с изложенным можно сделать вывод о том, что в сезонных изменениях потерь электроэнергии основное значение имеет изменение эквивалентного сопротивления энергосистем, которое, в свою очередь, зависит от изменения режимов работы энергосистемы.

Методы и средства энерго- и ресурсосбережения. Учеб. пособие -102ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ И РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ И РАСПРЕДЕЛЕНИИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ 2.3.12. Транзитные потери электрической энергии В условиях рынка любая дефицитная энергосистема (ЭС) для покрытия своей нагрузки может получить необходимую электроэнергию (ЭЭ) от избыточной ЭС, например через сети какой-либо базисной ЭС. Естественно, что владелец ЛЭП (сбалансированная ЭС) должен иметь только прибыль от выполнения новой работы – услуги по передаче ЭЭ. Кроме капитальных затрат (замена проводов на провода с большим сечением и т. д.) необходимо отдельно учитывать дополнительные эксплуатационные издержки, в которые войдут и дополнительные транзитные потери.

Расчёты транзитных потерь энергии можно производить по этапам:

1) расчёт по нормальному режиму;

2) расчёт по обобщённым регрессионным моделям.

Частично это предусмотрено в [23 и 24].

«Транзитный переток – переток мощности из одной смежной ЭС через базисную ЭС в другую смежную ЭС, который сохраняет постоянное значение во всех сечениях электрической сети базисной ЭС» [24].

Для определения транзитных используют два вида расчетов:

по базовому режиму с собственными нагрузками энергосистемы, представляющей свои линии для транзита, собственной генерацией и покупкой или продажей ЭЭ;

режиму с заданным перетоком, добавленному к базовому режиму.

Расчёт транзитных потерь ЭЭ при расчёте нормального режима.

Для учёта транзитных потерь ЭЭ (рис. 2.7) необходимо в общем виде рассмотреть следующий пример: ЭС № 1, 2, 3 – являются дефицитными, ЭС № 4 – сбалансированная, базисная, а ЭС № 5 и № 6 – избыточные. Внутренние генерации и нагрузки в системе № 4 не учитываются в данном случае.

Анализ транзитных перетоков рассмотрен для варианта прямых транзитных перетоков. В данном случае для простоты изложения материала внутренние факторы – генерирующая мощность Рг4 и отбор нагрузки Рн4 – не учитываются.

В случае отсутствия транзита собственные потери ЭС № Рис. 2.7. Обобщенная схема для расчета и анализа транзитных потерь ЭЭ Методы и средства энерго- и ресурсосбережения. Учеб. пособие -103ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ И РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ И РАСПРЕДЕЛЕНИИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ При наличии транзита транзитные потери составляют:

где Sт – дополнительные потери от транзита ЭЭ.

Распределение транзитных потерь между несколькими потребителями, одновременно включенными в транзитную линию.

Суммарные потери Дополнительные потери или где – коэффициент распределения.

где I – суммарный ток по данной линии; I б – ток базисной системы – ЭС № 4;

I i – ток системы, для которой вычисляется доля транзитных потерь.

Расчёт транзитных потерь на втором этапе.

Транзитные потери зависят от целой группы факторов и в первую очередь от собственного потребления, выработки ЭЭ своими электростанциями, покупки и продажи ЭЭ от других источников энергии:

где Ртр – транзитный переток дефицитной энергосистемы; Рпок – покупка ЭЭ;

Рпр – продажа ЭЭ; Рп – потребление ЭЭ и Рген – выработка ЭЭ на отдельных станциях.

Дополнительные потери ЭЭ от транзитных перетоков распределяются между дефицитными потребителями (энергосистемами) с непосредственным расчетом в каждом характерном режиме.

Методы и средства энерго- и ресурсосбережения. Учеб. пособие -104ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ И РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ И РАСПРЕДЕЛЕНИИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ 2.3.13. Расчет потерь электроэнергии в линиях и трансформаторах, Современные счетчики электроэнергии имеют возможности выполнить не только учет электроэнергии, но и ряд дополнительных функций. Одной из них является учет потерь электрической энергии в линиях и трансформаторах. Вариант выполнения такой функции приведен в [16]. Предложенный метод расчета потерь ЭЭ в счетчиках ЭЭ осуществим с учетом следующего [17]:

во-первых, все примененные в нем способы расчета потерь должны соответствовать действующей НТД;

во-вторых, имеются технические проблемы:

1. Потери в линиях, в счетчике ЭЭ можно рассчитать только до первой отпайки в этой ЛЭП, так как дальше ток в линии неизвестен.

2. Сопротивление проводов ЛЭП зависит от их температуры. В соответствующих ГОСТах и в справочниках оно указано для температуры провода в +20 С. Реальная температура проводов, конечно же, отличается от + С. Поправку на рабочие температуры проводов ЛЭП можно выполнить по [18]. При нагрузке соответствующей экономической плотности тока и небольшой скорости ветра в [18] рекомендуется считать температуру провода на 5 С выше температуры воздуха.

Значимость поправки на температуру провода можно оценить тем фактом, что, например, для климата Красноярского края температурная поправка составляет несколько процентов от их величины, т. е. намного больше требуемой погрешности расчета.

3. При расчете потерь с помощью счетчика ЭЭ в трансформаторах также необходимо вводить в него поправку на изменение сопротивления обмоток при изменении температуры трансформатора, например по температуре трансформаторного масла.

4. Необходимо также продумать алгоритм, который будет фиксировать направление перетока при его оперативном изменении ЭЭ в энергосистеме, учет нагрузок разных сторон при трехобмоточных трансформаторах и т. д.

2.3.14. Коммерческие потери электроэнергии За основу взята программа (типовая) по снижению потерь электроэнергии в распределительных сетях АО-энерго.

В условиях постоянного роста тарифов для потребителей электроэнергии различных групп, электроснабжение которых производится по распределительным сетям, остро стоит проблема предотвращения хищений в этих сетях.

Методы и средства энерго- и ресурсосбережения. Учеб. пособие -105ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ И РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ И РАСПРЕДЕЛЕНИИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ Одним из приоритетных направлений является определение видов коммерческих потерь электроэнергии, их оценка величины и максимальное снижение значения потерь.

К коммерческим потерям электроэнергии следует относить:

1. Недостоверный учет – W1:

1.1. Работа средств учета (измерительные трансформаторы тока и напряжения, счетчики электроэнергии – средства измерения (СИ) с отклонениями от нормативных характеристик.

1.2. Неправильное подключение цепей напряжения и тока.

1.3. Неисправность средств учета, счетного механизма.

1.4. Ошибки при снятии показаний электросчетчиков и коэффициентов трансформации.

1.5. Ошибки или умышленное изменение коэффициентов пересчета или сведений о расходе электроэнергии.

1.6. Замена приборов учета без согласования с энергосбытовыми подразделениями.

1.7. Несанкционированное подключение токоприемиков.

1.8. Подключение токоприемников помимо счетчиков.

1.9. Вмешательство в работу счетчиков с целью искажения показаний.

1.10. Несообщение о неправильной работе счетчика.

1.11. Недостаточная обеспеченность электросетей приборами контрольного (технического) учета.

2. Ошибки в начислении за отпущенную энергию – W2:

2.1. Ошибки в недостоверных сведениях о потребителе.

2.2. Ошибки при передаче информации о расходе энергии с мест установки приборов учета в бухгалтерию.

2.3. Ошибки при корректировке данных о потребителе.

2.4. Невыставленные счета потребителю из-за отсутствия информации.

2.5. Расчет по приборам учета не на границе балансовой принадлежности.

2.6. Расчет по присоединенной мощности.

3. Неоплата электроэнергии потребителями, находящимися на самооплате – W3.

Значение коммерческих потерь, определяемое расчетным путем:

где Wк – коммерческие потери; Wвб – выработка электроэнергии; Wпо – полезный отпуск в электросети; Wпт – потери электроэнергии в электрической сети; W1, W2, W3 – потери электроэнергии по указанным пунктам.

Работу по снижению коммерческих потерь необходимо вести по трем основным направлениям:

Методы и средства энерго- и ресурсосбережения. Учеб. пособие -106ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ И РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ И РАСПРЕДЕЛЕНИИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ 1. Контроль за эксплуатационным и техническим состоянием средств учета, установка более совершенных средств измерений, разукрупнение учета.

2. Обеспечение расчетов и контроля оплаты с помощью автоматизированных комплексов по единой для всех энергоснабжающих организаций программе.

3. Организация работы по анализу очагов потерь и обходов потребителей по выявлению неучтенного электропотребления.

При этом необходимо учитывать дополнительные составляющие, влияющие на снижение коммерческих потерь, такие как:

наличие единой нормативной и методологической базы;

проведение информационной и разъяснительной работы в СМИ;

проведение претензионно-исковой работы.

Работы по выявлению и снижению коммерческих потерь необходимо начать с составления баланса электрической энергии, с одной стороны, после последней ступени трансформации у потребителей, с другой стороны, по расчетным приборам, установленным непосредственно у потребителя. Баланс должен быть составлен строго на одно расчетное время, проанализирован, и на его основе необходимо составить план работ, включающий в себя мероприятия, направленные на снижение факторов, влияющих на потери электроэнергии при ее реализации.

Мероприятия по снижению потерь электроэнергии 1. Восстановление учета электроэнергии 1.1. Выявление и замена средств учета с отклонениями от нормативных характеристик.

1.2. Выявление и устранение неправильного подключения цепей тока и напряжения в схемах подключения электросчетчиков.

1.3. Организация контроля для исключения ошибок при снятии показаний электросчетчиков и коэффициентов ТТ и ТН на границе ответственности и у абонентов.

1.4. Организация постоянного контроля, исключающего изменение коэффициентов пересчета или сведений о расходе электроэнергии, умышленное изменение сведений о расходе электроэнергии при установке приборов учета.

1.5. Организация систематической проверки приборов учета с целью исключения длительной работы неисправных приборов.

1.6. Обспечение источников энергии и её потребителей недостающими приборами.

1.7. Организация проверки маркировки средств учета специальными знаками визуального контроля.

Методы и средства энерго- и ресурсосбережения. Учеб. пособие -107ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ И РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ И РАСПРЕДЕЛЕНИИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ 1.8. Включение денежных средств на проверку, ремонт и замену средств измерений отдельной строкой в бюджет владельца электрических сетей.

1.9. Внедрение вводно-распределительных устройств, исключающих несанкционированный доступ к силовым цепям и цепям учета.

2. Несовершенство договоров и расчетов 2.1. Проверка достоверности сведений о приборах учета, установленных у потребителей.

2.2. Систематические проверки информации о расходе энергии с мест установки приборов в бухгалтерию.

2.3. Исключение ошибок при корректировке данных о приборах учета, установленных у потребителей.

2.4. Исключение несвоевременного выставления счетов потребителям из-за отсутствия информации.

2.5. Исключение расчетов по приборам учета, установленным не на границе балансовой принадлежности электросети.

2.6. Исключение из практики расчетов по присоединенной мощности (дифтарифный акт).

3. Выявление несвоевременной оплаты 3.1. Выявление фактов неоплаты энергии потребителями, находящимися на самооплате.

4. Проведение совместных проверок (в том числе и по выявлению хищений электроэнергии) 4.1. Совместные проверки с милицией и органами государственного технического надзора (ТУГЭН) по пресечению хищений и самовольных подключений.

4.2. Привлечение сторонних организаций по отдельному договору для сбора денежных средств с потребителей.

4.3. Проверки персоналом энергопредприятий по выявлению самовольно подключенных объектов к оборудованию энергоснабжающей организации.

4.4. Проверки по выявлению приборов учета на объектах энергоснабжающей организации (потребителя), замененных без согласования с Энергосбытом.

4.5. Проверки по выявлению несанкционированного подключения токоприемников у потребителей, производящих расчеты по установленной мощности.

4.6. Проверки по выявлению у абонентов токоприемников, подключенных помимо счетчиков.

4.7. Проверки по выявлению у абонентов фактов вмешательства в работу приборов учета энергии с целью искажения показаний.

Методы и средства энерго- и ресурсосбережения. Учеб. пособие -108ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ И РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ И РАСПРЕДЕЛЕНИИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ Выбор экономичных режимов Наибольшая экономичность режимов работы энергосистем реализуется в первую очередь за счет:

на электростанциях:

наилучшего распределения нагрузок системы между агрегатами;

наилучшего выбора включенных в работу агрегатов;

экономичности работы отдельных агрегатов: повышения КПД котлов, подогрева питательной воды, увеличения напора гидротурбин, правильной установки наклона лопастей гидротурбин;

в электрических сетях:

выбора оптимального распределения активных и реактивных нагрузок по линиям электропередач;

наилучшего выбора включенных в работу агрегатов;

экономичности работы отдельных агрегатов – трансформаторов, синхронных компенсаторов, компрессоров и т. д.

Прямое повышение экономичности работы электрических сетей возможно и целесообразно реализовать путем внедрения ряда мероприятий по снижению потерь ЭЭ, которые можно разделить на несколько групп.

Конструктивные мероприятия, требующие капиталовложений, сводятся к следующему:

1. Усиление сети – сооружение дополнительных цепей линий, установка дополнительных трансформаторов, замена проводов линий проводами, имеющими большее сечение. Этот вопрос непосредственно связан со снижением экономической плотности тока.

2. Установка устройств, разгружающих от передачи реактивной мощности, – синхронных компенсаторов, статических конденсаторов и т. д.

3. Установка устройств, повышающих уровень эксплуатационного напряжения в сети, – синхронных компенсаторов, статических конденсаторов и т.

п. Это мероприятие особенно актуально для энергосистем, испытывающих дефицит реактивной мощности и в силу этого работающих в период наибольших реактивных нагрузок со сниженными напряжением.

4. Перевод сетей на следующую ступень номинального напряжения, например: со 127 В на 220 В, с 3 кВ на 6 кВ, с 6 кВ на 10 кВ и т. д.

Эксплуатационные мероприятия, не требующие дополнительных капиталовложений, сводятся в основном к следующему:

1. Работа электрических сетей по наиболее эффективной схеме, например работа в кольцевой сети при всех включенных элементах, а в радиальной сети – при ее делении в точках, найденных по условию наименьших потерь активной мощности.

2. Отключение слабозагруженных трансформаторов для того, чтобы получить меньшие суммарные потери в меди и стали включенных в работу трансформаторов.

3. Уменьшение общего числа отключений линий электропередачи на ремонт, что осуществляется на основе применения системы управления реМетоды и средства энерго- и ресурсосбережения. Учеб. пособие -109ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ И РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ И РАСПРЕДЕЛЕНИИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ монтами с созданием общей базы основного электрооборудования, средств релейной защиты, средств связи и телемеханики и т. д.

4. Максимальное повышение уровня эксплуатационных напряжений путем полного использования реактивной мощности генераторов и синхронных компенсаторов, а также путем правильной установки ответвлений трансформаторов станций и подстанций.

5. Устранение излишних потоков реактивной мощности в сетях с большим количеством источников энергии и питающих линий путем правильной установки ответвлений у понижающих трансформаторов.

6. Устранение неравномерной нагрузки фаз в трехфазной сети.

7. Правильная организация учета ЭЭ – см. гл. 4 данного пособия.

Мероприятия по снижению потерь электроэнергии 1. Отключение части трансформаторов в режимах малых нагрузок.

Производится сравнение потерь холостого хода и нагрузочных потерь.

Если при отключении снижение потерь холостого хода больше, чем увеличение нагрузочных потерь, то отключение одного из работающих силовых трансформаторов целесообразно [28].

Произведем расчет:

где Sном – номинальная мощность одного трансформатора; Pх и Pk – соответственно потери холостого хода и потери короткого замыкания; n – число трансформаторов на подстанции.

Подставив в формулы различное число работающих трансформаторов, можно найти их количество с минимальным значением потерь.

2. Выравнивание графиков нагрузок сети, например в течение суток, определяют по формуле где индексами 1 и 2 обозначены коэффициенты формы графиков нагрузок до выравнивания и после него; W – нагрузочные потери в сети при коэффициенте формы К ф1.

3. Выравнивание нагрузок фаз в электрических сетях 0,4 кВ.

В сетях напряжением 0,4 кВ возникает проблема снижения потерь в сети из-за неравномерности нагрузок по фазам. Речь идет о систематической неравномерности, постоянно имеющей место вместе с временной неравномерностью из-за изменения режимов работы отдельных потребителей ЭЭ.

Методы и средства энерго- и ресурсосбережения. Учеб. пособие -110ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ И РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ И РАСПРЕДЕЛЕНИИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ Возможное снижение потерь определяют по формуле где kT 1 – отношение числа часов максимальных потерь к числу часов максимальной нагрузки; kнер1 и kнер2 – коэффициенты для первоначального распределения нагрузок по фазам и после их выравнивания; Wmax1 и Wmax2 – потери напряжения в сети, %, до выравнивания и после него; W – отпуск электроэнергии в сеть.

4. Регулирование уровня напряжения.

Поддерживание уровня напряжения является важнейшим показателем работы электрических сетей и позволяет минимизировать потери электроэнергии от отклонения уровня напряжения от номинальных значений [29].

В электрических системах применяют следующие способы регулирования напряжения:

на электростанциях:

изменение возбуждения генераторов;

применение трансформаторов с переключением ответвлений под нагрузкой;

в электрической сети:

применение трансформаторов с переключением ответвлений под нагрузкой;

применение вольтодобавочных трансформаторов (агрегатов) и автотрансформаторов;

последовательное включение конденсаторов в линию;

применение трансформаторов с плавным регулированием напряжения;

использование индукционных регуляторов;

применение синхронных компенсаторов;

параллельное включение конденсаторов;

увеличение сечения проводов сети.

Мероприятия по снижению потерь электроэнергии Организационные мероприятия 1. Оптимизация мест размыкания линий 6–35 кВ с двусторонним питанием.

2. Оптимизация установившихся режимов электрических сетей по активной и реактивной мощности.

3. Перевод генераторов электростанций в режим синхронного компенсатора.

4. Уменьшение ограничения мощности генераторов электростанций.

5. Оптимизация распределения нагрузки между подстанциями основной электрической сети 110 кВ и выше переключениями в ее схеме.

6. Оптимизация мест размыкания контуров электрических сетей с различными номинальными напряжениями.

Методы и средства энерго- и ресурсосбережения. Учеб. пособие -111ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ И РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ И РАСПРЕДЕЛЕНИИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ 7. Оптимизация рабочих напряжений в центрах питания радиальных электрических сетей.

8. Отключение в режимах малых нагрузок: линий электропередачи в замкнутых электрических сетях и на двухцепных линиях, трансформаторов на подстанциях с двумя и более трансформаторами.

9. Отключение трансформаторов на подстанциях с сезонной нагрузкой.

10. Выравнивание нагрузок фаз в электросетях 0,38 кВ.

11. Сокращение продолжительности ремонта основного оборудования электростанций и сетей: линий, трансформаторов, генераторов, синхронных компенсаторов, комплексных ремонтов оборудования распределительных устройств: ячеек, шин и др.

12. Снижение расхода электроэнергии на собственные нужды подстанций. Ввод в работу неиспользуемых средств автоматического регулирования напряжения.

13. Выполнение ремонтов под напряжением на ВЛ.

14. Выявление хищений электроэнергии в результате проведения рейдов.

Технические мероприятия 1. Установка и ввод в работу устройств компенсации реактивной мощности:

батарей конденсаторов (БСК) (новое строительство и расширение существующих батарей), замена конденсаторов, выбывших из строя;

синхронных компенсаторов (СК) (новое строительство), замена выбывших из строя СК.

2. Перевод генераторов, турбины которых отработали ресурс, в режим СК.

3. Увеличение рабочей мощности установленных в электрических сетях синхронных компенсаторов.

4. Замена проводов на перегруженных линиях.

5. Замена ответвлений от ВЛ 0,38 кВ к зданиям.

6. Замена перегруженных, установка и ввод в работу дополнительных силовых трансформаторов на эксплуатируемых подстанциях.

7. Замена недогруженных силовых трансформаторов.

8. Установка и ввод в работу:

устройств РПН на трансформаторах с ПБВ;

регулировочных трансформаторов.

9. Установка и ввод в работу на трансформаторах с РПН устройств автоматического регулирования коэффициента трансформации (АРН).

10. Установка и ввод в работу устройств автоматического регулирования мощности батарей статических конденсаторов в электросетях.

11. Установка и ввод в работу вольтодобавочных трансформаторов с поперечным регулированием.

12. Оптимизация нагрузки электросетей за счет:

строительства линий, подстаций;

ввода дополнительных генераторов на электростанциях;

ввода дополнительных генераторов на электростанциях.

13. Перевод электросетей на более высокое номинальное напряжение.

14. Установка и ввод в работу компенсирующих устройств у промышленных потребителей:

Методы и средства энерго- и ресурсосбережения. Учеб. пособие -112ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ И РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ И РАСПРЕДЕЛЕНИИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ батарей конденсаторов;

статических компенсаторов СТК).

15. Разукрупнение распределительных линий 0,38–35 кВ.

16. Установка и ввод в работу батарей конденсаторов для продольной компенсации.

При анализе эффективности работы электрических сетей необходимо учитывать все варианты, влияющие на потери ЭЭ:

потери постоянные, условно-постоянные и переменные;

расход электроэнергии на собственные, производственные и хозяйственные нужды;

потери от неоптимальных ведений режимов, заданных нагрузок на линии;

потери от неправильно выбранных уровней напряжений;

потери от работающих параллельно силовых трансформаторов;

потери от увеличенного количества отключений ЛЭП для ремонтных и эксплуатационных работ;

потери от увеличения длительности ремонтов, что приводит к неоптимальным режимам работы сети в целом, и т. д.

Многие из нетрадиционных источников энергии являются сложными энергоресурсами, компоненты которых позволяют получать и нетопливную продукцию, широко применяемую в химии, строительной индустрии, сельском хозяйстве, металлургии и т. д. [4]. Например, термальные воды, горючие сланцы и битуминозные породы содержат в промышленных концентрациях литий, ванадий, никель, рубидий, серу и другие элементы, принципиальная возможность извлечения которых доказана. Минеральная составляющая горючих сланцев и битуминозных пород является исходным сырьем для производства изделий для дорожной и строительной индустрии.

Рациональная утилизация различных видов отходов (биомасса) позволит получать высококачественные удобрения. Ресурсы этих видов энергии велики.

Так, например, теплоту, которую можно извлечь из земной коры с глубины до 3 км, оценивают в 21017 ккал, до 5 км – в 101017 ккал; полная мощность солнечной радиации, приходящей к Земле от Солнца за год, составляет 15001015 кВт · ч и только 40 % ее достигает поверхности Земли. Энергопотенциал морских приливов и отливов оценивается в мире в 3000 ГВт.

Основное преимущество возобновляемых источников энергии – неисчерпаемость и экологическая чистота. Их использование не изменяет энергетический баланс планеты. Эти качества и послужили причиной бурного развития возобновляемой энергетики за рубежом и весьма оптимистических прогнозов их развития в ближайшем десятилетии. Возобновляемые источники энергии играют значительную роль в решении трех глобальных проблем, стоящих перед человечеством: энергетики, экологии, продовольствия. В табл. 2. представлена роль возобновляемых источников энергии в решении глобальных проблем человечества.

Методы и средства энерго- и ресурсосбережения. Учеб. пособие -113ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ И РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ И РАСПРЕДЕЛЕНИИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ Вид ресурсов или установок Ветроустановки Положительное Положительное Положительное влияние. Вовлияние влияние/ отрица- доподъемные установки на пательное влияние стбищах и в удаленных населенных пунктах Малые и микроГЭС Положительное Положительное Положительное влияние. Оровлияние влияние шение земель на базе малых Солнечные Положительное Положительное Положительное влияние. Устепловые установки влияние влияние тановки для сушки сена, зерна, Солнечные Положительное Положительное Положительное влияние. Усфотоэлектрические влияние влияние тановки для сушки сена, зерна, Геотермальные Положительное Положительное Отсутствие влияния Геотермальные Положительное Положительное Положительное влияние.

Биомасса. Положительное Положительное Отсутствие влияния Биомасса. Сжигание Положительное Положительное Положительное влияние. Иссельскохозяйственных влияние влияние / отрица- пользование золы в качестве отходов лесозаготовок и лесопереработок Биомасса. Положительное Положительное Положительное влияние. ПоБиоэнергетическая влияние влияние / отрица- лучение экологически чистых переработка отходов тельное влияние удобрений в результате сбраживания отходов Биомасса. Положительное Положительное Отсутствие влияния Биомасса. Положительное Положительное Положительное влияние. ПолучеПолучение влияние влияние ние дизельного топлива из семян Установки Положительное Положительное Отсутствие влияния по утилизации низко- влияние влияние потенциального тепла Методы и средства энерго- и ресурсосбережения. Учеб. пособие -114ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ И РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ И РАСПРЕДЕЛЕНИИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В последнее время интерес к проблеме использования солнечной энергии резко возрос, и, хотя этот источник также относится к возобновляемым, внимание, уделяемое ему во всем мире, заставляет нас рассмотреть его возможности отдельно [30]. Потенциальные возможности энергетики, основанной на использовании непосредственно солнечного излучения, чрезвычайно велики. Заметим, что использование всего лишь 0,0125 % этого количества энергии Солнца могло бы обеспечить все сегодняшние потребности мировой энергетики, а использование 0,5 % – полностью покрыть потребности на перспективу. К сожалению, вряд ли когда-нибудь эти огромные потенциальные ресурсы удастся реализовать в больших масштабах.

Одним из наиболее серьезных препятствий такой реализации является низкая интенсивность солнечного излучения. Даже при наилучших атмосферных условиях (южные широты, чистое небо) плотность потока солнечного излучения составляет не более 250 Вт/м2. Поэтому, чтобы коллекторы солнечного излучения собирали за год энергию, необходимую для удовлетворения всех потребностей человечества, нужно разместить их на территории 130000 км2! Необходимость использовать коллекторы огромных размеров, кроме того, влечет за собой значительные материальные затраты. Простейший коллектор солнечного излучения представляет собой зачерненный металлический (как правило, алюминиевый) лист, внутри которого располагаются трубы с циркулирующей в ней жидкостью. Нагретая за счет солнечной энергии, поглощенной коллектором, жидкость поступает для непосредственного использования. Согласно расчетам изготовление коллекторов солнечного излучения площадью 1 км2 требует примерно 10000 т алюминия.

Доказанные же на сегодня мировые запасы этого металла оцениваются в 1,17109 т. Таким образом, существуют разные факторы, ограничивающие мощность солнечной энергетики. Предположим, что в будущем для изготовления коллекторов станет возможным применять не только алюминий, но и другие материалы. Изменится ли ситуация в этом случае?

Будем исходить из того, что на отдельной фазе развития энергетики все мировые потребности в энергии будут удовлетворяться зa счет солнечной энергии. В рамках этой модели можно оценить, что в этом случае потребуется «собирать» солнечную энергию на площади от 1·106 до 3·106 км2. В то же время общая площадь пахотных земель в мире составляет сегодня 13106 км2.

Солнечная энергетика относится к наиболее материалоемким видам производства энергии. Крупномасштабное использование солнечной энергии влечет за собой гигантское увеличение потребности в материалах, а следовательно, и в трудовых ресурсах для добычи сырья, его обогащения, получения материалов; изготовление гелиостатов, коллекторов, другой аппаратуры, их перевозки.

Методы и средства энерго- и ресурсосбережения. Учеб. пособие -115ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ И РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ И РАСПРЕДЕЛЕНИИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ Пока еще электрическая энергия, рожденная солнечными лучами, обходится намного дороже, чем получаемая традиционными способами. Ученые надеются, что эксперименты, которые они проведут на опытных установках и станциях, помогут решить не только технические, но и экономические проблемы.

Первые попытки использования солнечной энергии на коммерческой основе относятся к 1980-м годам. Крупнейших успехов в этой области добилась фирма Loose Industries (США). Ею в декабре 1989 г. введена в эксплуатацию солнечно-газовая станция мощностью 80 МВт. Здесь же, в Калифорнии, в 1994 г. введено еще 480 МВт электрической мощности, причем стоимость 1 кВт ч энергии 7–8 центов. Это ниже, чем на традиционных станциях. В ночные часы и зимой энергию дает, в основном, газ, а летом и в дневные часы – солнце. Электростанция в Калифорнии продемонстрировала, и солнце, как основные источники энергии ближайшего будущего, способны эффективно дополнять друг друга. Поэтому не случаен вывод, что в качестве партнера солнечной энергии должны выступать различные виды жидкого или газообразного топлива. Наиболее вероятно использование водорода. Его получение, например, путем электролиза воды может быть достаточно дешевым, а сам газ, обладающий высокой теплотворной способностью, легко транспортировать и длительно хранить. Отсюда вывод: наиболее экономичная возможность использования солнечной энергии, которая просматривается сегодня, – направлять ее для получения вторичных видов энергии в солнечных районах земного шара. Полученное жидкое или газообразное топливо можно будет перекачивать по трубопроводам или перевозить танкерами в другие районы.

Быстрое развитие гелиоэнергетики стало возможным благодаря снижению стоимости фотоэлектрических преобразователей в расчете на 1 Вт установленной мощности с 1000 долл. в 1970 г. до 3–5 долл. в 1997 г. и повышению их КПД с 5 до 18 %. Уменьшение стоимости солнечного ватта до центов позволит гелиоустановкам конкурировать с другими автономными источниками энергии, например с дизель-электростанциями.

Одним из лидеров практического использования энергии Солнца стала Швейцария. Здесь построено примерно 2600 гелиоустановок на кремниевых фотопреобразователях мощностью от 1 до 1000 кВт и солнечных коллекторных устройств для получения тепловой энергии. Программа, получившая наименование «Солар-91» и осуществляемая под лозунгом «За энергонезависимую Швейцарию!», вносит заметный вклад в решение экологических проблем и энергетическую независимость страны, импортирующей сегодня более 70 % энергии.

Программа «Солар-91» осуществляется практически без поддержки государственного бюджета, в основном за счет добровольных усилий и средств отдельных граждан, предпринимателей и муниципалитетов. Гелиоустановку на кремниевых фотопреобразователях, чаще всего мощностью 2–3 кВт, монМетоды и средства энерго- и ресурсосбережения. Учеб. пособие -116ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ И РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ И РАСПРЕДЕЛЕНИИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ тируют на крышах и фасадах зданий. Она занимает примерно 20–30 м2. Такая установка вырабатывает в год в среднем 2000 кВт · ч электроэнергии, что достаточно для обеспечения бытовых нужд среднего швейцарского дома и зарядки бортовых аккумуляторов электромобиля. Дневной избыток энергии в летнюю пору направляют в электрическую сеть общего пользования. Зимой же, особенно в ночные часы, энергия может быть бесплатно возвращена владельцу гелиоустановки.

Крупные фирмы монтируют на крышах производственных корпусов гелиостанции мощностью до 300 кВт. Одна такая станция может покрыть потребности предприятия в энергии на 50–70 %.

В районах альпийского высокогорья, где нерентабельно прокладывать линии электропередач, строятся автономные гелиоустановки с аккумуляторами.

Опыт эксплуатации свидетельствует, что Солнце уже в состоянии обеспечить энергопотребности, по меньшей мере, всех жилых зданий в стране. Гелиоустановки, расположенные на крышах и стенах зданий, на шумозащитных ограждениях автодорог, на транспортных и промышленных сооружениях, не требуют для размещения дорогостоящей сельскохозяйственной или городской территории.

Автономная солнечная установка у поселка Гримзель дает электроэнергию для круглосуточного освещения автодорожного тоннеля. Вблизи города Шур солнечные панели, смонтированные на 700-метровом участке шумозащитного ограждения, ежегодно дают 100 кВт электроэнергии. Солнечные панели мощностью 320 кВт, установленные по заказу фирмы Biral на крыше ее производственного корпуса в Мюнзингене, почти полностью покрывают технологические потребности предприятия в тепле и электроэнергии.

Современная концепция использования солнечной энергии наиболее полно выражена при строительстве корпусов завода оконного стекла в Арисдорфе, где солнечным панелям общей мощностью 50 кВт еще при проектировании была отведена дополнительная роль элементов перекрытия и оформления фасада.

КПД кремниевых фотопреобразователей при сильном нагреве заметно снижается, и поэтому под солнечными панелями проложены вентиляционные трубопроводы для прокачки наружного воздуха. Нагретый воздух работает как теплоноситель коллекторных устройств. Темно-синие, искрящиеся на солнце фотопреобразователи на южном и западном фасадах административного корпуса, отдавая в сеть 9 кВт электроэнергии, выполняют роль декоративной облицовки.

Энергия ветра – это преобразованная энергия солнечного излучения, и пока светит солнце, будут дуть и ветры. Запасы энергии ветра более чем в сто раз превышают запасы гидроэнергии всех рек планеты. Климатические Методы и средства энерго- и ресурсосбережения. Учеб. пособие -117ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ И РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ И РАСПРЕДЕЛЕНИИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ условия позволяют развивать ветроэнергетику на огромной территории, от наших западных границ до берегов Енисея. Богаты энергией ветра северные районы страны, вдоль побережья Северного Ледовитого океана. Почему же столь обильный, доступный да и экологически чистый источник энергии так слабо используется? В наши дни двигатели, использующие ветер, покрывают всего одну тысячную мировых потребностей в энергии.

Техника XX века открыла совершенно новые возможности для ветроэнергетики, основной задачей которой является получение электроэнергии.

В начале века Н. Е. Жуковский разработал теорию ветродвигателя, на основе которой могли быть созданы высокопроизводительные установки, способнее получать энергию от самого слабого ветерка. Появилось множество проектов ветроагрегатов, несравненно более совершенных, чем старые ветряные мельницы. В новых проектах используются достижения многих отраслей знания.

В наши дни к созданию конструкций ветроколеса привлекаются специалисты-самолетостроители, умеющие выбрать наиболее целесообразный профиль лопасти, исследовать его в аэродинамической трубе. Усилиями ученых и инженеров созданы самые разнообразные конструкции современных ветровых установок.

Ветроэнергетика с ее современным техническим оснащением является вполне сложившимся направлением энергетики. Ветроэнергетические установки (ВЭУ) мощностью от нескольких киловатт до мегаватт производятся в Европе, США и других частях мира. Большая часть этих установок используется для производства электроэнергии как в единой энергосистеме, так и в автономных режимах.

При скорости ветра u0 и плотности воздуха ветроколесо, ометающее площадь А, развивает мощность где С р – параметр, характеризующий эффективность использования ветроколесом энергии ветрового потока и называемый коэффициентом мощности (коэффициент зависит от конструкции ветроколеса и скорости ветра). Так как скорость ветра непостоянна, а мощность очень сильно зависит от скорости, то выбор оптимальной конструкции ветроколеса во многом определяется требованиями потребителя энергии.

Максимальная проектная мощность ветроэнергетической установки определяется для некоторой стандартной скорости ветра. Обычно эта скорость равна примерно 12 м/с, при этом снимаемая с 1 м2 ометаемой площади мощность порядка 300 Вт при С р от 0,35 до 0,45. Классификация силы ветра по шкале Бофорта и ее влияние на ветроустановки и условия их работы предМетоды и средства энерго- и ресурсосбережения. Учеб. пособие -118ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ И РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ И РАСПРЕДЕЛЕНИИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ставлены в табл. 2.15, а основные характеристики ВЭУ различных классов при ветре 12 м/с – табл. 2.16. В районах с благоприятными ветровыми условиями среднегодовое производство электроэнергии составляет 25–33 % его максимального проектного значения. Срок службы ветрогенераторов обычно не менее 15–20 лет, а их стоимость колеблется от 1000 до 1500 долл. США за 1 кВт проектной мощности. Для эффективной работы ВЭУ необходимо грамотно определить скорости ветра. На рис. 2.8 достаточно ясно показано, как на противоположных берегах реки может быть повышенная или пониженная скорость ветра из-за местного движения воздуха над рекой. А ведь ВЭС всегда будут устанавливать на ближайшем пригорке или холме.

Одно из основных условий при проектировании ветровых установок – обеспечение их защиты от разрушения очень сильными порывами ветра.

Ветровые нагрузки пропорциональны квадрату скорости ветра, а раз в 50 лет бывают ветры со скоростью, в 5–10 раз превышающей среднюю, поэтому установки приходится проектировать с большим запасом прочности. Кроме того, скорость ветра очень колеблется во времени, что может привести к усталостным разрушениям, а для лопастей к тому же существенны переменные гравитационные нагрузки.

Суммарная кинетическая энергия ветров оценивается величиной порядка 0,71021 Дж. Вследствие трения, в основном в атмосфере, а также при контакте с земной и водной поверхностями эта энергия непрерывно рассеивается, при этом рассеивается мощность – порядка 1200 ТВт (1,2–10 Вт), что равно примерно 1 % поглощенной энергии солнечного излучения.

Рис. 2.8. Схема развития бризовой циркуляции над берегами реки: 1 – речной бриз, 2 – антибриз, 3 – общий воздушный поток в нижней тропосфере, 4 – инверсия температуры и уровень обращения ветра Методы и средства энерго- и ресурсосбережения. Учеб. пособие -119ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ И РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ И РАСПРЕДЕЛЕНИИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ 3 3,6–5,8 Слабый Колеблются листья на Начинают Удовлетворидеревьях, развеваются вращаться ти- тельные для ралегкие флаги, на отдель- хоходные вет- боты насосов и 4 5,8–8,5 Умеренный Колеблются тонкие ветки Начинают Хорошие для аэдеревьев, поднимается вращаться ко- рогенераторов ветки деревьев, гудят те- расчетном диа- прочных малолефонные провода, пе- пазоне близка к габаритных уснятся гребни волн максимальной тановок 8 17–21 Очень Ломаются ветки деревь- Ряд ветроуста- Недопустимые 9 21–25 Шторм Небольшие разрушения, Все установки Недопустимые 10 25–29 Сильный Значительные разруше- Предельные Недопустимые 12 Более 34 Ураган Опустошительные раз- Серьезные по- Недопустимые Методы и средства энерго- и ресурсосбережения. Учеб. пособие -120ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ И РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ И РАСПРЕДЕЛЕНИИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ Достоверно оценить, какая доля энергии ветра может быть использована, вряд ли возможно, так эта оценка очень сильно зависит от уровня развития ветроэнергетики и ее потребителей. Тем не менее официальные оценки возможной доли ветроэнергетики в энергетике в целом, например в Великобритании и Германии, не предполагающие каких-либо серьезных изменений в сложившейся инфраструктуре энергопотребления, дают не менее 20 %.

Ветер дует почти всегда неравномерно. Значит, и генератор будет работать неравномерно, отдавая то большую, то меньшую мощность; ток будет вырабатываться переменной частотой, а то и полностью прекратится и притом, возможно, как раз тогда, когда потребность в нем будет наибольшей.

В итоге любой ветроагрегат работает на максимальной мощности лишь малую часть времени, а в остальное время он либо работает на пониженной мощности, либо просто стоит. Для выравнивания отдачи тока применяют аккумуляторы, но это, как уже отмечалось, и дорого, и малоэффективно.

отдельные места у берегов Каспийского моря ная Сибирь, Казахстан, Дальний Восток, Камчатка Методы и средства энерго- и ресурсосбережения. Учеб. пособие -121ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ И РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ И РАСПРЕДЕЛЕНИИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ Интенсивности ветров сильно зависят и от географии. ВЭС выгодно использовать в таких местах, где среднегодовая скорость ветра выше 3,5–4 м/с для небольших станций и выше 6 м/с для станций большой мощности. В нашей стране зоны со скоростью ветра 6 м/с расположены, в основном, на Крайнем Севере, вдоль берегов Ледовитого океана (табл. 2.17). Следует отметить, что эксплуатировать ветроагрегаты и линии электропередач в условиях Крайнего Севера сложно. Все ЛЭП будут находиться в тяжелых условиях ветрогололедных нагрузок. Строительство электрических сетей для северных районов повлечет большие затраты, и себестоимость электроэнергии вырастет в десятки раз.

Как следует из приведенной выше таблицы, мощность одной ветроустановки не превышает в исключительных случаях 4 МВт, а в серийных установках – 200–250 кВт. Но и при столь малых мощностях ветроагрегаты – довольно громоздкие сооружения. Даже сравнительно небольшой ветроагрегат «Сокол» мощностью 4 кВт состоит из мачты высотой 10 м (с трехэтажный дом) и имеет диаметр трехлопастного ротора 12 м (который принято называть «колесом», хотя это вовсе и не колесо). ВЭС на большие мощности и размеры имеют соответствующие. Так, установка на 100 кВт имеет ротор диаметром 37 м с массой 907 кг, а ротор установки «Гровиан» обладает размахом лопастей 100 м при высоте башни тоже 100 м, т. е. выше 30-этажного дома! И при этом такая башня должна быть достаточно массивной и прочной, чтобы выдержать и массу громадного ротора, и вибрации, возникающие при его работе. Развивает вся эта махина сравнительно небольшую мощность – всего 3–4 МВт, а с учетом простоев из-за штилей и работы на пониженной мощности при слабом ветре средняя мощность оказывается и того ниже – порядка 1 МВт (такое соотношение между номинальной и средней мощностями ВЭС подтверждает следующий факт: в Нидерландах на долю ВЭС приходится 0, % всех установленных мощностей, но вырабатывают они только 0,02 % электроэнергии). Таким образом, для замены только одной АЭС мощностью 4 млн кВт потребовалось бы соорудить около четырех тысяч (!) таких монстров с соответствующим расходом стали и других материалов (табл. 2.18). Если бы мы не захотели связываться с такими уникальными гигантами и решили развивать ветроэнергетику на серийных ветроагрегатах мощностью 4 кВт (средняя мощность 1 кВт), то их бы потребовалось для такой замены около 4 млн штук.

Методы и средства энерго- и ресурсосбережения. Учеб. пособие -122ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ И РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ И РАСПРЕДЕЛЕНИИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ мощность агрегата количество агрегатов между агрегатами Площадь занимаемой территории Казалось бы, раз ветер дует бесплатно, значит, и электроэнергия от него должна быть дешевой. Но это далеко не так. Дело в том, что строительство большого числа ветроагрегатов требует значительных капитальных затрат, которые входят составной частью в цену производимой энергии. При сравнении различных источников удобно сопоставлять удельные капиталовложения, т. е. затраты на получение 1 кВт установленной мощности. Для АЭС эти затраты равны примерно 1000 руб./кВт. В то же время наша ветроустановка АВЭ-100/250, способная при скорости ветра 6 м/с развивать мощность 100 кВт, стоит 600 тыс. руб. (в ценах 1989 г.), т. е. для нее капзатраты составляют 6000 руб./кВт. А если учесть, что ветер не всегда дует с такой скоростью и поэтому средняя мощность оказывается в 3–4 раза меньше максимальной, то реальные капитальные затраты составят порядка 20 тыс.

руб./кВт, что в 20 раз выше, чем для АЭС.

Совершенно ясно, что даже к одному работающему ветряку близко подходить нежелательно, и притом с любой стороны, так как при изменениях направления ветра направление оси ротора тоже изменяется. Для размещения же сотен, тысяч, и тем более миллионов ветряков потребовались бы обширные площади в сотни тысяч гектаров. Дело в том, что ветроагрегаты близко друг к другу ставить нельзя, так как они могут создавать взаимные помехи в работе, «отнимая ветер» один от другого. Минимальное расстояние между ветряками должно быть не менее их утроенной высоты. Вот и считайте сами, какую площадь придется отвести для ВЭС мощностью 4 млн кВт.

При этом необходимо иметь в виду, что уже ничего другого на этой площади делать будет нельзя. Работающие ветродвигатели создают значительный шум и, что особенно плохо, генерируют не слышимые ухом, но вредно действующие на людей инфразвуковые колебания с частотами ниже 16 Гц. Кроме этого ветряки распугивают птиц и зверей, нарушая их естественный образ жизни, а при большом их скоплении на одной площадке могут существенно исказить естественное движение воздушных потоков с непредМетоды и средства энерго- и ресурсосбережения. Учеб. пособие -123ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ И РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ И РАСПРЕДЕЛЕНИИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ сказуемыми последствиями. Неудивительно, что во многих странах, в том числе в Ирландии, Англии и других, жители неоднократно выражали протесты против размещения ВЭС вблизи населенных пунктов и сельскохозяйственных угодий, а в условиях густонаселенной Европы это означает – везде. Поэтому было выдвинуто предложение о размещении систем ветряков в открытом море. Так, в Швеции разработан проект, согласно которому предполагается в Балтийском море недалеко от берега установить 300 ветряков. На их башнях высотой 90 м будут вращаться двухлопастные пропеллеры с размахом лопастей 80 м. Для строительства только первой сотни таких гигантов потребуется более 1 млрд долл., а вся система, на строительство которой уйдет минимум 20 лет, обеспечит производство всего 2 % электроэнергии от уровня потребления в Швеции в настоящее время. Но это пока только проект.

А тем временем в той же Швеции начато строительство одной ВЭС мощностью 200 кВт на расстоянии 250 м от берега, которая будет передавать энергию на землю по подводному кабелю. Аналогичные проекты были и у нас:

предлагали устанавливать ветряки и на акватории Финского залива, и на Арабатской стрелке в Крыму. Помимо сложности и дороговизны подобных проектов их реализация создала бы серьезные помехи судоходству, рыболовству, а также оказало бы все те же вредные экологические воздействия, о которых говорилось ранее. Поэтому и эти планы вызывают протест. Например, шведские рыбаки потребовали пересмотра проекта строящейся в море ВЭС, так как, по их мнению, подводный кабель, да и сама станция будут плохо влиять на рыб, в частности на угрей, мигрирующих в тех местах вдоль берега.

Из всего сказанного следует один очевидный вывод. Ветрогенераторы могут быть полезными в районах Крайнего Севера, например на льдинах у зимовщиков, или в некоторых других районах, куда затруднена подача энергии в других формах и где потребности в энергии относительно невелики. Но делать на них ставку при развитии большой энергетики совершенно нереально ни сейчас, ни в ближайшем будущем.

В ядре нашей планеты максимальная температура достигает 4000 °С.

Выход тепла через твердые породы суши и океанского дна происходит главным образом за счет теплопроводности (геотермальное тепло) и реже – в виде конвективных потоков расплавленной магмы или горячей воды [30].

Средний поток геотермального тепла через земную поверхность составляет примерно 0,06 Вт/м2. Этот непрерывный поток тепла обычно сравнивают с аналогичными величинами, связанными с другими возобновляемыми источниками и в среднем в сумме составляющими 500 Вт/м. Однако имеются районы с повышенными градиентами температуры, где потоки составляют примерно Методы и средства энерго- и ресурсосбережения. Учеб. пособие -124ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ И РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ И РАСПРЕДЕЛЕНИИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ 10–20 Вт/м2, что позволяет реализовать геотермальные станции (ГеоТЭС) тепловой мощностью 100 МВт/км2 и продолжительностью срока эксплуатации не менее 20 лет.

Качество геотермальной энергии обычно невысокое, и лучше его использовать непосредственно для отопления зданий и других сооружений или же для предварительного подогрева рабочих тел обычных высокотемпературных установок. Подобные отопительные системы уже эксплуатируются во многих частях света, значительное число проектов находится в стадиях разработки. Если тепло из недр удается получить при температуре около °С, то имеет смысл говорить о преобразовании его в электроэнергию. Несколько достаточно мощных ГеоТЭС уже запущены в Италии, Новой Зеландии, США. Наиболее просто использовать тепло пород с помощью тепловых насосов.

Принято выделять три класса геотермальных районов.

1. Гипертермальный. Температурный градиент – более 80 °С/км. Эти районы расположены в тектонической зоне, вблизи границ континентальных плит. Почти все из существующих ГеоТЭС размещены именно в таких районах.

2. Полутермальный. Температурный градиент – примерно от 40 до 80 °С/км. Подобные районы связаны главным образом с аномалиями, лежащими в стороне от границ платформ. Извлечение тепла производится из естественных водоносных пластов или из раздробленных сухих пород.

3. Нормальный. Температурный градиент – менее 40 °С/км. Такие районы наиболее распространены, именно здесь тепловые потоки составляют примерно 0,06 Вт/м2. Маловероятно, чтобы в таких районах даже в будущем стало экономически выгодно извлекать тепло из недр.

В каждом из перечисленных классов, в принципе, можно получить тепло за счет:

естественной гидротермальной циркуляции, при которой вода проникает в глубоко залегающие породы, где превращается в сухой пар, пароводяную смесь или просто нагревается до достаточно высокой температуры. Соответствующие выходы наблюдаются в природных условиях (гейзеры);

искусственного перегрева, связанного с охлаждением полурасплавленной магмы, застывшей в виде лавы;

охлаждения сухих скальных пород, обладающих достаточно низкой теплопроводностью. Создание искусственных разрывов в породах позволяет прокачивать через них воду, отбирая тепло.

На практике ГеоТЭС в гипертермальных районах работают на естественной гидротермальной циркуляции; в полутермальных районах используются как естественная гидротермальная циркуляция, так и искусственный перегрев за счет извлечения тепла из сухих горных пород. Нормальные же районы обладают слишком малыми температурными градиентами, чтобы представлять коммерческий интерес.

Методы и средства энерго- и ресурсосбережения. Учеб. пособие -125ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ И РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ И РАСПРЕДЕЛЕНИИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ Огромные количества энергии можно получить от морских волн. Возможность преобразования энергии волн в электроэнергию доказана уже давно. Существует множество технических решений, позволяющих реализовать эту возможность. В последние годы интерес к волновой энергетике резко усилился, в результате чего эксперименты переросли в стадию реализации проектов. Современные разработки таких установок ориентированы на единичные модули умеренной мощности (около 1 МВт) размером порядка 50 м вдоль фронта волны. Подобные устройства могут принести экономическую выгоду в случае замены дизельных генераторов, снабжающих энергией удаленные поселки, особенно на островах.

Развитие волновой энергетики сопряжено со значительными трудностями.

1. Волны нерегулярны по амплитуде, фазе и направлению движения.

2. Всегда есть вероятность возникновения штормов и ураганов, во время которых образуются волны очень большой интенсивности. Во время штормов конструкции должны выдерживать нагрузки, примерно в 100 раз большие, чем при нормальной работе.

3. Обычно период волн 5–10 с (частота порядка 0,1 Гц). Достаточно трудно приспособить это нерегулярное медленное движение к генерированию электроэнергии промышленной частоты, которая в 500 раз выше.

Преимущества волновой энергии состоят в том, что она достаточно сильно сконцентрирована, доступна для преобразования и на любой момент времени может прогнозироваться в зависимости от погодных условий. Создаваясь под действием ветра, волны хорошо сохраняют свой энергетический потенциал, распространяясь на значительные расстояния.

Приливные колебания уровня в огромных океанах планеты вполне предсказуемы. Основные периоды этих колебаний – суточные, продолжительностью около 24 ч, и полусуточные – около 12 ч 25 мин. Разность уровней между последовательными самым высоким и самым низким уровнем воды колеблется в диапазоне 0,5–10 м. Первая цифра наиболее характерна, вторая достигается лишь в некоторых местах вблизи континентов. Во время приливов и отливов перемещение водных масс образует приливные течения, скорость которых в прибрежных проливах и между островами достигает примерно 5 м/с.