ANALYSIS OF THE METHOD OF DETERMINING THE OPTIMAL VOLUME OF THE STORAGE RESERVOIR FOR THE POWER COMPLEX AS PART OF THE WES-PSPP

Full Text

В настоящее время весьма актуальным, в условиях значительного роста цен на традиционные энергоносители, а также ежегодно ухудшающейся экологической ситуации в мире, является использование возобновляемой энергии посредством комплексного использования Градостроительство и архитектура | 2021 | Т. 11, № 1 88 ГИДРОТЕХНИЧЕСКОЕ СТРОИТЕЛЬСТВО гидроаккумулирующей и ветровой энергии на базе энергокомплексов. Особенно перспективным и актуальным будет использование в экологически неблагоприятных регионах энергокомплексов, включающих как гидроаккумулирующую, так и ветровую энергоустановку. Такие комбинированные энергетические станции получили название энергокомплексов в составе ВЭС-ГАЭС [1, 2]. Особенностью использования таких энергокомплексов является то, что они могут быть построены в экологически неблагоприятных регионах, не относящихся к первоочередным по освоению ветровой энергетики. Широкое распространение энергокомплексы в составе ВЭС- ГАЭС в настоящее время не получили, и на то есть ряд объективных причин. Первое - это отсутствие методов по обоснованию экономической эффективности энергокомплексов, использующих возобновляемые источники энергии. Второе - недостаточно изучены методы расчета оптимальных параметров энергокомплексов, к которым следует отнести расчеты по определению объема аккумулирующего водохранилища энергокомплекса. Третье - влияние комбинированных энергоустановок на окружающую природную среду является не изученным в том объеме, в котором требуется принятие проектных и технических решений по первоочередному использованию энергоустановок такого типа. На кафедре природоохранного и гидротехнического строительства Самарского государственного технического университета исследования, проводимые, в свое время, профессором, д.т.н. М.И. Бальзанниковым, сформировали достаточный научный задел, позволяющий решить одну из главных задач, связанных с эффективным использованием энергокомплексов в составе ВЭС-ГАЭС. И этой задачей является определение оптимального объема аккумулирующего водоема для энергетического комплекса. Решение данной задачи с использованием анализа методов экономической эффективности, методов экологического обоснования для автономных систем электроснабжения, к которым можно отнести и энергокомплексы в составе ВЭС-ГАЭС, будет являться крайне своевременной и актуальной. Расчеты по определению оптимальных параметров сооружений энергокомплексов в составе ВЭС-ГАЭС, рационального размещения сооружений, сопутствующие расчеты по определению оптимального местоположения аккумулирующего водоема, с учетом экономических, экологических условий, условий динамики местного инвестирования, - в конечном итоге позволят разработать рекомендации по проектированию и строительству в конкретных условиях энергокомплексов подобного рода [3]. Кроме этого, данные методы и расчеты позволят повысить конкурентоспособность комбинированных энергоустановок по сравнению с традиционными типами. Основной задачей ГАЭС в совместной работе энергокомплекса является выработка электрической энергии в периоды простоя ВЭС из-за ветровых затиший, и это позволяет сделать вывод о том, что непосредственно рабочие характеристики ВЭС и сам тип ветрового агрегата влияют на выбор оптимального объема аккумулирующего водоема ГАЭС. Оптимальный объем водохранилища должен обеспечивать работу ГАЭС в турбинном режиме в период ветровых затиший. Последние, в свою очередь, зависят от местоположения энергокомплекса, от частоты появления и продолжительности. Эти характеристики ВЭС, а именно их интегральные составляющие были получены для условий Самарской области с помощью разработанной на кафедре природоохранного и гидротехнического строительства профессором М.И. Бальзанниковым программы «VET». Результаты расчета были обработаны и представлены в виде графиков. Если ввести допущение, что продолжительность ветровых затиший является величиной непрерывной, то полезный объем аккумулирующего водоема энергокомплекса, необходимый для обеспечения работы ГАЭС в турбинном режиме, будет определяться формулой где NТ - мощность гидравлической турбины; ТЗ - расчетная продолжительность непрерывного затишья ветра; HТ - расчетный напор турбинного режима; η - КПД агрегата в турбинном режиме. Как показали исследования, наиболее длительные непрерывные энергетические затишья имеют очень малую вероятность и повторяемость. В связи с этим нецелесообразно проектировать водоемы ГАЭС с максимальным объемом, позволяющим обеспечивать потребителя электроэнергией со 100 %-й обеспеченностью [4]. В редких случаях необеспечения энергией экономически выгоднее выплачивать потребителю штраф. На кафедре природоохранного и гидротехнического строительства СамГТУ выполнены многочисленные исследования влияния величины ставки штрафа на выбор полезного объема. Проводились аналитические расчеты при различных мощностях и сочетаниях состава основных объектов энергокомплекса ГАЭС-ВЭС. В частности, рассматривались варианты ветро- С. В. Евдокимов, Н. В. Бекин 89 Градостроительство и архитектура | 2021 | Т. 11, № 1 агрегатов как с концентраторами ветрового потока, так и без них. Так, графические расчеты изменения дисконтированной стоимости затрат по водоему и выплачиваемых штрафов за недовыданную электроэнергию при варьировании расчетной продолжительностью энергетических затиший, а следовательно, полезным объемом водоема для варианта энергокомплекса ГАЭС-ВЭС с ветроагрегатами АВЭ-250 показали следующее. Если в энергокомплексе ветроагрегат используется без концентраторов потока, то оптимальная расчетная продолжительность непрерывного энергетического затишья, на которую экономически целесообразно предусмотреть объем аккумулирующего водоема, составит 42 часа. Однако если применять концентраторы ветрового потока, то величина эта может быть снижена до 12 часов, при этом стоимость штрафов и затраты на возведение водоема сократятся в два раза [5, 6]. Аналогичные результаты были получены и в других вариантах. Таким образом, использование новых конструкций ВЭС не только увеличивает выработку электроэнергии, но и уменьшает объем недовыданной энергии потребителю и сокращает затраты по аккумулирующему водоему. Кроме этого, применение концентраторов обеспечивает снижение платы за земельные ресурсы, необходимые для ее отвода под водоем. В качестве приложения разработанных методик были рассмотрены многочисленные варианты размещения энергокомплексов ГАЭС-ВЭС и определены их параметры. Ниже приводятся некоторые из полученных результатов. Рассмотрим работу энергокомплекса ГАЭС-ВЭС по схеме, когда электроснабжение идет только от ГАЭС. График суточной нагрузки зададим в соответствии с таблицей. Пример осредненных данных графика суточной нагрузки Интервалы времени, ч 0 - 2 2 - 4 4 - 6 6 - 8 8 - 10 10 - 12 Нагрузка, МВт 0,2 0 0,2 0,6 1,4 1,6 Интервалы времени, ч 12 - 14 14 - 16 16 - 18 18 - 20 20 - 22 22 - 24 Нагрузка, МВт 1 2 2,5 2 1,1 0,6 Исходя из этих данных, сделан вывод, что установленная мощность турбин на ГАЭС должна быть 2,5 МВт. Средняя суточная нагрузка составит 1,1 МВт, следовательно, для расчетного периода в три месяца объем потребления энергии составит 2,4 млн. кВт·ч. Тогда при ηА = 0,74 выработка на ВЭС должна составлять 3,24 млн. кВт·ч. Если для электрообеспечения использовать ветроагрегаты АВЭ-250 с концентраторами, то выработка энергии одним ВЭА будет равна 0,33 млн. кВт·ч. Следовательно, потребуется 10 агрегатов. Таким образом, общая установленная мощность ВЭС будет равна 2,5 МВт. При требовании потребителя обеспечивать его энергий с обеспеченностью 99 % расчетная продолжительность затиший составит 73 часа, которой при напоре 260 м будет соответствовать полезный объем водоема 340 тыс. м3. Его энергетический эквивалент составляет 0,2 млн. кВт·ч. Если обеспеченность снизить до 94 %, то объем водоема уменьшится до 60 тыс. м3. Рассмотрим работу ГАЭС-ВЭС по схеме, когда ВЭС может непосредственно обеспечивать энергией потребителя при наличии ветра. Тогда ГАЭС выдает энергию только в часы энергетических затиший. При соотношении поставляемой энергии 4 : 1, например 1,9 млн. кВт·ч и 0,5 млн. кВт·ч, необходимая выработка на ВЭС составит 2,6 млн. кВт·ч при том же значении КПД аккумулирования. Тогда потребуется 8 агрегатов АВЭ-250. Вывод. Представленная методика, помимо определения оптимального объема, позволяет выбирать наиболее рациональное расположение и очертание аккумулирующего водоема на местности, вписывать контур водоема в естественно-природные условия, а также оптимизировать соотношение его глубины сработки и площади поперечного сечения.

About the authors

Sergey V. Evdokimov

Samara State Technical University

Nikolai V. Bekin

RusHydro-Zhigulevskaya HPP

References

Supplementary files