Расчет и обоснование основных проектных параметров и технико-экономических показателей ВЭС в Калининградской области в г. Балтийске

Размещено на http://www.allbest.ru/

КУРСОВАЯ РАБОТА

Расчет и обоснование основных проектных параметров и технико-экономических показателей ВЭС в Калининградской области в г. Балтийске

1. Краткая характеристика региона

Природно-климатические условия Калининградской области

Калининградская область располагается на западной окраине Восточно-Европейской равнины у юго-восточного побережья Балтийского моря. Климат области переходной от умеренно-континентального к морскому. Среднегодовая температура около 8єС. Средне июльская температура 17єС, средне январская температура -3єС. Продолжительность безморозного периода около 180 суток, около 240 дней с осадками, сумма которых в среднем составляет от 400 до 1100 мм. Весна и начало лета нередко засушливы. Преобладающее направление ветров - западное со средней скоростью до 4 м/сек. Основные типы почв - дерновые, подзолистые и болотные с переходными разновидностями. Основные лесообразующие породы - ель, сонна, дуб, береза, клен. Животный мир области имеет богатую фауну: европейский (благородный) олень, лось, косуля, лань, дикие кабаны, заяц и др.

Природно-климатические и географические условия позволяю широко развивать туризм и санаторно-курортный комплекс на базе курортных городов Светлогорск, Зеленоградск, Пионерский. На территории области имеются уникальнейшие природные образования - Национальный природный парк «Куршская коса» и «Вислинская коса».

Экономико-географическое положение Калининградской области

Калининградская область граничит с Литвой (200 км) и Польшей (210 км), протяженность морского побережья - 140 км. Площадь Калининградской области - 15,1 тыс. км². Максимальная протяженность области с севера на юг составляет 110 км, с запада на восток -195 км. Численность населения Калининградской области составляет около 1 миллиона человек.

Географическое положение области, незамерзающее побережье, близость к Атлантическому океану и странам Европы создают чрезвычайно благоприятные предпосылки для развития многих приморских отраслей экономики, внешнеторговых связей и курортного хозяйства.

2. Характеристика ветрового режима территории

2.1 Общая характеристика ветрового режима

Рассматриваемая территория с запада омывается Балтийским морем, Курским и Вислинским заливами.

Территория области представляет собой низменную равнину, понижающуюся в сторону моря. В ряде мест поверхность всхолмлена, высота её колеблется от 0 до 200 метров над уровнем моря. На косах и местами на побережье рельеф дюнный, большинство дюн закреплено посадками леса хвойных пород.

В Калининградской области леса занимают небольшие площади. Наиболее лесистая местность, прилегающая к Курскому заливу, лесиста юго-западная и центральная часть области. Крайне обезлесена территория, непосредственно прилегающая к Калининградскому заливу.

Болота в Калининградской области занимают около 6% территории.

Ветровой режим на рассматриваемой территории обусловлен сезонным режимом барических центров, стационирующих над Атлантикой и континентом Евразии. В холодный период года располагаются холодные антициклоны. В результате взаимодействия этих барических центров возникают большие горизонтальные градиентные давления, обусловливающие большие скорости ветра.

Осенью и зимой на большей чести территории преобладают юго-западные и южные ветра, а на побережье - юго-восточные. Летом преобладают ветры преимущественно западных направлений: западные и юго-западные.

Холодный период года характеризуется наибольшей устойчивостью ветрового потока, выражающейся в большой повторяемости ветра преобладающий румбов.

2.2 Среднемесячная и среднегодовая скорости ветра

Данные о среднемесячной и годовой скоростях ветра представлены для выбранных станций в табл. 1.

Таблица 1.

Станция	Высота флюгера hф, м	I	II	III	IV	V	VI	VII	VIII	IX	X	XI	XII
Скорость ветра на высоте флюгера	16	7,5	6,5	5,9	5,0	4,7	4,9	5,1	5,7	6,2	6,8	6,8	7,6
Скорость ветра на высоте башни ВЭУ		9,0	7,8	7,1	6,0	5,7	5,9	6,1	6,9	7,5	8,2	8,2	9,1

В табл. 1 представлены скорости ветра для высоты флюгера меньше расчетной установки ВЭУ. Поэтому для дальнейшего расчета нам понадобится поправочный коэффициент высоты и скорость ветра на высоте 60 м U, которые определяются по формуле:

,

,

где - поправочный коэффициент высоты (экспонента Хельмана); H - высота, на которой необходимо знать скорость ветра U; - высота флюгера; m=0,14 - показатель степенной функции, меняющийся в зависимости от скорости ветра и от метеоусловий; - скорости ветра на высоте H=60 м; - скорость ветра на высоте флюгера.

2.3 Повторяемость направлений ветра и штилей

Повторяемость направлений ветра и штилей представлена в табл. 3.

Таблица 2

№

Станция

Румб

С

СВ

В

ЮВ

Ю

ЮЗ

З

СЗ

Штиль

32

Балтийск

ДФ, %

11

8

12

11

14

16

14

14

3

К

10б

9б

9б

9б

9б

10б

10б

10б

Данные, представленные в табл. 2, позволяют определить класс открытости метеостанций. Общий класс открытости станции определяется по формуле:

,

где - табличный класс открытости по каждому румбу направления ветра (в данном случае одинаковый для всех направлений); - табличное значение повторяемости ветра данного румба за год, %.

Следует иметь в виду, что , исключая штиль. Однако многие, а часто большинство метеостанций, не являются репрезентативными. Поэтому при ветроэнергетических расчетах обрабатывают данные всех метеостанций.

Поскольку ветроэнергетические ресурсы определяются для условий открытой местности, на которой может предполагаться строительство ВЭУ и ВЭС, то вводится поправочный коэффициент открытости , который можно определить по формуле:

,

где - максимальный коэффициент открытости, который принимают:

- для районов, находящихся на открытом побережье моря или океана, а также для островов;

- для районов, находящихся в прибрежной зоне;

- для районов, удаленных от береговой линии.

Если максимальное значение табличного коэффициента открытости больше, чем указанные выше значение , то следует принять: .

Класс открытости станции Балтийск К_общ.=9,55.

3. Вероятность скорости ветра по градациям

Вероятность скорости ветра по градациям является важнейшей характеристикой ветрового кадастра. Это распределение характеризует повторяемость или вероятность значений заданных скоростей ветра (градацией) в% от общего числа случаев за рассматриваемый период времени (месяц, год).

Вероятность скорости ветра по градиентам для всех станций представлена в табл. 3.

Таблица 3. Вероятность скорости ветра по градациям (в% от общего числа случаев) для ст. Балтийск

Градация скорости	Uгр	0-1	2-3	4-5	6-7	8-9	10-11	12-13	14-15	16-17	18-20	21-24	25-28
Среднее значение градации	U	0,5	2,5	4,5	6,5	8,5	10,5	12,5	14,5	16,5	19	22,5	26,5
Дифференциальная повторяемость	dF=f(U)	4,2	10,5	13,0	13,8	13,3	11,7	9,7	7,7	5,7	5,5	4,9
Интегральная повторяемость	F(U)	4,2	14,7	27,7	41,5	54,8	66,5	76,2	83,9	89,6	95,1	100,0

В таблице 4 представлена дифференциальная повторяемость средней приведенной скорости ветра по месяцам по градациям в% от общего числа случаев. Значения дифференциальной повторяемости скорости ветра по месяцам определяются по известным значениям приведенной среднемесячной скорости ветра, рассчитанной в таблице 1, в соответствии с приложением [1, с. 46-50] для первого типа распределения скоростей (побережье открытого моря).

Таблица 4. Дифференциальная повторяемость скорости ветра по месяцам по градациям в% от общего числа случаев

месяц	I	II	III	IV	V	VI	VII	VIII	IX	X	XI	XII
Uпр, м/с
0,5	0,8	1,1	1,3	1,6	1,8	1,7	1,6	1,3	1,2	1	1	0,8
1	4,15	5,1	5,9	7,5	8,1	7,7	7,3	6,2	5,4	4,7	4,8	4
2	5,7	7	8,1	10,1	10,8	10,3	9,8	8,4	7,4	6,5	6,6	5,6
3	6,75	8,2	9,3	11,4	12,1	11,6	11,1	9,7	8,6	7,7	7,8	6,6
4	7,35	8,8	9,9	11,7	12,3	11,9	11,5	10,2	9,2	8,3	8,4	7,2
5	7,7	9	9,9	11,2	11,6	11,3	11,1	10,1	9,4	8,5	8,6	7,5
6	7,75	8,8	9,5	10,2	10,3	10,2	10,1	9,6	9,1	8,4	8,5	7,7
7	7,6	8,4	8,7	8,8	8,7	8,8	8,9	8,8	8,5	8,1	8,2	7,5
8	7,3	7,7	7,8	7,3	7	7,3	7,4	7,7	7,7	7,6	7,6	7,2
9	6,8	6,9	6,7	5,9	5,4	5,7	6	6,6	6,8	6,9	6,9	6,8
10	6,2	6	5,6	4,5	4	4,3	4,6	5,4	5,9	6,1	6,1	6,2
11	5,6	5,1	4,5	3,3	2,8	3,1	3,4	4,3	4,9	5,3	5,3	5,6
12	4,9	4,2	3,6	2,3	1,9	2,2	2,5	3,4	4	4,5	4,5	4,9
13	4,25	3,4	2,7	1,6	1,3	1,5	1,7	2,5	3,2	3,8	3,7	4,3
14	3,6	2,7	2,1	1,1	0,8	1	1,2	1,9	2,5	3,1	3	3,7
15	3	2,1	1,5	0,7	0,5	0,6	0,7	1,3	1,8	2,4	2,4	3,1
16	2,45	1,6	1	0,4	0,3	0,4	0,5	0,9	1,4	1,9	1,8	2,5
17	1,95	1,2	0,7	0,2	0,2	0,2	0,3	0,6	1	1,5	1,4	2,1
18	1,55	0,9	0,5	0,1	0,1	0,1	0,2	0,4	0,7	1,1	1	1,7
19	1,2	0,6	0,3	0,1	-	0,1	0,1	0,3	0,5	0,8	0,8	1,3
20	0,95	0,4	0,2	-	-	-	-	0,2	0,3	0,6	0,5	1
21	2,45	0,8	0,2	-	-	-	-	0,2	0,5	1,2	1,1	2,7

4. Тип и характеристика ВЭУ

В состав ВЭС предполагается включить ВЭУ датской фирмы NEG MICON типа NM 1500/64 мощностью 1500 кВт. Данная установка относится к ВЭУ больших мощностей.

Основные технические характеристики данных установки MICON NM 1500/64:

- установленная (номинальная) мощность - 1500 кВт;

- диаметр ветроколеса - D=64 м;

- высота башни - Н=60 м (башня коническая);

- ометаемая площадь - S=3217 м²;

- минимальная скорость ветра - u=4 м/с;

- номинальная скорость ветра - u=16 м/с;

- максимальная скорость ветра - u=25 м/с;

- количество лопастей - 3 шт.

Частота вращения ветроколеса 17 об/мин.

Генератор асинхронный с двумя парами полюсов. Номинальная частота электрического тока 50 Гц. Номинальное напряжение 690 В.

Вес трех лопастей - 16.5 т. Масса одной лопасти, соответственно, 5.5 т.

Вес втулки ветроколеса 14 т.

Вес башни - 83 т.

Вес гондолы с ротором и валом - 55 т.

Общий вес конструкции (суммарный): 170 т.

4.1 Характеристика отдачи мощности

Характеристика отдачи мощности в зависимости от скорости ветра данной ВЭУ «Micon NM 1500/64» представлена на графике (рис. 1):

На характеристике ВЭУ указаны следующие характерные значения скорости ветра:

4 м/с. - минимальная скорость ветра, при которой ВЭУ начинает отдавать мощность;

16 м/с. - расчетная скорость ветра, при которой мощность ВЭУ достигает значения, равного ее установленной мощности;

25 м/с. - максимальная скорость ветра, выше которой ВЭУ автоматически останавливается.

Приведем таблицу отдаваемой мощности ВЭУ от скорости ветра (табл. 5).

Таблица 5

u,	м/с	4	5	6	7	13,5	14	15	16	17	17,5	25	25	30
N,	кВт	0	50	125	250	1390	1450	1490	1500	1475	1450	1250	0	0

4.2 Описание устройства ВЭУ, оборудования, механизмов

Рассмотрим продольный разрез по ветроголовке.

Продольный разрез гондолы

1 - Лопасть.

2 - Главный вал.

3 - Главный Подшипник.

4 - Ступица.

5 - Воздушная вставка.

6 - Двигатель отклонения от курса (поворотное устройство гондолы).

7 - Основная конструкция гондолы.

8 - Редуктор.

9 - Коллекторные кольца.

10 - Кабели генератора.

11 - Решетка.

12 - Генератор.

13 - Анемометр.

14 - Подъемный кран (вспомогательное оборудование).

15 - Тормозной диск.

16 - Окошки.

17 - Пульт управления.

У ВЭУ имеются три лопасти, выполненные из металла. Место, где сходятся эти лопасти, называется ступицей (4). В ступице спрятаны устройства, которые поворачивают лопасти вокруг своей оси. Ступица жестко соединена с валом (2).

Ротор генератора соединен с главным валом. Вал опирается через главный подшипник (3) и редуктор (8) на основную конструкцию гондолы (7). Редуктор необходим для преобразования частоты вращения вала генератора (18). Редуктор с передаточным числом 1:87,8. Генератор (12) работает в режиме с постоянной частотой вращения лопастей и переменной быстроходностью. Асинхронный генератор с двумя парами полюсов расположен в хвостовой части гондолы. Генераторные кабели (10) через токосъёмник соединены с коллекторными кольцами. Коллекторные кольца исполняют роль неподвижных шин.

Рабочее пространство, заключенное в гондоле, позволяет свободно работать двум специалистам.

На верху гондолы установлен анемометр (13) и уловитель направления ветра. При изменении направления ветра поворотное устройство (6) разворачивает ротор по ветру. Если же скорость ветра превышает максимальную скорость ветра, то сигнал от анемометра передается в поворотное устройство лопасти и разворачивает лопасть (остановка ветроколеса).

4.3 Определение основных нагрузок, действующих на ВЭУ

1. Лобовое давление Р_л

,

где В-коэффициент лобового давления, примем В=0.9;

- площадь ветроколеса

Определим изгибающий момент, действующий на лопасть.

- расстояние от центра ветроагрегата, на котором на лопасть действует изгибающая сила.

Опрокидывающий момент:

2. Вращающий момент

3. Масса ветроагрегата и башни

Складываются в одну вертикальную силу .

4.4 Оценочный расчет фундамента ВЭУ

Для определения глубины промерзания фундамента необходимо учесть глубину промерзания и прочностные деформационные свойства грунта.

d_f=K_h•d_fn;

где K_h - коэффициент, учитывающий влияние теплового режима сооружения, для наружных и внутренних фундаментов неотапливаемых помещений K_h принимается равным 1,1; d_fn - нормативная глубина сезонного промерзания грунта (для средних широт определяется по карте, d_fn=1,88 м).

4.5 Проверка фундамента основания на опрокидывание и сдвиг

Конструктивно принимаем квадратный фундамент со стороной 10 м и рассчитываем его на действие опрокидывающего момента и сдвиг.

,

где: - момент сопротивления квадратного фундамента,

;

N - суммарная нагрузка,

N=N_верт+G_фунд;

- осредненное значение удельного веса грунта и бетона;

- площадь квадратного фундамента,

т,

- момент от действия ветровой нагрузки; т·м

,

.

Должны выполняться 2 условия:

,

где: и - коэффициенты условий работы:

, ;

; ;

,, ;

и - характеристики грунта над подошвой: глина , МПа;

d - глубина заложения фундамента, d = 2.1 м;

b =10 м - ширина фундамента;

- глубина подвала, .

Условия и не выполняются.

фундамент не устойчив к ветровой нагрузке, требуется увеличение размеров фундамента.

Увеличим размер стороны квадратного фундамента до 20 м:

т

N=N_верт+G_фунд=170+1932=2102т

Условие выполняется (3.13>0).

Условие = 36.84выполняется.

Т.о. размеры фундамента 20 м х 20 м.

5. Ветроэнергетические расчеты

5.1 Расчет выработки ВЭУ

Выработка ВЭУ по месяцам:

где Т_исп - число часов использования установленной мощности ВЭУ, определяемое при помощи следующего выражения:

где 30,5 - среднее число дней в месяце; 24 - число часов в сутках - коэффициент использования установленной мощности ВЭУ:

Годовая выработка ВЭУ определяется суммой выработки по месяцам.

Указанные вычисления для каждого месяца производим при помощи программы Consupt 1, полученные значения представим в табличном виде (табл. 6).

Таблица 6

Месяц	Кисп	Тисп, ч	Эвэу, кВтч
Январь	0,355	259,9	389790
Февраль	0,299	218,9	328302
Март	0,256	187,4	281088
Апрель	0,182	133,2	199836
Май	0,16	117,1	175680
Июнь	0,175	128,1	192150
Июль	0,19	139,1	208620
Август	0,24	175,7	263520
Сентябрь	0,281	205,7	308538
Октябрь	0,321	235,0	352458
Ноябрь	0,302	221,1	331596
Декабрь	0,361	264,3	396378

6. Компоновка ВЭС. Определение основных технико-экономических показателей ВЭС

6.1 Размещение ВЭУ в составе ВЭС на местности

Размещение ВЭУ в составе ветрового парка ВЭС на местности выполняется в соответствии с розой ветров и рельефом местности заданной карты.

Необходимо учитывать, что расстояние между ветровыми установками должно составлять не менее (5-10) диаметров ВК.

В данном проекте предполагается установка 16 ветровых установок на расстоянии равном 7 диаметрам ВК, т.е. 450 м, вдоль преобладающего направления ветра, и на расстоянии равном 5 диаметрам ВК, т.е. 350 м, в перпендикулярном направлении. Таким образом, общая мощность ВЭС будет составлять 24 МВт.

Для обеспечения проезда к установкам необходимо предусмотреть подъездные пути шириной не менее 6 м и, кроме того, общую дорогу, ведущую от города Балтийска к ветровой станции.

6.2 Электрическая схема выдачи мощности ВЭС

Проектируемая ВЭС состоит из 16 ветроагрегатов. Мощность каждого ветроагрегата составляет 1500 кВт. Полная мощность проектируемой ВЭС составляет 24 МВт.

Разделим ВЭС на четыре блока по 2-3 ВЭУ в каждом. Мощность каждого блока выдается на систему шин (U_нн=0,69 кВ) и через трансформатор на КТП. От КТП по кабельной линии(U_вн=10 кВ) на ОРУ. С ОРУ к потребителям.

Выбор трансформаторов для блоков:

· Для блока из трех ВЭУ. Так как мощность блока составляет 4500кВА, то выбираем тр-р ТМ-6300/10 (с. 128)

S_ном=6300 кВА

U_вн=10,5 кВ

U_нн=0,69 кВ

· Для блока из двух ВЭУ. Так как мощность блока составляет 3000 кВА, то выбираем тр-р ТМ-4000/10 (с. 128)

S_ном=4000 кВА

U_вн=10,5 кВ

U_нн=0,69 кВ

6.3 Определение выработки ВЭС по месяцам и за год, годовой график отдачи мощности ВЭС

Установленная мощность ВЭС определяется количеством ВЭУ () в составе ветрового парка:

Годовая выработка ВЭС:

где - коэффициент, учитывающий простои ВЭУ по техническим причинам, в среднем принимается .

Годовое число часов использования установленной мощности ВЭС:

Для построения годового графика отдачи мощности ВЭС определяется среднемесячная мощность ВЭС, например, за январь:

(5.4)

где - коэффициент использования установленной мощности ВЭУ в январе месяце, определяемый по январскому распределению скоростей ветра по градациям.

	Кисп	NВЭС, кВт
Январь	0,355	7668
Февраль	0,299	6458,4
Март	0,256	5529,6
Апрель	0,182	3931,2
Май	0,16	3456
Июнь	0,175	3780
Июль	0,19	4104
Август	0,24	5184
Сентябрь	0,281	6069,6
Октябрь	0,321	6933,6
Ноябрь	0,302	6523,2
Декабрь	0,361	7797,6

6.4 Оценка экономической эффективности ВЭС

Основную долю затрат в общих капвложениях ВЭС () чаще всего составляет стоимость основного оборудования (), т.е. стоимость всех ВЭУ ветрового парка ВЭС, поставляемых фирмами - изготовителями.

В настоящее время удельная стоимость (стоимость на 1 кВт номинальной мощности ВЭУ) основного оборудования в зависимости от мощности ВЭУ составляет:



Общие капиталовложения (проектная сметная стоимость) ВЭС могут быть оценены косвенно через коэффициент строительных работ, учитывающий затраты по доставке основного оборудования, стоимость дополнительного и вспомогательного оборудования, строительно-монтажные работы, в т.ч. фундаменты ВЭУ, подъездные пути и др., в т.ч. непредвиденные расходы.

Строительный коэффициент может меняться в широких пределах в зависимости от района строительства ВЭС, местных условий, типа грунтов и т.д.

Ежегодные издержки ВЭС () по опыту проектных организаций принимаются в% от (от 5 до 10%).

Издержки составляют 7% от К.

Себестоимость 1 (кВт·ч) электроэнергии ВЭС:

Относительный срок окупаемости капиталовложений ВЭС:

где - цена (тариф) отпускаемой электроэнергии ВЭС.

устанавливается в зависимости от существующего (действующего) тарифа на электроэнергию в регионе и перспективы развития электроэнергетики.

Предполагается, что .

Вытеснение органического топлива.

Годовая экономия органического топлива ():

где - средний удельный расход топлива в килограммах условного топлива на киловатт-час [кг у.т./(кВт·ч)] в энергосистеме для сетевых ВЭС;

- удельный расход натурального топлива в [кг н.т./(кВт·ч)] для автономных ВЭС, работающих совместно с дизельными электростанциями (ДЭС).

По результатам ветроэнергетических расчетов и оценки экономической эффективности ВЭС составляется итоговая таблица основных технико-экономических показателей ВЭС.

7. Основные технико-экономические показатели ВЭС

№ п/п	Показатель	Обозначение	Ед. изм.	Значение
	I. Энергетические показатели.
1	Установленная мощность ВЭС		кВт	24000
2	Единичная установленная мощность ВЭУ, тип ВЭУ		кВт	1500
3	Количество ВЭУ в составе ветрового парка ВЭС		ед.	16
4	Годовая выработка ВЭС		кВт·ч	3427956
5	Годовое число часов использования установленной мощности ВЭС		час	2057
	II. Стоимостные показатели.
6	Оценочная проектная сметная стоимость (капиталовложения) ВЭС		млн. у. е.	57.6
7	Стоимость основного оборудования ВЭС		млн. у. е.	1200
8	Удельные капиталовложения ВЭС		у. е./кВт	2400
9	Ежегодные издержки ВЭС		млн. у. е.	4
10	Себестоимость электроэнергии ВЭС		у. е./(кВт·ч)	0.08
11	Оценочный относительный срок окупаемости при цене (тарифе) на эл. энергию ВЭС		лет	3
12	Годовая экономия органического топлива		тыс. т.у.т.	1979

Список литературы

ветровой установка фундамент скорость

1. В.В. Елистратов, М.В. Кузнецов, Теоретические основы нетрадиционной и возобновляемой энергетики, часть 1, Учебное пособие, С-Петербург, издательство СПбГПУ, 2004 г.

2. М.В. Кузнецов о методике ветроэнергетических расчетов, Электрические станции, 1992, №7.

3. В.В. Елистратов, И.А. Константинов, А.А. Панфилов, расчет фундаментов ВЭУ, нагрузки на элементы ВЭУ, на ее фундамент и основание, Учебное пособие, СПбГПУ, 2001 г.

4. Методические указания по выполнению курсовой работы «Расчёт и обоснование основных проектных параметров и технико-экономических показателей ВЭС», 2007, СПбГПУ (рукопись).

Размещено на Allbest.ru