Повышение надежности водо- и энергоснабжения удаленных объектов за счет применения мобильных подпорных сооружений комплексного назначения

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 627.82:631.672:620.9

ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ВОДО- И ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ УДАЛЕННЫХ ОБЪЕКТОВ ЗА СЧЕТ ПРИМЕНЕНИЯ МОБИЛЬНЫХ ПОДПОРНЫХ СООРУЖЕНИЙ КОМПЛЕКСНОГО НАЗНАЧЕНИЯ

Д.В. Кашарин

В настоящее время во всем мире наблюдается повышенный интерес к использованию в различных отраслях экономики нетрадиционных возобновляемых источников энергии (ВИЭ), к которым также относятся микро- и малые ГЭС. Ведется дискуссия о выборе путей развития энергетики.

Уникальными обладателями всех видов ВИЭ являются Краснодарский и Ставропольский края. Экономический потенциал этих источников в России оценен в 314 млн тонн условного топлива (т у. т.) в год, что равно трети внутреннего потребления первичной энергии. Однако эти возможности используются на 5-10 %. Для России такими ресурсами в первую очередь являются энергия малых рек, ветровая и солнечная энергия, энергия морских приливов, торф, геотермальные воды. В топливно-энергетическом балансе регионов необходимо использовать потенциал местных нетрадиционных и возобновляемых видов топливно-энергетических ресурсов. Целесообразность такого выбора подтверждается данными таблицы 1 [1].

Таблица 1 - Сравнение эффективности децентрализованных источников энергии с централизованными на территории РФ в 2011 г.

Одной из основных проблем развития и внедрения энергогенерирующих систем на основе возобновляемых источников энергии является нестабильность выработки электроэнергии по времени, что приводит к низкому ее качеству по сравнению с традиционными электростанциями.

Потребление электроэнергии автономным потребителем может меняться в широком диапазоне. Характерный график нагрузки автономного потребителя зимой и летом представлен на рисунке 1. В ночной время суток имеется провал нагрузки, в дневное и вечернее время - пиковые нагрузки [1]. Проблема не решается с применением аккумуляторов, так как это приводит к существенному увеличению себестоимости электроэнергии.

В Западной Европе проблема пиковых нагрузок решается, главным образом, с помощью газотурбинных установок, работающих на газовом топливе или соляровом масле. Однако это не экологичные системы, существенно увеличивающие себестоимость выработки электроэнергии.

Рисунок 1 - Суточные графики нагрузки для автономной системы энергоснабжения

В связи с этим возникает необходимость в накоплении энергии за счет аккумулирующих систем, которые будут играть роль демпфирующего устройства, сглаживающего колебания мощности источника. Стоимость аккумуляторов энергии играет существенную роль в цене производимой электроэнергии [2]. На основе анализа существующих систем аккумулирования энергии нами разработана их классификация, представленная на рисунке 2.

В настоящее время существует множество технологий аккумулирования энергии, однако они имеют ряд недостатков, что не позволяет их использовать повсеместно. Для условий России с учетом обширности и географических особенностей ее территории наиболее целесообразным представляется проведение на государственном уровне разумной политики по максимальному использованию естественного экологически чистого возобновляемого источника энергии - воды - путем восстановления старых и сооружения новых микро- и малых ГЭС, которые могли бы успешно решать локальные задачи по обеспечению потребителей дешевой электрической энергией [3].

Развитие малой и микро-гидроэнергетики на данный момент перспективно в районах с высокой плотностью гидроэнергетических ресурсов (преимущественно горные территории) и низкой плотностью электросетей (в первую очередь районы без возможности присоединения к централизованной сети) [4].

Рисунок 2 - Классификация аккумуляторов энергии

В настоящее время вблизи малых водотоков Российской Федерации расположено около 90 % сельскохозяйственных объектов и населенных пунктов. Многие из них являются территориально разрозненными и удаленными от централизованных коммуникационных сетей, сезонно действующими объектами небольшой энергоемкости (фермерские хозяйства, коттеджи, малые предприятия, оросительные системы и т.д.), для энергоснабжения которых рационально использовать местные водные ресурсы - малые реки и каналы. В большинстве своем они являются равнинными с глубиной, не превышающей 1,5 м в период низкой межени, и средним многолетним расходом менее 5 м3/с. Эти водотоки наиболее уязвимы, поэтому требуется достаточная пропускная способность их русла для следующих целей: сохранение экологического состояния; транспортировка наносов; обеспечение нереста рыбы; предотвращение затопления прилегающих территорий в период половодий и паводков. В тоже время в связи с неравномерностью энергопотребления необходимо аккумулирование энергии. Эту задачу можно решить аккумулированием речного стока, что позволит производить суточное регулирование энергоснабжения небольших потребителей.

Проведенный анализ показал, что оптимальным решением для снятия пиков нагрузок в децентрализованной энергосистеме, расположенной вблизи малых водотоков, является использование гидравлических установок. С этой целью необходимо проектировать микро-ГЭС на мощность, превышающую среднюю мощность водотока. Они должны работать, в основном, в переменной части графика нагрузки, аккумулируя воду в верхнем бьефе в периоды падения нагрузки, срабатывая ее в пике.

Современных отечественных производителей малых гидроэнергетических установок недостаточно, поскольку аналогичное оборудование зарубежных фирм при тех же энергетических характеристиках имеет лучшие качество и внешний вид, но значительно дороже.

Анализ существующих конструкций микро- и малых ГЭС показал, что многие из них имеют низкую эффективность по различным показателям, к числу которых относятся:

- высокие капитальные вложения при строительстве стационарных малых и микро-ГЭС;

- низкая эффективность использования энергии водного потока мобильными бесплотинными микро-ГЭС;

- отсутствие систем аккумулирования энергии.

Это приводит к низкой конкурентной способности генерирующих объектов на базе ВИЭ по сравнению с традиционными энергосистемами.

Для территориально разрозненных и удаленных от централизованных коммуникационных сетей сельскохозяйственных объектов и населенных пунктов, расположенных вблизи водотоков, целесообразно использовать быстровозводимые мобильные подпорные микро-ГЭС.

Для эффективного энергоснабжения децентрализованных объектов малой мощности нами разработана конструкция мобильного подпорного сооружения комплексного назначения (МПСКН), представленная на рисунке 3. топливный энергетический аккумулирование

МПСКН может выполняться на различных типах флютбетов: железобетонных, бетонных, грунтонаполняемых, грунтоармированных, гибких, оснащенных конфузором. Для водотоков с расходом более 2,24 м3/с разработана схема многосекционной конструкции [5].

Сооружение возводится в кратчайшие сроки (от 5 до 24 часов), имеет небольшие габариты в сложенном виде, может использоваться многократно.

Нами разработана схема с автономным энерго-, водообеспечением, системой аккумулирования, распределения энергии и очисткой сточных вод на примере коттеджного поселка в составе МПСКН (рисунок 4).

Рисунок 3 - Схема односекционной натурной конструкции

1 - рисберма; 2 - вантовая система; 3 - мембрана; 4 - гидроагрегат; 5 - понур; 6 - конфузор; 7 - защитная сетка; 8 - коническая передача; 9 - силовое оборудование

При установке МПСКН образуется водохранилище, которое позволяет использовать в рекреационных целях верхний бьеф, осуществлять забор воды с помощью погружного насоса 11. Дальнейшая очистка воды производится в очистных сооружениях. Отведение воды осуществляется с предварительной очисткой в канализационных сооружениях 5.

Неравномерность генерирования электроэнергии на ветрогенераторах компенсируется за счет ее аккумулирования на МПСКН. Это значительно увеличивает надежность энергоснабжения. Контроль и распределение электроэнергии производится автоматически на трансформаторной подстанции 9.

Кроме того в схеме предложено использование концентрирующих параболических солнечных коллекторов для теплоснабжения коттеджей и теплиц.

Рисунок 4 - Коттеджный поселок с автономным энерго-, водообеспечением, системой аккумулирования, распределения энергии и очисткой сточных вод

1 - МПСКН; 2 - блок управления МПСКН; 3 - сбросной коллектор; 4 - теплицы; 5 - канализационные сооружения; 6-коттедж; 7 - водонапорная башня; 8 - водоочистное сооружение; 9 - трансформаторная подстанция, система распределения энергии;

10 - ветрогенераторы; 11 - погружной насос

При работе гидроагрегата МПСКН происходит аэрация водного потока в нижнем бьефе, что интенсифицирует процессы самоочищения водотока в створе сброса сточных вод, предварительно очищенных в канализационных сооружениях.

Список использованных источников

1 Лабейш, В. Г. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии: учеб. пособие / В. Г. Лабейш. - СПБ.: СЗТУ, 2003. - 79 с.

2 Руководство по проектированию, строительству и эксплуатации мобильных подпорно-регулирующих гидроэнергетических сооружений (МПРГС) с применением композитных материалов / Д. В. Кашарин [и др.]. - Новочеркасск, 2008. - 50 с.

Аннотация

В статье обосновывается целесообразность использования потенциала местных нетрадиционных и возобновляемых видов топливно-энергетических ресурсов, необходимость аккумулирования энергии. Рассматриваются различные системы аккумулирования энергии, вырабатываемой за счет возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Приводится описание конструкции мобильных подпорных сооружений комплексного назначения и схема их использования.

Ключевые слова: водоснабжение, энергоснабжение, конструкция, надежность, подпорное сооружение, малая энергетика.

The paper settles the suitability for use of local alternative renewable fuel and energy sources required for energy accumulation. Different systems for energy accumulation produced by renewable energy sources are considered. The description of mobile water retaining structures for complex use and its utilization scheme are given.

Keywords: water supply, energy supply, construction, reliability, water retaining structure, small hydropower engineering.

Размещено на Allbest.ru