Обґрунтування доцільності переводу насосних станцій в спеціальні режими роботи

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний університет водного господарства та природокористування

Обґрунтування доцільності переводу насосних станцій в спеціальні режими роботи

к.т.н., доцент Нестеренко В.П.

Анотація

Наведена методика і алгоритм визначення економічної ефективності і оптимізації параметрів крупних зрошувальних насосних станцій, які працюють в спеціальних режимах з метою зменшення нерівномірності добового графіка навантаження енергосистем. Приведені результати розрахунків.

Annotation

Mentioned methods and algorithm of identification of economic efficiency and optimization of parameters of big irrigation pump stations that function in special regimes with the aim of reduction of irregularity of 24 hours schedule of power supply system loading. Calculation results are listed.

Відомо, що проблеми енергозбереження стали особливо актуальними в останні роки. В зв'язку з цим на ряду з менш енергозатратними технологіями в виробництві і побуті, доцільно працювати в плані оптимізації режимів роботи енергосистеми країни, що також може дати значний економічний ефект.

Одним з можливих шляхів в цьому напрямку є відомий спосіб [3,5,6,7,9] використання крупних насосних станцій (НС) водогосподарських систем в спеціальних режимах - споживача регулятора (СР) і гідроакумулюючої електростанції (ГАЕС).

Використання НС в режимі СР передбачає її відключення в години проходження гостро пікової частини добового графіка навантаження енергосистеми, що відповідно знижує її навантаження.

В режимі ГАЕС в період відключення насосної подачі НC працює як гідроелектростанція.

Технічними умовами, які забезпечують вказані режими, є здатність гідромеханічного обладнання працювати в двох режимах - насосному зі збільшенням продуктивності і турбінному. При цьому, відповідно збільшується і потужність НС.

Необхідною умовою є також наявність в верхньому, а при необхідності і в нижньому б'єфах басейнів акумулювання.

З існуючих НС найбільш зручними для вказаних задач є крупні станції зрошувальних систем. Питання переводу зрошувальних НС в режимі СР і ГАЕС може ставитись стосовно наступних задач:

- для роботи в змінній частині графіка середньодобового навантаження (для розвантаження пікової потужності);

- для виконання функцій СР з метою забезпечення технічного мінімуму теплових (ТЕС) і атомних електростанцій (АЕС);

- одночасно для витиснення пікової потужності і поліпшення умов роботи теплових (ТЕС) і атомних (АЕС) електростанцій.

Обґрунтування доцільності переводу НС в режим СР або ГАЕС, обґрунтування параметрів НС і режимів їх роботи потребують всебічного аналізу і повинні розглядатись на основі техніко-економічних порівнянь.

Необхідно відмітити, що доцільність будівництва крупних нових НС, які передбачають спеціальні режими, і переводу існуючих НС в ці режими може розглядатись лише в комплексі з іншими аналогічними станціями водогосподарських об'єктів, ГЕС або ГАЕС. Останні, як відомо, є найбільш ефективними в плані вирівнювання графіків навантаження енергетичних систем. Таке комплексне застосування НС в спеціальних режимах пояснюється тим, що навіть дуже великі НС по своїй потужності не співрозмірні з навантаженнями енергосистеми.

Визначимо також, що додатково встановлена потужність на НС при їх переводі в режими СР і ГАЕС приймається в обмежених границях, які визначаються розрахунковими параметрами станцій. Параметри станції, в свою чергу, визначаються заданими графіками водоспоживання, періодами їх відключення (СР) і роботи в турбінних режимах (ГАЕС). Наступне збільшення потужності НС в наведеній роботі не розглядається.

Виходячи з даних обмежень і отриманні основні кількісні залежності параметрів НС, які передбачають роботу в режимах СР і ГАЕС.

В основу використаної в даній роботі методики визначення економічної ефективності і оптимізації параметрів НС, які проектуються для роботи в спеціальних режимах, покладено метод порівняльної економічної ефективності, а також основні положення оптимізації параметрів насосних систем викладені в роботах [4,6,7,9,12 ].

Суть цієї методики в наступному.

На першому етапі визначається проектний варіант НС, який відповідає мінімуму приведених затрат

(1)

де - приведені до річної розмірності затрати в НС для її різних варіантів; - номер варіанта НС; - номера елементів споруд або обладнання для кожного -го варіанта НС; - номер параметра по - му елементу споруди або обладнання кожного -го варіанта НС.

(2)

- приведені до річної розмірності затрати, капітальні вкладення і щорічні витрати для -го варіанта НС;

- нормативний коефіцієнт окупності капітальних вкладень в гідроенергетичні об'єкти.

Рішення задачі (1) визначає економічно вигідний варіант НС і відповідні йому параметри споруд і обладнання при роботі станції в звичайному режимі.

На наступному етапі вирішується задача оптимізації параметрів НС, яка передбачає роботу в режимі СР або ГАЕС. При цьому застосовується метод отримання максимального економічного ефекту від запланованих на об'єкті міроприємств, а в якості критерія оптимальності прийнята різниця між розрахунковими затратами по маневреним ГТУ (газотурбінним установкам) або ПГУ (паро-газовим установкам), які заміняються і додатковими розрахунковими затратами в НС [1,2,6,8,9-11]

(3)

де - різниця між розрахунковими затратами по маневреним ГТУ або ПГУ, які умовно замінюються і додатковими розрахунковими затратами в НС; - розрахункові затрати по вказаним маневреним ГТУ або ПГУ; - додаткові розрахункові затрати в НС, необхідні для переводу її в режим СР або ГАЕС; - номер варіанта НС, яка проектується для роботи в режимі СР або ГАЕС, а також варіанта ГТУ або ПГУ.

Розрахункові затрати по маневреними ГТУ або ПГУ визначаються згідно методики [ 1,10 ] по залежності:

(4)

де - питомі капітальні вкладення і щорічні постійні витрати, з врахуванням фактора часу в маневрені ГТУ і ПГУ; - потужність, яка витискається з енергетичної системи при переводі НС в режим СР або ГАЕС; - відповідно, виробіток електроенергії, питома витрата палива і замикаючі затрати на паливо по ГТУ або ПГУ.

Потужність, яка витискається з енергосистеми визначається як сума потужності НС, яка відповідає умові (1) і максимальної турбінної потужності НС, при її роботі в режимі ГАЕС (для режима СР турбінна потужність дорівнює нулю):

(5)

де - потужність звичайної НС, яка відповідає умові (1) і приведена до значення, яке враховує час використання максимальної потужності цією станцією на протязі року; - час використання максимальної потужності НС на протязі року; - відповідно, кількість електроенергії, яка споживається за рік і максимальна потужність НС, запроектованої згідно умови (1); - максимальна турбінна потужність НС, яка визначається на основі водноенергетичних розрахунків; - коефіцієнти, які враховують перевищення норми витрати електроенергії на власні потреби, норми на капітальний і поточний ремонти, аварійності агрегатів маневреної установки, в порівнянні з ГАЕС; - коефіцієнт, який враховує різницю втрат на лініях електропередач для маневреної установки і НС, яка працює в режимі ГАЕС.

Виробіток електроенергії маневреною енергоустановкою визначається по залежності: зрошувальний насосний навантаження енергосистема

(6)

де - виробіток електроенергії на НС в режимі ГАЕС, який визначається на основі водноенергетичних розрахунків.

Додаткові розрахункові затрати в НС визначаються різницею між розрахунковими затратами в НС, запроектованої для роботи в режимі СР або ГАЕС, і розрахунковими затратами в НС, яка працює в звичайному режимі і відповідає умові (1). При цьому розрахункові затрати в НС для роботи як СР або ГАЕС повинні враховувати затрати в регулюючій верхній басейн, а при необхідності і в нижній, збільшені затрати по паливу на тих ТЕС, які забезпечують роботу станції в насосному режимі зі збільшеною потужністю, а також, при необхідності, додаткові затрати в обладнання, які враховують перевод насосних агрегатів в турбінні режими.

Збільшення затрат по паливу на ТЕС, пояснюється збільшенням продуктивності і висоти підйому води НС, яка працює в режимі СР або ГАЕС в порівнянні з НС в звичайному режимі.

 (7)

де - розрахункові затрати по - му варіанту НС в режимі СР або ГАЕС; - номер елементів споруд або обладнання для кожного - го варіанту НС в режимі СР або ГАЕС; - номер параметра по - му елементу споруди або обладнання кожного - го варіанту НС в режимі СР або ГАЕС. - приведені розрахункові затрати по НС, запроектованої згідно умови (1). - додаткове енергоспоживання по кожному - му варіанту НС в режимі СР або ГАЕС в порівнянні з НС прийнятої згідно (1); - питома витрата палива і замикаючі затрати по ньому на електростанції, споживачем якої є НС в режимі СР і ГАЕС.

Для варіантів розрахунків, коли роки завершення будівництва звичайних НС і НС в режимах СР і ГАЕС, а також маневрених ГТУ або ПГУ, не співпадають, капітальні затрати і щорічні витрати (або їх питомі показники) приводяться по відомій залежності [11] до року виходу НС на проектну водоподачу.

На критерій оптимальності в умові (2) накладаються обмеження, аналогічні прийнятим для (1).

Рішення задачі, записаної у вигляді виразу (1) і (2) потребує великих об'ємів проектних і розрахункових робіт. Для прискорення цих процесів необхідно використовувати ЕОМ, що в свою чергу потребує розробки математичної моделі, алгоритму і програми вказаної задачі.

Математична модель в наведеній постановці це сукупність аналітичних і логічних залежностей, які відображають внутрішні і зовнішні зв'язки між параметрами енергопроцеса, обладнання, споруд і затрат в НС.

Основними параметрами гідроагрегатного обладнання, які оптимізуються є: кількість агрегатів - , діаметр робочого колеса - і синхронна частота його обертання -. Крім цього до числа параметрів системи, які оптимізуються відносяться варіанти регулюючих басейнів, значення максимального горизонту води в верхньому басейні, а також інтервали часу роботи НС в насосному і турбінному режимах. Всі можливі сполучення вказаних параметрів визначають кількість варіантів рішення даної задачі.

Для реалізації цієї задачі на кафедрі енергетики і гідромашин НУВГП розроблена програма оптимізації параметрів НС, як для звичайних так і спеціальних режимів їх роботи [9]. Вихідними даними для цієї задачі є: графіки водоспоживання; коливання рівнів води у верхньому і нижньому б'єфах; рельєф місцевості та геологічні умови в районі будівництва НС; питомі показники вартості обладнання, будівництва ГЕС і гідротехнічних споруд, а також цінові показники електроенергії і потужності НС; технічні і енергетичні характеристики агрегатів, технологічні обмеження, які визначаються умовами їх виготовлення, транспортування і експлуатації.

На першому етапі оптимізації параметрів звичайної НС, визначається тип і марка агрегатів, режими їх роботи для кожного періоду графіка водоподачі при різних значеннях кількості насосних агрегатів. Далі в залежності від прийнятого обладнання визначаються загальні розміри будівлі НС, визначаються капітальні затрати в будівництво НС з усім обладнанням і прилягаючими спорудами. Затим визначаються щорічні експлуатаційні витрати. Закінчується перший етап розрахунків визначенням розрахункових затрат по НС.

Надалі цикл розрахунків повторюється при послідовному збільшенні кількості агрегатів, поки не вичерпується весь ряд заданих значень. Завершується цей етап визначенням варіанта станції з мінімальними розрахунковими затратами.

Подальший етап розрахунків передбачає визначення оптимального варіанту НС, яка працює в спеціальних режимах ( СР або ГАЕС ). При цьому алгоритм розрахунків побудовано так само, як і при оптимізації параметрів звичайних НС, тільки в розрахунках враховується виробіток електроенергії насосними агрегатами при їх роботі в турбінних режимах.

Далі визначаються додаткові розрахункові затрати в НС, які передбачають роботу в режимах СР або ГАЕС. Затим визначаються розрахункові затрати по маневреним ГТУ і ПТУ.

На останньому кроці в розглянутому циклі по залежності (3) визначається економічний ефект переводу НС в режим СР або ГАЕС.

Цикл розрахунків по визначенню економічної ефективності НС в спеціальних режимах повторюється при різних значеннях заданих вихідних параметрів.

Розроблений алгоритм складено так, що задача представляється задачею цілочислової оптимізації і реалізується методом перебору, тобто вираховуються значення цільових функцій при всіх змінних параметрах і з них вибирається варіант рішення, який відповідають умові ( 3).

Представлена методика реалізована в розробленій на кафедрі гідроенергетики і гідромашин НУВГП програмі „OPNAS” [9].

По цій програмі проведені розрахунки для декількох існуючих варіантів НС з вертикальними осьовими і відцентровими, а також горизонтальними капсульними насосними агрегатами. Останні розглянуті, як альтернатива вертикальним осьовим низьконапірним агрегатам.

Для варіантів НС з існуючими насосними агрегатами використовувались їх заводські чотирьох-квадрантні характеристики, а для НС з горизонтальними капсульними агрегатами - модельні універсальні характеристики, отримані в лабораторії кафедри енергетики і гідромашин НУВГП.

Для всіх розглянутих рішень НС по топографічним і геологічним умовам місцевості розташування вказаних об'єктів є можливість будівництва регулюючих басейнів в їх верхніх б'єфах, а водні джерела забезпечують підвищене водоспоживання в період акумулювання,

Улаштування регулюючих басейнів, передбачено методом обвалування території, яка прилягає до магістральних каналів. Відкоси дамб обвалування захищаються від розмиву залізобетонними плитами, ложе басейнів кальматується глиною. Для випуску води з регулюючих басейнів в магістральні канали передбачені водовипускні споруди.

В розрахунках показники спеціальних режимів НС порівнювались з характеристиками потужних теплових агрегатів, які були прийняті при визначенні техніко-економічної ефективності Київської ГАЕС.

Як показали розрахунки перевод всіх розглянутих варіантів НС в спеціальні режими, за виключенням НС з вертикальними осьовими агрегатами, є абсолютно економічним.

Для НС з вертикальними відцентровими насосами перевод її в режим СР є абсолютно економічним навіть при установці 8-го насосного агрегата і окупається за 3 роки при порівнянні з ТЕС потужністю 2,4 МВт. Максимальна розрахункова потужність при цьому, не перевищує паспортної потужності встановлених електродвигунів, а збільшена подача забезпечується і при 7-ми агрегатах, встановлених для роботи в звичайних режимах. Це означає, що 8-й агрегат буде резервним навіть по відношенню до форсованого режиму подачі.

Розрахунки по переводу цієї станції на режим ГАЕС визначили її абсолютну економічність в порівнянні з показниками такої самої потужної ТЕС, як і в попередньому варіанті.

Аналогічні результати були отримані і для варіанта НС з горизонтальними капсульними агрегатами. Відмітимо, що в прийнятому варіанті додаткові витрати на перевод НС в спеціальні режими суттєво знижені за рахунок зменшення затрат на будівництво регулюючого басейна, завдяки сприятливим геодезичним умовам місцевості.

Для варіанту НС з вертикальними осьовими насосами результати розрахунків визначили, що перевод її в спеціальні режими є абсолютно не економічний в порівнянні з показниками ТЕС. При цьому робочі параметри станції характеризуються великою питомою подачею на одиницю потужності ( 0,006 м. куб. на кВт). Це, в свою чергу, визначає підвищене значення питомого об'єму басейна регулювання на одиницю потужності ТЕС (88 м. куб. на кВт. ), яка замінюється, а відповідно і витрат на будівництво регулюючих басейнів.

Висновки

1. Перевод зрошувальних НС в спеціальні режими в комплексі з іншими аналогічними станціями водогосподарських об'єктів або ГАЕС чисто енергетичного спрямування є доцільним і може розглядатись як один з ефективних способів зменшення нерівномірності добових графіків навантаження енергосистеми.

2. Ефективність переводу зрошувальних НС в режими СР і ГАЕС добового циклу залежить головним чином від режиму регулювання, напору НС і економічних показників потужностей, які замінюються.

3. Чим більші питомі об'єми, додатково створюваних басейнів регулювання на одиницю потужності, що замінюється, тим менша ефективність переводу НС в спеціальні режими.

4. Витрати по будівництву басейнів регулювання складають значну частину додаткових витрат (до 60%) необхідних для переводу НС в спеціальні режими.

5. Енергетично економічна ефективність використання відцентрових і горизонтальних капсульних насосів в якості гідротурбін значно підвищується при зниженні числа їх обертів в цих режимах. Це слід враховувати при створенні двох швидкісних електродвигунів.

6. Розроблена програма дозволяє суттєво прискорити і підвищити якість прийнятих проектних рішень по НС, які передбачають роботу в режимі СР і ГАЕС

Література

1. Арсеньєв Л. В., Бодров И. С., Кирилов И. И. и др. Пиковые ГТУ в энергетике // Энергомашиностроение.-1977.-№11.-с. 23-24.

2. Бабурин Б. Л., Файн И. И. Экономическое обоснование гидроэнергостроительства. - М.: Энергия , 1975.-121с

3. Васильєв Ю. С., Лойцянская В. И., Шарыгин В. С. Исследования эффективности насосних станций с обратимыми агрегатами при региональной переброске стоака // Тр. ЛПИ.-Л., 1976.-№ 351. -с. 32-38.

4. Виссарионов В. И., Знаменский С. Р. Об автоматизации проектирования стационарных насосних станций, работающих на закрытую сеть // Тр. ЛПИ.- 1976.- №351. -с. 32-34.

5. Виссарионов В. И., Елистратов В. В., Мухаммадиев М. С. Энергетические исследования насосних станций в режиме гидроаккумулирования // Известия ВУЗов. Енергетика.- 1987. -№ 1.-с. 101-104.

6. Виссарионов В. И. Терия и методы обоснования параметров насосних станций. Автореф. дисс. … докт. техн. наук.-Л.,1981.-25с.

7. Виссарионов В. И. Использование крупних насосних станций для аккумулирования и регулирования потребления енергии в енергосистеме.-М. 1985.-82с.

8. Инструкция по определению экономической эффективности капитальных вложений в развитие энергетического хазяйства.- М.: Энергия.- 1973.-55с.

9. Нестеренко В. П. Энергогидравлические характеристики конструкций входной части насосных блоков с горизонтальными капсульными агрегатами в обратимых режимах. Автореф. дисс…. канд. техн. наук.- Ровно, 1989.-16с.

10. Основные положения по определению экономической эффективности гидроэнергетических объектов / Гидропроект: М.- 1981.-171с.

11. Экономика гидротехнического и водохозяйственного строительства. Учеб. Для вузов / Д. С. Щавелев, М. Ф. Губин, В. П. Куперман, М. П. Федоров; Под. Общ. ред. Д. С. Щавелева. - М.: Стройиздат, 1986. - 423с.

12. Фомин А. В. Методика обоснования параметров насосных станций, работающих в режимах гидроаккумулирования и потребителя-регулятора. Автореф. дисс. … канд. техн. Наук. -Л., 1987. - 16с.

Размещено на Allbest.ru