Технические науки / 6.Электротехника и радиоэлектроника.

к.т.н. Черных А.Г., Бондаренко А.В.

Иркутский государственный аграрный университет, Россия

ПРИМЕНЕНИЕ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ ХИМИЧЕСКИХ ГЕРМЕТИЧНЫХ НАСОСОВ В УСТАНОВКАХ МИКРОГЭС ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ КОММУНАЛЬНО-БЫТОВЫХ НУЖД НАСЕЛЕНИЯ В СЕЛЬСКОЙ МЕСТНОСТИ

Обеспечение доступа к электроэнергии сельского населения позволяет им удовлетворять почти круглый год минимальный набор бытовых (освещение, отопление и приготовление пищи) и социальных (первичное медицинское обслуживание и образование) благ [1].

Как правило, в сельской местности, средний уровень потребности в электроэнергии (на семью из 4 человек) складывается их следующих энергозатрат приведенных в табл. 1 [2].

Таблица 1

Оборудование

Единица  
установ.
мощности  
Р, кВт

Кол-во 
установ.
оборуд.
m, шт.

Количество  
одновременно
работающего
оборудования
m, шт.

Коэффициент       
одновременности работы   
оборудования    
Ко          
(гр. 4/гр. 3)

Коэф- 
фициент
исполь-
зования
Ки

Кол-во
часов
работы
в год
T

1

2

3

4

5

6

7

Компьютер     

0,45

2

1

0,5

0,5

1968

Принтер       

0,12

1

1

1

0,35

1968

Сканер        

0,12

1

1

1

0,35

100

Ксерокс       

0,12

1

1

1

0,35

800

Холодильник   

1,35

1

1

1

0,2

8760

Стиральная    
машина        

0,6

1

1

1

0,35

984

Швейная машина

0,37 

1 

1   

1   

0,5 

1968

Плита         
4-камфорочная 

6    

1  

1 

1    

0,75

2440

Водонагреватель

6    

1 

1   

1    

0,75

1200

Телевизор     

0,085

1 

1   

1   

0,35

984

Магнитофон    

0,015

1 

1   

1   

0,2 

492

 

 

Продолжение таблицы 1

1

2

3

4

5

6

7

Факс          

0,22 

1 

1   

1    

0,35

984

Электро-обогреватель        

1,5  

1 

1   

1    

0,7 

600

Электроутюг   

0,5  

1 

1   

1   

0,35

984

Электрочайник 

2    

1 

1   

1    

0,35

246

Электродрель  

0,42 

1 

1   

1    

0,14

1968

Пылесос       

0,6  

1 

1   

1   

0,35

1968

Музыкальный   
центр         

0,12 

1 

1   

1    

0,35

1968

Итого         

 

19 

18   

0,73   

 

 

 

Годовая потребность W в электрической энергии одной семьи может быть вычислена по формуле

W = bосв. · S · Zосв. + Kо · Kи · Z · (P1 · m1 + ... + Pi · mi),          (1)

где bосв. - удельный расход электроэнергии на освещение, принимается                0,01 кВт/м2;

S - площадь помещения, м2;

Zосв. - продолжительность использования осветительной нагрузки за планируемый период, час;

Kо - коэффициент одновременности работы энергооборудования, находится как отношение среднего количества одновременно работающего энергооборудования к общему количеству энергооборудования;

Kи - коэффициент использования, это отношение среднего числа часов работы единицы оборудования к периоду рассчитываемого времени (год, месяц выраженные в часах);

P1, Pi - мощность энергооборудования, кВт:

T - период рассчитываемого времени (год, месяц, выраженные в часах);

m1, mi - число токоприемников одинаковой мощности;

i - число групп токоприемников.

Принимая площадь жилых помещений S = 48м2,  а Zосв. = 2680 час вычислим по выражению (1) величину W

W = 0,01 · 48 · 2680 + 21350= 1286 + 21350 = 22636 кВт.ч/год

Для рукавных микро ГЭС  мощностью до 30 кВт теоретически доказана и практически подтверждена энергетическая эффективность применения конструктивной схемы герметизации энергоблока с использованием серийных центробежных насосов с асинхронными экранированными электродвигателями (ЭАД),  работающими в генераторном режиме (экранированный асинхронный генератор) с емкостной системой возбуждения [3].

В качестве турбины-генератора используется серийный промышленный насос, работающий в обращенном режиме – система Pumps as turbine (PaTs) [4].

Система PaTs является типичной гидроэнергетической системой преобразующей энергию падающей на турбину воды в электрическую энергию на выходе генератора, связанного механически с турбиной. В такой системе центробежный насос, работая в обращенном режиме, выполняет функции турбины, а приводной двигатель насоса, работая в обращенном режиме, выполняет функции генератора.

Для выбора микроГЭС определим суммарную мощность, которую будут потреблять электроприборы, подключаемые к ней одновременно. При этом необходимо учитывать эксплуатационные различия токоприемники с преобладанием активной или индуктивной нагрузки.

Для питания сети, в которую включены приборы, активно нагружающие электросеть, такие как освещение, электроплиты, электронагреватели, следует брать генератор с запасом мощности, превышающим суммарную мощность подключенных приборов на 15¸20%.

Электроприборы индуктивного типа, а это электродвигатели и приборы, собранные на их основе - дрели, насосы, пилы, компрессоры и холодильники, и т.д., нуждается в момент пуска в большей мощности, поэтому их суммарную мощность необходимо увеличивать в 2,5¸3 раза, рассчитывая требуемую мощность микроГЭС.

С учетом выше сказанного и данных, приведенных в табл. 1 приближенные значения мощностей оборудования, представлены в табл. 2.

Таблица 2

Оборудование

Номинальная
мощность  
Р, кВт

Мощность

при пуске  
Р, кВт

Требуемый

коэффициент

запаса

1

2

3

4

Компьютер     

0,45

0,45

1

Принтер       

0,12

0,12

1

Сканер        

0,12

0,12

1

Ксерокс       

0,12

0,12

1

Холодильник   

1,35

1,8

3,33

Стиральная    
машина        

0,6

2,1

3,5

Швейная машина

0,37 

0,4   

1,1 

Плита         
4-камфорочная 

6    

6

1

Водонагреватель

6    

6,6  

1,1

Телевизор     

0,085

0,085

1

Магнитофон    

0,015

0,015

1 

Факс          

0,22 

0,22 

1

Электрообогреватель        

1,5  

1,8   

1,2 

Электроутюг   

0,5  

0,5  

1

Электрочайник 

2    

2    

1

Электродрель  

0,42 

0,5   

1,2

Пылесос       

0,6  

0,7  

1,2

Музыкальный   
центр         

0,12 

0,12     

1

Итого         

 

22,65   

 

 

Единственной альтернативой для малых ГЭС на низкие напоры                (5,0 ¸ 30,0 м), для обеспечения коммунально-бытовых нужд населения сельской местности,  могут служить дизельные электрические установки (ДЭУ) [5]. Стоимость ДЭУ применяемых, как постоянные трехфазные источники переменного напряжения (230+1%/50Гц+2,5%) на мощности 20¸30 кВт приведена в табл. 3.

 

 

Таблица 3

Марка

Страна

Мощность, кВт

Стоимость, руб

ДЭУ-30.1-М

Россия

30

344 560

ДЭУ-30.2-М без АВР

Россия

30

354 000

ДЭУ-30.2-М с АВР

Россия

30

369 340

ДЭУ-20;16.1-М

Россия

20

329 220

ДЭУ-20;16.2-М без АВР

Россия

20

338 660

ДЭУ-20;16.2-М с АВР

Россия

20

354 000

 

Как видно из табл. 3 стоимость электростанций ДЭУ лежит в диапазоне:

329220 < ЦДЭУ < 369340 руб, средняя цена 355000 руб.

Соответственно удельная стоимость электростанций ДЭУ лежит в диапазоне:

12300 < Суд. ДЭУ < 16500 руб/кВт, средняя цена 14400 руб/кВт.

В качестве расчетной выберем минимальную удельную стоимость дизельной  электрической установки, равную:

Сmin. ДЭУ = 12300 руб/кВт.

Минимальная граница стоимости выбрана с учетом того, что для ввода в эксплуатации ДЭУ, транспортная и строительная составляющие в общих затратах достаточно малы.

Положим, что для всего жизненного цикла работы ДЭУ – цена на дизельное топливо остается неизменной, равной:  

Цдт = 0,0458 руб/грамм.

Предельно-допустимые удельные инвестиции в ДЭУ, могут быть вычислены по формуле [1]:

где Здиз – ежегодные инвестиционные затраты в основной капитал для дизельных электростанций, Здиз = 15%; Ен = 0,08 – нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений, Ен = 0,08;

β – коэффициент, характеризующий долю мощности установленных альтернативных источников электроэнергии, в общей мощности, потребляемой коммунально-бытовой нагрузкой  в самое тяжелое время года:

β = Pср.ГЭС /Pср.к/б ,

где  Pср.ГЭС – среднемесячная мощность альтернативных источников электроэнергии в наиболее неблагоприятный период года;  Pср.к/б – среднемесячная мощность коммунально-бытовой нагрузки в наиболее неблагоприятный период года. Для рассматриваемого случая β = 1;

kPэкв – коэффициент эквивалентности по мощности альтернативных источников электроэнергии и ДЭС.  Для районов удаленных от централизованного электроснабжения, где требуется двойное резервирование по мощности, kPэкв = 2;

kWэкв – коэффициент эквивалентности энергии для альтернативных источников электроэнергии на базе возобновляемых источников и ДЭУ, kWэкв=1,1;  

rт – удельный расход топлива для ДЭУ. Для ДЭУ мощностью  20¸30 кВт удельный расход топлива на номинальной мощности при условиях t=20 °C, атмосферное давление 760 мм рт.ст., относительная влажность 70%, rт  = 270 ¸330 гр./кВт-час (средняя rт.ср  = 300 гр./кВт-час) ;

Tmax – годовое число использования максимальной нагрузки ля альтернативных источников электроэнергии на базе возобновляемых источников,
Tmax = 2300 часов/год;

kэф.инвест. – коэффициент эффективности использования ля альтернативных источников электроэнергии на базе возобновляемых источников,

kэф.инвест= 11%.

Подставим приведенные выше значения в выражение (2), получим

 

 

Смета первоначальных расходов и затрат  на оборудование для микроГЭС с использованием  PaTs системы приведена в табл. 4.

Таблица 4

 

Мощность микроГЭС

Комплектующие

PaTs системы

22,0 кВт

30,0 кВт

Напорные трубы из поливинилхлорида (ПВХ)

Труба ПВХ SDR 41, МОР 0.63 МПа, Dn 225, 100 м,

70900 руб

Труба ПВХ SDR 41, МОР 0.63 МПа, Dn 315, 100 м,

138800 руб

Шкаф управления

с силовым кабелем

28400 руб +28300 руб           (КГ 3´16+1´6, 100 м)

32600 руб +49900 руб           (КГ 3´25+1´16, 100 м)

Электростанция (генератор)

Центробежные герметичные электронасосы типа ЦГ

4ЦГ 50/80К-22-5

134900 руб

Центробежные герметичные электронасосы типа ЦГ

4ЦГ 50/80К-22-5

 204100 руб

Общая стоимость оборудования

262500 руб

425400

Удельные расходы (руб/кВт)

13125

14180

 

 

Выводы. 1. Средние в течение года удельные инвестиции для ДЭУ мощностью от 20¸30 кВт составляют 213000 руб/кВт.

2. Удельные инвестиции для PaTs системы  мощностью от 20¸30 кВт составляют в среднем 13650 руб/кВт.

3. Для эффективного применения автономного электроснабжения потребителей использующих энергопотребляющие изделия бытового и коммунального назначения экономически целесообразно использовать системы, в сравнении с ДЭУ аналогичной мощности.

 

Литература:

1. Распоряжение Правительства России от 02 февраля 2015 г. №151-р
гарант.РУ: http://www.garant.ru/products/ipo/prime/doc/70761426/#ixzz4U2OuMlfz

2. Методика определения потребности в средствах электроснабжения для социального развития села (протокол  Министерство сельского хозяйства  РФ от 27 декабря 2001 г. № 41)

3. Черных, А.Г. Экспериментальное исследование опытного образца установки микроГЭС с энергоблоком типа экранированный асинхронный генератор-турбина  / А.Г.Черных,  А.В.Бондаренко // Вестник ИрГСХА: Сборник научных трудов / ИрГСХА. – Иркутск, 2012. – Вып. 53 – С. 120¸129.

4.  Yang, S.S., Derakhshan, S., Kong, F.Y., 2012(a). Theoretical, numerical and experimental prediction of pump as turbine performance. Renewable Energy, 48, 507¸513.

5. Руководство по расчету норм расхода топлива на отпуск электроэнергии дизельными электростанциями. Министерство жилищно-коммунального хозяйства РСФСР.– М., 1980 г.