Национальный цифровой ресурс Руконт - межотраслевая электронная библиотека (ЭБС) на базе технологии Контекстум (всего произведений: 509875)
Консорциум Контекстум Информационная технология сбора цифрового контента
Уважаемые СТУДЕНТЫ и СОТРУДНИКИ ВУЗов, использующие нашу ЭБС. Рекомендуем использовать новую версию сайта.

Энергообеспечение Арктической зоны Российской Федерации: учебно-методическое пособие (180,00 руб.)

0   0
Первый авторГоряев Аркадий Алексеевич
АвторыПетухов Сергей Васильевич, Баланцева Наталья Борисовна, Бутаков Сергей Владимирович
ИздательствоСеверный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова
Страниц68
ID685139
АннотацияПриведены источники тепловой и электрической энергии, методика расчета потребляемой мощности, варианты заданий, примеры расчета и необходимые справочные данные.
Кому рекомендованоПредназначены для студентов направлений подготовки 13.03.01 «Тепло- энергетика и теплотехника» и 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника»
ISBN978-5-261-01368-6
Горяев, А.А. Энергообеспечение Арктической зоны Российской Федерации: учебно-методическое пособие [Электронный ресурс] / С.В. Петухов, Н.Б. Баланцева, С.В. Бутаков, А.А. Горяев .— Архангельск : Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова, 2019 .— 68 с. : ил. — ISBN 978-5-261-01368-6 .— Режим доступа: https://rucont.ru/efd/685139

Предпросмотр (выдержки из произведения)

Энергообеспечение_Арктической_зоны_Российской_Федерации_учебно-методическое_пособие.pdf
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова» Энергообеспечение Арктической зоны Российской Федерации Учебно-методическое пособие Архангельск САФУ 2019 1
Стр.1
УДК 620.92/8 ББК 31.15 Э61 Рекомендовано к изданию учебно-методическим советом Северного (Арктического) федерального университета имени М.В. Ломоносова Авторы: А.А. Горяев, доц., канд. техн. наук; С.В. Петухов, доц., канд. техн. наук; Н.Б. Баланцева, доц., канд. техн. наук; С.В. Бутаков, доц., канд. техн. наук Энергообеспечение Арктической зоны Российской Федерации [ЭлектЭ61 ронный ресурс]: учебно-методическое пособие / А.А. Горяев, С.В. Петухов, Н.Б. Баланцева, С.В. Бутаков; Сев. (Арктич.) федер. ун-т им. М.В. Ломоносова. – Электронные текстовые данные. – Архангельск: САФУ, 2019. – 68 с. ISBN 978-5-261-01368-6 Приведены источники тепловой и электрической энергии, методика расчета потребляемой мощности, варианты заданий, примеры расчета и необходимые справочные данные. Предназначены для студентов направлений подготовки 13.03.01 «Теплоэнергетика и теплотехника» и 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника». УДК 620.92/8 ББК 31.15 Издательский дом им. В.Н. Булатова САФУ 163060, г. Архангельск, ул. Урицкого, д. 56 ISBN 978-5-261-01368-6 © Северный (Арктический) федеральный университет им. М.В. Ломоносова, 2019 2
Стр.2
ВВЕДЕНИЕ На огромной территории России, в так называемой Арктической зоне (АЗ), где проживает 2,5 млн человек находится около 17000 населѐнных пунктов, нет централизованного энергоснабжения. Это районы, расположенные севернее 64° с.ш., удалѐнные районы Сибири и Дальнего Востока, Камчатки и Курильских островов, а также острова Северного Ледовитого океана. Здесь создаѐтся 15 % ВВП страны и 25 % экспорта РФ, добывается 80 % российского газа, алмазов, 100 % сурьмы, апатитов, редких металлов, 90 % никеля и кобальта, 60 % меди, 35 % рыбы. Запасы сырья арктических недр превышают 30 трлн долларов. В этих районах электроэнергия вырабатывается на дизельных электростанциях, а тепловая энергия производится местными котельными, использующими в качестве топлива уголь, мазут, дизельное топливо, завоз которого в удалѐнные районы непомерно увеличивает стоимость получаемой энергии. Так, например, доставка топлива в Ненецкий АО в 2009 г. составила от стоимости топлива: дизельного 45–54 %, каменного угля 58–73 %, дров – 50–70 %. Экстремальные природные условия – низкие температуры, полярные день и ночь, магнитные бури, сильные ветра и метели – заставляют в арктических городах и посѐлках создавать резервы нефти, угля, продуктов, источников энергии. Продолжительность отопительного сезона в Арктической зоне от 9 до 12 месяцев. В АЗРФ ежегодно завозят 25 тыс. тонн угля за 1000 км, расходуя на это сотни миллионов рублей. В АЗРФ необходим перевод электроэнергетики на возобновляемые источники энергии и местные виды топлива. Стратегия развития АЗРФ предполагает реализацию крупных проектов. Это новые транспортные коридоры, в т.ч. через Берингов пролив, Северный морской путь, железнодорожный, трубопроводный, автомобильный транспорт, строительство буровых и ледостойких нефтедобывающих платформ и т.д. Всѐ это потребует надѐжного тепло- и энергообеспечения. Значительные изменения предполагаются ещѐ в одной критической сфере арктического жизнеобеспечения – малой энергетике. Здесь будут созданы ветропарки на побережье СМП, геотермальные станции, построены новые мини-ТЭЦ, парогазовые и паротурбинные установки. Фундаментом для арктического инновационного процесса станет создаваемая инфраструктура. Еѐ образуют исследовательские университеты (в том числе и САФУ) и колледжи АЗРФ, технопарки, технико-внедренческие зоны и т.д. 3
Стр.3
Для устойчивого развития Арктики необходимость подготовки собственных кадров безальтернативна. Произойдѐт стыковка университетских программ с потребностями арктических мегапроектов. Безопасность поселений Арктики невозможна без устойчивого теплоэнергообеспечения. Здесь самый трудный случай – обеспечение теплом и энергией сотни децентрализованных потребителей, которые не имеют круглогодичной наземной связи. Нет лучшего места для тестирования новых технологий, развѐртывания пилотных проектов для подбора индивидуального инновационного решения по использованию местных видов топлива и возобновляемых источников энергии. Значительный эффект обеспечит перевод энергоснабжения с дизельных электростанций и котельных на ТЭЦ малой мощности ввиду замещения дорогостоящего дизельного топлива местным углѐм, более высокого КПД котлов у ТЭЦ малой мощности и совместной выработки тепловой и электрической энергии. Управление этих станций будет автоматизировано. Для энергоснабжения малых сѐл будут использованы малые ГЭС на горных реках и ветроэнергетические установки, которые широко применялись в Арктике до 1970-х годов. На полярных станциях и базах действовали около 150 ветровых электростанций мощностью от 1,5 до 18 кВт. В десятках арктических поселений будут развѐрнуты пилотные проекты по возобновляемой электроэнергетике для замещения завоза сотен тысяч тонн дизельного топлива в год. В теплоснабжении арктических поселений станут применяться комбинированные схемы – оснащение дизельных электростанций и газотурбинных, парогазовых установок котлами-утилизаторами для попутного получения тепловой энергии. Малые котельные начнут переводиться на облагороженное твѐрдое топливо. Для устойчивого топливоснабжения малых и средних арктических поселений будут использоваться уголь мелких местных месторождений, нефть, конденсат и газ опытно-промышленных скважин в местах добычи углеводородов. Модернизация малой энергетики и энергообеспечения арктических сѐл потребует подготовить сотен специалистов-энергетиков из местного населения в университетах Арктики. Энергетика поселений составляет, как правило, небольшую мощность, а обеспечение электро- и теплоснабжением от централизованных сетей требует строительства электрических, тепловых и газовых сетей большой протяжѐнности, что требует нерациональных капитальных затрат. Так, на прокладку электрических сетей затраты составят не менее 500 тыс. руб./км, газовых – до 250 тыс. руб./км. Потери в электрических сетях от 20 до 30 %, в тепловых сетях до 60 %, плата за подключение более 50 тыс. руб./кВт [1]. Кроме того, рост стоимости электро- и теплоснабжения на углеводородном сырье, их 4
Стр.4
ограниченность, экологические проблемы, загрязнение окружающей среды и т.д. приводят к ухудшению условий жизни населения. Автономная система работает независимо от сети централизованного энергоснабжения. Гибридная энергосистема – это использование нескольких источников энергии (микро-ГЭС, дизельные электростанции, ветроустановки, биоэнергетические котлы, мини-ТЭЦ на местных топливах и т.п.). В ряде стран мира успешно решаются проблемы совместного производства энергии с использованием возобновляемых и традиционных источников энергии. В Арктической зоне наиболее продуктивны – это энергия ветра, тепловые насосы, малая гидроэнергетика, биоэнергетика при совместном использовании с дизельными электростанциями. Это приводит к значительному сокращению поставок традиционного топлива. На территории Арктической зоны во всех регионах есть те или иные источники возобновляемой энергии. Это солнечная энергия, энергия ветра, энергия океана и морей, низкопотенциальное тепло, био- и геотермальная энергия. Для обеспечения электро- и теплоснабжением таких регионов на 70–90 %, а то и 100 % с аккумулированием энергии наиболее целесообразно создание комбинированных энергообеспечивающих источников. Для комбинирования энергокомплексов следует подбирать наиболее экономичные источники энергии. Например, солнечная батарея + ветроэнергоустановка (ВЭУ) + аккумуляторная батарея (АБ) + дизельная электростанция (ДЭС) для покрытия дефицита электроэнергии и для подзарядки батарей на период недостаточной выработки электроэнергии от ВЭУ + контроллер + инвертор однофазный или трѐхфазный или тепловой насос + ВЭУ + аккумуляторы + контроллер + инвертор + ДЭС. Для энергообеспечения крупных промышленных объектов и городов, потребляющих десятки тысяч кВт, необходимы крупные энергостанции, такие как меговаттные ветропарки, плавучие атомные электростанции (ПАЭС), конденсационные электростанции (КЭС) и теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) с парогазовыми установками на местном топливе. Энергоснабжение районов возобновляемой энергетикой необходимо рассчитывать с учѐтом климатических особенностей и фауны местности. Например, перевод котельных с каменного угля на биотопливо рационален при достаточном количестве в районе древесных отходов. Кроме того, всегда надо учитывать местные ресурсы полезных ископаемых. Из-за низкой энергетической плотности ВИЭ и непостоянства еѐ выработки стоимость энергии, полученной от ВИЭ, как правило, выше тарифа на электроэнергию, полученную от традиционных источников энергии в центральных районах страны. Поэтому конкуренция ВИЭ с традиционными источниками энергии 5
Стр.5
актуальна именно в децентрализованных районах, удалѐнных от центральных энергосистем [2]. При внедрении ВИЭ предварительно оценивают необходимые объѐмы электро- и теплоснабжения. Определяют приоритетность ВИЭ в данном районе, учитывают социальные и экологические аспекты и определяют экономическую эффективность перевода традиционной энергетики на ВИЭ. Поэтому не всегда экономичен полный отказ от традиционной энергетики. Возможно, что какую-то часть еѐ необходимо оставить. Например, использование ДЭС для подзарядки аккумуляторов или для обеспечения недостатка электроэнергии в период ветрового затишья. Наибольшую эффективность можно получить от комбинирования различных источников энергии. Для электро- и теплоснабжения могут быть рассмотрены: 1) солнечная энергетика; 2) микрогидроэлектростанции (МГЭ); 3) тепловые насосы (ТН); 4) ветроэнергетика (ВЭ); 5) котлы для отопления, работающие на древесном топливе; 6) газогенераторы; 7) парогазовые установки; 8) атомная энергия (ПАЭС); 9) водородная энергетика; 10) аккумуляторы; 11) дизельные электростанции «ДЭС» (приложение). В северной части Арктической зоны – это острова и побережье северных морей, удалѐнные районы Сибири, Камчатки, и Курильские острова, где высокие среднегодовые скорости ветров, будут превалировать ветроэнергетические установки (ВЭУ). В южной части – биоэнергоустановки и микрогидроэлектростанции. Тепловые насосы применимы во всей Арктической зоне. В северной части Арктической зоны среднегодовая скорость ветра в приземном слое на высоте 10 м равна 6–8 м/с, а с увеличением высоты скорость ветра увеличивается в степенной зависимости. Так, например, в п. Амдерма (НАО) среднегодовая скорость ветра на высоте 10 м – 7,9 м/с, на высоте 30 м – 9,8 м/с, 50 м – 11,9 м/с. При таких среднегодовых скоростях безветрия практически не бывает, а скорости ветра до 3 м/с могут быть до 3 дней в году. Население северной части АЗ в основном проживает в небольших посѐлках, в деревянных домах. Помимо посѐлков имеются метеорологические станции, маяки, пограничные заставы, военные городки и другие спецобъекты, которым необходима высокая надѐжность энергоснабжения. Это может обеспечить внедрение небольших ветроэнергетических уста6
Стр.6
новок с аккумуляторными батареями и ДЭС. Для рыболовецких посѐлков уровень надѐжности может быть не очень высоким. Здесь можно использовать ветродизельные установки без аккумуляторных батарей. Для военных объектов, навигации и связи источник питания должен быть очень надѐжным. В этих условиях можно использовать две-три небольших ВЭУ с вертикальной осью вращения совместно с двумя ДЭС и системой аккумулирования энергии. Таким образом, главным направлением автономного энергоснабжения в условиях Заполярья и Крайнего Севера является гибридная схема: несколько маломощных ветроустановок с ДЭС и аккумуляторными батареями или без них. в северной части АЗ с холодным и полярным климатом имеются районы с богатыми ископаемыми ресурсами и там, как правило, имеются централизованные электрические сети. С целью уменьшения сезонных поставок топлива целесообразно строительство мощных ветропарков с горизонтальной осью вращения и подключения их в общую электросеть. Отопление и ГВС при необходимости можно обеспечивать тепловыми насосами, используя низкопотенциальное тепло Земли, вод озѐр или моря, или электродными котлами. В каждом конкретном случае необходимо подготовить ветроэнергетический кадастр, определить потенциальные возможности ВИЭ и затем разработать технический проект по энергообеспечению города или участка. В южных районах АЗ превалирующим источником энергии являются биоресурсы. Это древесное сырьѐ (опилки, щепа, пеллеты, дрова и т.д.). Вспомогательные источники энергии – это тепловые насосы, микрогидроэлектростанции, ВЭУ, солнечные панели. Плавучая атомная электростанция мощностью до 300 МВт способна обеспечить энергоснабжением и пресной водой значительный прибрежный район на десятки лет. 7
Стр.7
ОГЛАВЛЕНИЕ Введение ..................................................................................................................... Задание на выполнение работы. Предварительные расчеты ................................ 3 8 1. Солнечная энергия ................................................................................................. 11 1.1. Основные компоненты солнечной энергетической установки ................. 11 1.2. Расчет и подбор системы на солнечных батареях ...................................... 12 1.3. Пример расчета автономной системы электроснабжения ......................... 16 2. Малая гидроэнергетика ......................................................................................... 18 3. Тепловые насосы ................................................................................................... 21 3.1. Источники низкопотенциальной тепловой энергии ................................... 23 3.2. Системы отопления тепловыми насосами ................................................... 27 4. Ветроэнергетика .................................................................................................... 30 4.1. Повторяемость скоростей ветра ................................................................... 31 4.2. Удельные мощность и энергия ветрового потока ....................................... 33 4.3. Ветроэнергетические ресурсы ...................................................................... 37 4.4. Равномерность обеспечения потребителей энергией ................................. 37 4.5. Пример расчета ветроэнергетического кадастра Мезенского района ...... 38 5. Котлы для отопления, работающие на древесном топливе .............................. 45 6. Газогенераторы ...................................................................................................... 49 7. Парогазовые установки ......................................................................................... 50 8. Плавучие атомные электростанции (ПАЭС) ...................................................... 51 9. Водородная энергетика ......................................................................................... 53 10. Аккумуляторы ...................................................................................................... 60 68
Стр.68

Облако ключевых слов *


* - вычисляется автоматически