Разработка методики оптимизации проектирования структуры электротехнических систем с распределённой генерацией тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат наук Леонов, Евгений Николаевич

• Леонов, Евгений Николаевич
• кандидат наук
• 2017

Оглавление диссертации кандидат наук Леонов, Евгений Николаевич

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение

Глава 1. РАСПРЕДЕЛЁННАЯ ЭНЕРГЕТИКА КАК ПЕРСПЕКТИВА РАЗВИТИЯ

ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

1.1 Принцип организации электротехнических систем с распределённой генерацией

1.2 Технологии производства энергии в электротехнических системах с распределённой генерацией и их перспективы

1.3 Сетевая интеграция электротехнических систем с распределённой генераций

Выводы

Глава 2. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОПТИМАЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

СТРУКТУРЫ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ С

РАСПРЕДЕЛЁННОЙ ГЕНЕРАЦИЕЙ

2.1 Анализ состояния вопроса автоматизации проектирования и промышленного производства электротехнического оборудования

2.2 Постановка задач синтеза электротехнических систем

2.3 Специфика электротехнических систем с установками распределённой генерации как объектов схемотехнического проектирования

2.4 Задачи синтеза электротехнических систем

2.5 Исследование характера задачи оптимального синтеза электротехнических систем с установками распределённой генерации

Выводы

Глава 3. ПРОЦЕДУРЫ ВЫБОРА СТРУКТУРЫ И СОСТАВА ОБОРУДОВАНИЯ

ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ С РАСПРЕДЕЛЁННОЙ

ГЕНЕРАЦИЕЙ

3.1 Детализация приёмников электрической энергии

3.2 Детализация источников электрической энергии

3.2.1 Выбор напряжения источника энергии

3.2.2 Выбор первичных источников энергии

3.2.3 Выбор трансформаторов на трансформаторных подстанциях

3.2.4 Определение места положения источников энергии

3.2.5 Выбор схем электрических соединений подстанций

3.3 Детализация электрических сетей

3.3.1 Алгоритм выбора проводников питающих сетей

3.3.2 Алгоритмы синтеза систем распределения электроэнергии

3.3.3 Алгоритмы выбора коммутационной и защитной аппаратуры

распределительных сетей

Выводы

Глава 4. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МЕЖДУ РАСПРЕДЕЛЁННОЙ ГЕНЕРАЦИЕЙ И ЭНЕРГОСИСТЕМОЙ: АСПЕКТЫ ЭКСПЛУАТАЦИИ, УПРАВЛЕНИЯ И УСТОЙЧИВОСТИ

4.1 Режимы работы электротехнической системы с распределённой генерацией и их моделирование

4.2 Влияние распределённой генерацией на потери и качество электрической энергии

4.3 Влияние распределённой генерацией на значение токов короткого

замыкания, устойчивость генераторов и релейную защиту

Выводы

Заключение

Библиографический список

Приложение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка методики оптимизации проектирования структуры электротехнических систем с распределённой генерацией»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Согласно прогнозу научно-технического развития России до 2030 г. в число среднесрочных и долгосрочных перспектив приоритетного направления «Энергоэффективность и энергосбережение» входят разработка новых методов математического моделирования, а также оптимизация перспективных энергетических технологий и систем. При этом одним из перспективных технологических изменений является внедрение интеллектуальных мини- и микросетей на базе распределённой генерации (РГ). Этот прогноз подтвердждает вхождение технологической платформы «Малая распределённая энергетика» в состав высоких технологий и инноваций, определённый Правительством Российской федерации в 2011 г.

Интеллектуальные системы энергообеспечения предполагают интеграцию различных видов энергоресурсов и объектов РГ с использованием интеллектуальных технологий мониторинга и управления режимами работы и оборудованием сложных энергосистем в режиме реального времени.

Распределённое производство электроэнергии является составной частью электротехнических систем (ЭТС) будущего. Внедрение технологий РГ подразумевает широкие структурные изменения, которые могут явиться новым этапом развития российской энергетики и обеспечить её устойчивое развитие. Связанное с этим структурное преобразование систем требует многих новшеств в областях технологий, форм корпоративной организации, режимов потребления, механизмов управления, концепций моделирования, проектирования и изучения проблем, а также средств определения системных эксплуатационных качеств ЭТС.

Как объект проектирования и внедрения ЭТС с РГ относятся к классу сложных систем с большим числом взаимодействующих элементов. Разработка таких ЭТС может занимать несколько лет и требовать привлечения большого числа специалистов. Поэтому повышение производительности проектирования и оптимизации структуры и состава ЭТС является насущной необходимостью. При

этом актуальной задачей является создание методов и средств системного анализа перспективных энергетических технологий ЭТС с РГ, моделирование и оптимизация схем и параметров перспективных энергоустановок как элементов, обеспечивающих устойчивое развитие и функционирование ЭТС.

Решением этой задачи является широкое применение в проектной практике методов и средств оптимизации проектирования, в том числе её автоматизация при помощи специализированных программных продуктов. В качестве предполагаемых результатов от внедрения современных методов проектирования и управления в ЭТС с РГ является качественное повышение надёжности, управляемости и эффективности этих ЭТС.

Степень разработанности проблемы. Качественный и оптимальный по срокам процесс проектирования ЭТС с РГ с учётом современных требований к оптимальной структуре и составу оборудования обуславливает широкое использование новых информационных технологий:

- систем конструкторского проектирования (Computer Aided Design, CAD);

- систем проектирования технологических процессов (Computer Aided Manufacturing, CAM);

- систем расчётов и инженерного анализа (Computer Aided Engineering, CAE).

Эти системы дают возможность объединения всех стадий разработки и

производства ЭТС в единый процесс проектирования, оперирующего с общей, полностью цифровой моделью. Информационная среда процесса принятия решения CAD/CAM/CAE систем даёт возможность разработки многовариантной структуры ЭТС ещё на этапе инфологического (концептуального) проектирования. Также она позволяет интегрировать все стадии рабочего проектирования, моделировать и тестировать основные процессы производства, передачи, распределения и потребления электроэнергии, начиная с этапа эскизного проектирования и заканчивая сборкой компонентов и созданием прототипа отдельного предприятия. В связи с этим в настоящее время большое значение придается созданию интеллектуальных систем поддержки принятия решений на всех этапах проектирования ЭТС, выполняющих все необходимые

функции для проектирования структуры и состава ЭТС с РГ. Значительный вклад в создание и развитие технологий поддержки принятия проектных решений внесли видные отечественные учёные Н.Н. Моисеев, И.П. Норенков, Г.С. Поспелов, А.Н. Борисов, Б.Г. Ильясов, Ф.Р. Исмагилов, Г.Н. Зверев, В.П. Житников, Т.Г. Сорокер, Б.М. Каган, К.С. Демирчян, Д.А. Аветисян и зарубежные ученые Б. Хокс, М. Грувер, Ж. Энкар, Х. Райффа, Р.Л. Кини, Л.О. Чуа, Пен-Мин Лин.

Основными используемыми в настоящее время средствами исследования вариантов построения сложных ЭТС, к которым относятся и ЭТС с РГ, являются их математическое моделирование с использованием универсальных и специализированных программных продуктов. При этом, несмотря на разнообразие программных продуктов существующих в настоящее время, все они не устраняют главного противоречия, основная суть которого в том, что детальное описание сложных структур и процессов в современных ЭТС, приводит к математическим моделям чрезвычайно высокой размерности. Это значительно затрудняет процесс их проектирования и производства. Использование же упрощённых эквивалентные схемы не обеспечивают такой уровень достоверности результатов моделирования, который позволил бы отказаться от дорогостоящих этапов макетирования и натурных испытаний.

В связи с этим исследования, направленные на повышение эффективности вычислительных процедур моделирования за счёт интеграции и оптимизации функций проектировщика и ЭВМ, сохраняют важное теоретическое и прикладное значение.

Связь работы с научными программами. Диссертационная работа выполнялась в ФГБОУ ВО Тюменский индустриальный университет в рамках госбюджетной НИР № 5-09-11 от 25.12.2010 г. код ГРНТИ 44.29.39 и 50.51.19 по теме «Использование средств САПР и компьютерного моделирования при проектировании систем электроснабжения объектов нефтегазового комплекса» с 01.01.2011 г. по 31.12.2016 г.

При выполнении указанной НИР для ЭТС с РГ разработаны методики и алгоритмы, реализованные в виде программ для ЭВМ, зарегистрированные в Федеральной службе по интеллектуальной собственности:

- выбора оптимального напряжения передачи и распределения электроэнергии;

- выбора трансформаторов на трансформаторных подстанциях;

- определения места расположения первичных и вторичных источников энергии в ЭТС;

- выбор схем электрических соединений распределительных устройств ЭТС.

Целью работы является повышение эффективности проектирования

структуры и состава ЭТС с РГ за счёт установленных функциональных зависимостей путём разработки алгоритмического и программного обеспечения оптимизации проектируемой ЭТС.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:

- провести анализ технологий РГ как перспективы развития ЭТС;

- предложить методику оптимизации и повышения степени согласованности при проектировании структуры ЭТС с РГ;

- разработать алгоритмы и программы декомпозиции полноразмерных универсальных математических моделей ЭТС с РГ, позволяющие упростить вычислительные процедуры;

- разработать алгоритмическое и программное обеспечение для программно-аппаратного комплекса проектирования ЭТС с РГ и провести исследование взаимодействия между РГ и ЭТС.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования является структура ЭТС с РГ. Предметом исследования является разработка методики выбора оптимальной структуры и состава оборудования ЭТС с РГ.

Научная новизна работы:

1) Разработаны алгоритмическое и программное обеспечение проектирования ЭТС с РГ, отличающиеся тем, что позволяют реализовать устойчивое развитие и функционирование таких систем.

2) Разработаны алгоритм и программа декомпозиции полноразмерных универсальных математических моделей ЭТС с РГ, отличающиеся тем, что позволяют упростить вычислительные процедуры.

3) Предложена методика повышения согласованности при проектировании ЭТС с РГ в целом, отличающиеся тем, что имеет место накопление объективной информации о свойствах проектируемых объектов, а также многоступенчатая оптимизация принимаемых решений.

4) Проведено исследование влияния ЭТС с РГ на изменение уровня потерь мощности и качества электроэнергии, токов короткого замыкания, устойчивости, отличающееся тем, что при этом учитывается распределенная генерация.

5) Разработана имитационная компьютерная модель силовой части ЭТС с РГ, отличающаяся тем, что позволяет исследовать нагрузочные и аварийные режимы работы.

Новизна технических решений подтверждена свидетельствами о государственной регистрации программ для ЭВМ

Соответствие диссертации паспорту научной специальности.

Полученные соискателем основные научные результаты соответствуют пункту 2 «Обоснование совокупности технических, технологических, экономических критериев оценки принимаемых решений в области проектирования, создания и эксплуатации электротехнических комплексов и систем», пункту 3 «Разработка, структурный и параметрический синтез электротехнических комплексов и систем, их оптимизация, а также разработка алгоритмов эффективного управления» паспорта специальности 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы.

Практическая ценность работы заключается в разработке программного обеспечения формирования оптимальной структуры ЭТС с РГ и его реализации (выбор первичных источников электроэнергии, трансформаторов, оптимального напряжения электроснабжения и места расположения при изменяющемся характере выработки и (или) потребления электроэнергии, схем электрических соединений распределительных устройств).

На защиту выносятся:

1. Методика и алгоритмы вычислительных процедур декомпозиции ЭТС с РГ при их проектировании.

2. Разработка алгоритмического и программного обеспечения при проектировании ЭТС с РГ.

3. Разработка имитационной компьютерной модели силовой части ЭТС с РГ для исследования нагрузочных и аварийных режимов.

Методы исследований. При решении поставленных задач использовались методы математического моделирования, системного анализа, теории принятия решений, теории надёжности, методы объектно-ориентированного программирования.

Реализация и внедрение результатов работы. Разработанные методика проектирования ЭТС с РГ и программы для ЭВМ признаны эффективными и внедрены в производственную деятельность Управления энергетики ООО «РН-Уватнефтегаз», ООО «ЭнергоСбытСервис» и ЭТЛ «Протон» (г.Тобольск). Как предварительные, так и окончательных результаты диссертационной работы внедрены в учебную деятельность в ФГБОУ ВО «Тюменский индустриальный университет».

Достоверность результатов подтверждается корректностью применяемого математического аппарата, сходимостью результатов вычислительных экспериментов и теоретического анализа и апробацией разработанных алгоритмов на основе установленных функциональных зависимостей в виде программ для ЭВМ, зарегистрированных в Федеральной службе по интеллектуальной собственности (Роспатент).

Личный вклад. Постановка задач, методология и алгоритмы их решения, основные научные результаты и положения, изложенные в диссертации, разработаны и получены автором самостоятельно.

Апробация работы. Результаты работы, а также отдельные её разделы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

1) Всероссийская (с международным участием) научно-практическая конференция молодых ученых и студентов «Инновации. Интеллект. Культура» (Тобольск, 2010 - 2015 гг.).

2) 64-я научно-техническая конференция ГОУ «СИБАДИ» в рамках юбилейного международного конгресса «Креативные подходы в образовательной, научной и производственной деятельности», посвященного 80-летию академии. (Омск, 2010 г.).

3) Региональная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых учёных «Менделеевские чтения» (Тобольск, 2011, 2012 гг.).

4) VI Всероссийская научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Развитие дорожно-транспортного комплекса и строительной инфраструктуры на основе рационального природопользования» (Омск, 2011 г.).

5) Международная заочная научно-практической конференции «Современные вопросы науки и образования - XXI век» (Тамбов, 2012 г.).

6) Всероссийская научная конференция «Развитие инженерного образования в России» (Санкт-Петербург, 2012 г.).

7) XIX Всероссийская научно-техническая конференция «Энергетика: Эффективность, надежность, безопасность» (Томск, 2013 г.).

8) Всероссийская научно-практическая конференция студентов, аспирантов, молодых учёных и специалистов «Энергосберегающие и инновационные технологии в топливно-энергетическом комплексе» (Тюмень, 2013 - 2015 гг.).

9) Всероссийская с международным участием научно-практическая конференция «Новые технологии - нефтегазовому региону» (Тюмень, 2014 г.).

10) X Международная IEEE научно-техническая конференция «Динамика систем, механизмов и машин» (Омск, 2016 г.).

Также результаты работы были представлены на Выставке молодёжных научно-исследовательских проектов «Санкт-Петербургский образовательный форум - 2012» (Санкт-Петербург, 2012 г.) и заседании Тюменского регионального Энергоклуба им. В.П. Рослякова (Тюмень, 2016 г.).

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 33 научных работах, из них 6 в периодических изданиях по перечню ВАК РФ, получены 4 свидетельства о регистрации алгоритмов и программ в Федеральной службе по интеллектуальной собственности (Роспатент). В публикациях в соавторстве личный вклад соискателя составляет не менее 50%.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа содержит введение, четыре главы, основные выводы по результатам научных исследований, библиографический список и приложение. Общий объём диссертации 171 страница, в том числе 36 рисунков, 3 таблицы, список использованной литературы из 97 наименований и приложение из 9 страниц.

ГЛАВА 1. РАСПРЕДЕЛЁННАЯ ЭНЕРГЕТИКА КАК ПЕРСПЕКТИВА РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

1.1. Принцип организации электротехнических систем с распределённой

генерацией

Электротехнические системы многих стран в настоящее время подвергаются процессу преобразования. Либерализация рынка энергии вызывает изменение структуры в электроэнергетическом секторе, а также поиск новых сфер бизнеса энергокомпаниями. Международные экологические соглашения (Киотский протокол и др.) оказывают влияние на развитие топливно-энергетического комплекса. Одновременно с этим появляются новые технологии - возобновляемая энергетика, комбинированное производство электрической и тепловой энергии (когенерация), «чистый уголь» и другие. Изменение климата и ограниченные объёмы природных ископаемых требуют сокращения использования невозобновляемых источников энергии и объёмов выбросов парниковых газов. Всё это приводит к постановке вопроса замены традиционной тепловой и атомной энергетики на новые, перспективные источники энергии в ближайшем будущем.

Потребность в изменениях, развитии - чрезвычайно важная движущая сила для текущих преобразований в современной энергетике, вызывающая конкуренцию между традиционными и новыми технологиями в поставке энергии будущего. Связанное с этим структурное преобразование ЭТС потребует новшества во многих сферах, включая развитие новых технологий и устройств управления, режимов потребления, форм коммуникаций, концепций проектирования и определения системных эксплуатационных качеств ЭТС. Изменения, происходящие в ЭТС, приводят не только к техническим преобразованиям, но и к множеству изменений в социальных сферах.

Один из возможных путей развития ЭТС - децентрализация (распределение).

Децентрализация и развитие технологий для автономного или индивидуального энергоснабжения стали вновь актуальны в последнее время. Ожидается что распределённое производство электроэнергии в малых, децентрализованных единицах, позволит снизить потери в сетях, обеспечит возможности развития для возобновляемой энергетики, а также сократит общий объём выбросов. ЭТС с распределённой генерацией могут стать составной частью более жизнеспособных энергосистем будущего. Широкое внедрение РГ подразумевает тщательно продуманные структурные изменения и может явиться новым скачком в развитии российской энергетики.

В результате исследований был рассмотрен вариант РГ с комбинированным производством электрической и тепловой энергии в малых объёмах, интегрированный в предприятия и здания, где они должны использоваться. Такие конфигурации носят название мини- и микрокогенерации.

По сравнению с доминирующим в настоящее время централизованным производством и потреблением электроэнергии, с обеспечением большого числа объектов сразу от одной электростанции, с редким использованием локальных систем тепло- и электроснабжения, РГ дала бы принципиально отличную форму организации энергообеспечения со множеством генерирующих энергоустановок объединённых в условно единую «виртуальную электростанцию».

По результатам сравнительных исследований эффективности выработки электрической и тепловой энергии на традиционных тепловых электростанциях и установках использующих принцип когенерации показано увеличение общей эффективности ЭТС с мини- и микрокогенерацией по сравнению с традиционными ЭТС до 87% [4, 5].

Когенерация, или объединенная выработка тепла и электроэнергии, является процессом производства и электрической, и тепловой энергии пригодной к использованию с высокой производительностью около пункта использования.

Таким образом, это определение включает три составных элемента:

1) одновременное производство электричества и высокой температуры;

2) критерий высокой общей эффективности;

3) критерий относительно близости энергетической части к потребителю.

Сегодня существует ряд технологий, работающих на принципе когенерации, такие как тепловые насосы, парогазовые турбины, топливные элементы и др. Но, в принципе, теряемая в дымовую трубу энергия из любой тепловой электростанции, может быть использована как объект для когенерации.

Развитие технологий мини- и микрогенерации привели к значительному интересу к малым единицам генерации электрической и тепловой энергии с перспективой развития систем автономного энергообеспечения отдельных зданий. Микрокогенерация, определяется как «одновременное получение электрической энергии, высокой температуры, или хладоагентов в отдельном здании, основанное на небольших энергетических преобразовательных установках ниже 15 кВт» [6], при мощностях установок до нескольких сотен киловатт используют термин миникогенерация.

При этом считается, что произведенная тепловая энергия используется для отопления и нагрева воды непосредственно в здании, где находится когенерационная установка, а произведенная электрическая энергия может быть использована как в пределах здания, так и выдаваться в единую сеть, образуя ЭТС с распределённой генерацией.

Рисунок 1.1 - Технологические компоненты системы микрокогенерации

Технологическим ядром мини- и микрокогенерации является энергетическая преобразовательная установка, которая позволяет одновременно производить электрическую и тепловую энергию в малых объёмах (рисунок 1.1). В дополнение к этой основной технологии в систему входят компоненты для развитого доступа к сети более высокого уровня, дающие функции измерения, контроля и управления преобразователями. Всё это позволяет образовывать комплексы распределённой генерации - «виртуальные электростанции».

Проблема развития когенерации требует многогранного изучения, в сочетании с различными факторами не только технологического, но и экономического, социального характера. Очевидный аспект новизны данной работы - введение в эксплуатацию установок и систем с новыми функциональными возможностями и развитыми связями с другими техническими компонентами системы электро- и теплоснабжения. В этой главе рассмотрены различные технические компоненты РГ, а также технологий для объединения таких установок в системы.

1.2 Технологии производства энергии в электротехнических системах с распределённой генерацией и их перспективы

В таблице 1.1 приводится краткий обзор наиболее часто используемых технологий РГ и их типичный размер модуля. Технологии 5 - 10, 15 и 16 можно считать возобновляемыми источниками в РГ. Другие технологии также можно назвать возобновляемым РГ если они работают на биотопливе. Топливный элемент также может считаться возобновляемым источником РГ, если водород для него получают с помощью возобновляемых источников энергии, например энергии ветра.

Таблица 1.1 - Технологии распределённой генерации

Технология Типичный размер модуля

1. Парогазовые турбины 35 - 400 МВт

2. Двигатели внутреннего сгорания 5 кВт - 10 МВт

3. Паровые турбины 1 - 250 МВт

4. Микротурбины 35 кВт - 1 МВт

5. МикроГЭС 25 кВт - 1 МВт

6. МиниГЭС 1 - 100 МВт

7. Ветрогенераторы 200 Вт - 3 МВт

8. Фотоэлектрические преобразователи 20 Вт - 100 кВт

9. Солнечные тепловые электростанции 1 - 80 МВт

10. Энергия биомассы 100 кВт - 20 МВт

11. Топливные элементы, протонообменные 1 - 250 кВт

12. Топливные элементы, фосфорно-кислотные 200 кВт - 2 МВт

13. Топливные элементы, на расплаве карбоната 250 кВт - 2 МВт

14. Топливные элементы, твердооксидный 250 кВт - 5 МВт

15. Геотермальные электростанции 5-100 МВт

16. Энергия океана 100 кВт - 1 МВт

17. Двигатель Стирлинга 2 - 10 кВт

18. Аккумуляторы 500 кВт - 5 МВт

Как уже указывалось в 1.1 в настоящий момент разработано много различных технологий локального комбинированного производства тепловой и электрической энергии (рисунок 1.2). Технология преобразования может быть основана как на сгорании и последующем преобразовании тепла в механическую энергию, вращающую электрогенератор (поршневые двигатели, двигатели Стирлинга, газовые турбины, паровые двигатели и др.), так и на прямом электрохимическом преобразовании химической энергии в электроэнергию (например, топливные элементы). К комбинированным технологиям также относятся термоэлектрические и фотогальваническое преобразования излучения (термофотогальванические устройства). Перечень данных технологий определён в

соответствии с перспективами развития распределённой мини- и микрогенерации, рассмотренными, например в [6, 7, 8].

В принципе самые обычные системы когенерации могут быть использованы в ЭТС с РГ, хотя многие из них при малых объёмах генерации обладают довольно низким КПД. Например, газовые микротурбины с достаточно высоким КПД разработаны для мощностей выше 25 кВт. Однако некоторые из технологий всё же могут быть успешно использованы при малых объёмов выработки. Проведём анализ перспектив применения данных технологий.

Одной из наиболее перспективных технологий является использование поршневых двигателей (двигателей внутреннего сгорания). В технологиях микрокогенерации, как правило, используется двигатели с циклом Отто, например, как это представлено на рисунке 1.3. Поршневые двигатели коммерчески доступны и производятся в больших количествах множеством компаний во всём мире.

Двигатель Отто

Топливо

Сгорание в поршневом двигателе

Механическая энергия

Паровой двигатель

Топливо

I

Сгорание в котле

I

Пар

I

Механическая энергия

I I

Двигатель Стирлинга

ЭЭ

ТЭ

ЭЭ

ТЭ

Топливо/ источник тепла

Сгорание в котле

Процесс _ Стирлинга

Механическая энергия

I ,

ЭЭ ТЭ

Микротурбина

Топливо

Сгорание в турбине

Механическая энергия

Топливный элемент

ЭЭ

ТЭ

Топливо

I

(Риформинг)

I

Электрохимическое преобразование

f f

ЭЭ ТЭ

Горение

Электрохимия

Термофото-гальванические элементы

Топливо

I

Сгорание в котле

т

Преобразование в полупроводнике

J J

ЭЭ ТЭ

Прочее

Рисунок 1.2 - Технологии когенерации и этапы преобразования (ЭЭ - электрическая энергия, ТЭ - тепловая энергия)

Выхлопной газ

Теплообменник выхлопного газа

Блок микрокогенерации I I

Теплонабжение

Насос обогрева

Горячая вода

Хранение

Общая сеть Спрос/домашнее хоязйство

Рисунок 1.3 - Принципиальные компоненты системы с поршневым двигателем

Поршневые двигатели работают с меньшим количеством избыточного воздуха по сравнению с газовыми турбинами. Это приводит к более высоким температурам сгорания, вызывая тепловое производство NOХ из-за окисления азота, содержавшегося в воздухе. Есть две возможности снизить объём образуемого NOХ. Первая - двигатель может управляться в обеднённом режиме, т.е. с избыточным воздухом, так, чтобы температура реакции была понижена. Вторая состоит в управлении системой почти стохиометрически (т.е. с отношением воздуха/топлива X = 1) и использовании катализатора.

Электрическая эффективность поршневых двигателей, определенных как произведенная электроэнергия, делённая на вход природного газа, сильно зависит от электрической мощности системы (рисунок 1.4). При значении менее 15 кВт эффективность обычно не превышает 26%. Тепловая эффективность зависит от системы и её уровня тепловой интеграции (например, используется ли теплоноситель с повышенным давлением). При этом объединённая электрическая и тепловая эффективность (общая эффективность) варьируется от 80 % и выше. Значительное снижение капитальных затрат (масштабный эффект) может наблюдаться при достижении мощности генератора выше 10 кВт.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Леонов, Евгений Николаевич, 2017 год

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Прогноз научно-технического развития Российской федерации на период до 2030 г. Минобрнауки России. - М.: 2013. - 72 с.

2. Протокол заседания Правительственной комиссии по высоким технологиям и инновациям от 01.04.2011 №2. - М.: 2011. - 17 с.

3. Норенков, И.П. Автоматизированное проектирование / И.П. Норенков. -М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2000. - 188 с.

4. Леонов, Е.Н. Распределённая энергетика и микрокогенерация как перспектива развития энергоснабжения / Е.Н. Леонов // Энергосбережение и инновационные технологии в топливно-энергетическом комплексе : материалы Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов, молодых ученых и специалистов, посвященной 50-летию создания Тюменского индустриального института / отв. редактор А.Л. Портнягин. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2013. - с. 224 - 227.

5. Леонов, Е.Н. Интеграционные технологии при создании малых электротехнических систем и комплексов на основе методологии когенерации / Е.Н. Леонов, А.Л. Ахтулов, Л.Н. Ахтулова, С.И. Смирнов, Н.Н. Петухова // Омский научный вестник. - 2014. - № 2 (130). - с. 145 - 151.

6. Pehnt, M. Micro Cogeneration: Towards Decentralized Energy Systems / M. Pehnt, M. Cames, C. Fischer, B. Praetorius, L. Schneider, K. Schumacher, J.-P. Voß. -Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag, 2006. - 356 p.

7. Directive 2004/8/EC of the European parliament and of the Council of 11 February 2004 on the promotion of cogeneration based on a useful heat demand in the internal energy market and amending Directive 92/42/EEC. - Strasburg, 2004.

8. ASUE. Arbeitsgemeinschaft für sparsamen und umweltfreundlichen Energieverbrauch. Gaswärmepumpen. - München, 2001. - 24 p.

9. Леонов, Е.Н. Эффективность экономии энергетических ресурсов России / Е.Н. Леонов // Материалы XI городской научно-практической конференции студентов и молодых учёных, посвящённой 40-летию ТюмГНГУ. - Тобольск: изд-во ТГПИ им. Д.И. Менделеева, 2003. - с. 22 - 23.

10. Леонов, Е.Н. Инновационные возможности энергосбережения промышленных предприятий на примере ООО «Тобольск-нефтехим» / Е.Н. Леонов, Е.А. Рочев, И.Г. Иванов // Энергетика: Эффективность, надежность, безопасность: материалы XIX Всероссийской научно-технической конференции / Томский политехнический университет. - Томск: Изд-во ООО «Скан», 2013. - с. 472 - 475.

11. Леонов, Е.Н. Технологии микрокогенерации и их перспективы / Е.Н. Леонов // Инновации. Интеллект. Культура. Материалы XXI Всероссийской (с международным участием) научно-практической конференции (7-10 апреля 2014 г., г. Тобольск). - Тюмень: ТюмГНГУ, 2014. - с. 131 - 137.

12. Леонов, Е.Н. Системы децентрализованного электроснабжения на основе технологий микрокогенерации и их перспективы / Е.Н. Леонов // Повышение надежности и энергоэффективности электротехнических систем и комплексов: межвузовский сборник научных трудов / редкол.: В.А. Шабанов и др. - Уфа: Изд-во УГНТУ, 2014. - с. 125 - 128.

13. Кузьмина, И.А. Генетические методы синтеза сетей энергоснабжения / И.А. Кузьмина // Информационные технологии. - 2011. - № 11, - с. 36 - 39

14. Леонов, Е.Н. Сетевая интеграция и коммуникационные технологии в распределённой микроэнергетике / Е.Н. Леонов // Новые технологии -нефтегазовому региону: материалы Всероссийской с международным участием научно-практической конференции. Т. 2. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2014. - с. 189 -191.

15. Атлас новых профессий. - М.: Агентство стратегических инициатив, 2014 г. - 168 с.

16. Ли, К. Основы САПР (CAD/CAM/CAE) : пер. с англ. / К. Ли. - СПб.: Питер, 2004. - 560 с.

17. Хокс, Б. Автоматизированное проектирование и производство: монография. пер. с англ. / Б. Хокс. - М.: Мир, 1991. - 296 с.

18. Hawkes, B. The CADCAM process - S.l. / B. Hawkes. - Trans-Atlantic Publications, 1988. - 275 с.

19. Грувер, М. САПР и автоматизация производства: пер. с англ. / М. Грувер, Э. Зиммерс. - М.: Мир, 1987 - 528 с.

20. Кини, Р.Л. Принятие решений при многих критериях: предпочтения и замещения / Р.Л. Кини, Х. Райффа. - М.: Радио и связь, 1981. - 560 с.

21. Попов, Э.В. Экспертные системы. Решение неформализированных задач в диалоге с ЭВМ / Э.В. Попов. - М.: Наука. Гл. ред. Физ.-мат. лит., 1987. - 288 с.

22. Вермишев, Ю.Х. Основы автоматизации проектирования / Ю.Х. Вермишев. - М.: Радио и связь, 1988. - 280 с.

23. Норенков, И.П. САПР: Системы автоматизированного проектирования: учеб. пособие для втузов: В 9 кн. Кн.1: Принципы построения и структура. / И.П. Норенков - Мн.: Выш. шк., 1987. - 123 с.

24. Петров, А.В. Разработка САПР. В 10 кн. Кн.1. Проблемы и принципы создания САПР: Практ. пособие / А.В. Петров, В.М. Черненький; под ред. А.В.Петрова. - М.: Высш. шк., 1990. - 143 с.

25. Аветисян, Д.А. Автоматизация проектирования электротехнических систем и устройств / Д.А. Аветисян. - М.: Высшая школа, 2005. - 511 с.

26. Измаилов, А.Ф. Численные методы оптимизации: учеб. пособие / А.Ф. Измаилов, М.В. Солодов - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2005. - 304 с.

27. Васильев, Ф.П. Методы решения экстремальных задач / Ф.П. Васильев -М.: Наука, 1988. - 552 с.

28. Гилл, Ф. Практическая оптимизация : пер. с англ. / Ф. Гилл, У. Мюррей, М. Райт - М.: Мир, 1985. - 509 с.

29. Bonnans, J.F. Numerical optimization. Theoretical and practical aspects / J.F. Bonnans, J.Ch. Gilbert, C. Lemarechal, C.A. Sagastizabal - Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag, 2006. - 494 p.

30. Nocedal, J. Numerical optimization / J. Nocedal, S.J. Wright - New York, Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag, 2006. - 685 p.

31. Шенен, П. Математика и САПР: В 2-х кн. Кн.1. Пер. с франц. / П. Шенен, М. Коснар, И. Гардан, Ф. Робер, И. Робер, П. Витомски, П. Кастельжо. - М.: Мир, 1988. - 204 с.

32. Жермен-Лакур, П. Математика и САПР: В 2-х кн. Кн.2. Пер. с франц. / П. Жермен-Лакур, П.Л. Жорж, Ф. Пистер П. Безье. - М.: Мир, 1989. - 264 с.

33. Raiffa, H. Decision Analysis: Introductory Lectures on Choices under Uncertainty / H. Raiffa. McGraw-Hill College, 1997. - 309 p.

34. Хэммонд, Д.С. Умный выбор. Как научиться принимать правильные решения / Д.С. Хэммонд, Р.Л. Кини, Г. Райффа. - Новосибирск: Сибирское университетское изд-во, 2009г. - 222 с.

35. Григорьев, В.П. Применение методов искусственного интеллекта в САПР технологического проектирования производства электронной аппаратуры/ В.П. Григорьев, Э.Н. Камышева, Несторов Ю.Н. - М.: Изд-во МГТУ им. Баумана, 1998. - 48 с.

36. Ильин, В.Н. Автоматизация схемотехнического проектирования: Учеб. пособие для вузов/ В.Н. Ильин, В.Т. Фролкин, А.И. Бутко, Н.Ю. Каменева, Е.М. Тихомирова; Под ред. В.Н.Ильина. - М.: Радио и связь, 1987. - 368 с.

37. Римский, Г.В. Теория систем автоматизированного проектирования и интеллектуальных САПР на базе высших комплексов и сетей / Г.В. Римский. -Мн.: Навука i тэхшка, 1994. - 631 с.

38. Addis, Т-R. Designing knowledge-based system / T.R. Addis. - London: Kogan page, 1985. - 322 p.

39. Swift K.G. Knowledge-based design for manufacture / K.G. Swift. London: Prentice-Hall, 1987. - 149 p.

40. Моисеев, Н.Н. Методы оптимизации / Н.Н. Моисеев, Ю.П. Иванилов, Е.М. Столярова. - М.: Наука. Гл. ред. Физ.-мат. лит., 1978. - 351 с.

41. Орлов, И.Н. Системы автоматизированного проектирования электромеханических устройств: Учеб. пособие для вузов / И.Н. Орлов, С.И. Маслов. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - 296 с.

42. Корнеев, В.В. Базы данных. Интеллектуальная обработка информации / В.В. Корнеев, А.Ф. Гареев, С.В. Васютин, В.В. Райх. - М.: Изд-во «Нолидж», 2001. - 352 с.

43. Воропаев П.В. Автоматизация схемотехнического проектирования распределенных электротехнических систем и устройств: Автореф. дис. на соиск. учен. степ. д-ра техн. наук : 05.13.12, 05.09.05 / П.В. Воропаев. - Воронежский госуд. тех. ун-т. - Воронеж, 1995. - 34 с.

44. Анисимов, В.И. Диалоговые системы схемотехнического проектирования / В.И. Анисимов, Г.Д. Дмитревич, К.Б. Скобельцин; под ред. В.И. Анисимова. М.: 1988. - 288 с.

45. Скобельцин, К.Б. Теория и методы построения интегрированных диалоговых систем автоматизированного проектирования электронных схем: Автореф. дис. на соиск. учен. степ. д-ра техн. наук : 05.13.12 / К.Б. Скобельцин. -Санкт-Петербург. электротехн. ун-т. - С-Пб., 1993. - 28 с.

46. Арион, В.Д. Применение динамического программирования к задачам электроэнергетики / В.Д. Арион, В.Г. Щуравлев; Отв. ред. В.А. Веников. -Кишинев : Штиинца, 1981. - 132 с.

47. Цветков, В.Д. Системно-структурное моделирование и автоматизация проектирования технологических процессов / В.Д. Цветков.- Минск: Наука и техника, 1979. - 261 с.

48. Чичварин, Н.В. Экспертные компоненты САПР / Н.В. Чичварин. - М.: Машиностроение, 1991. - 240 с.

49. Измаилов, А.Ф. Чувствительность в оптимизации / А.Ф. Измаилов. - М.: Физматлит, 2006. - 248 с.

50. Бернас, С. Математические модели элементов электроэнергетических систем: Пер. с польск. / С. Бернас, 3. Цёк. - М.: Энергоиздат, 1982. - 312 с.

51. Вайнштейн, Р.А. Математические модели элементов электроэнергетических систем в расчётах установившихся режимов и переходных процессов. Учебное пособие / Р.А. Вайнштейн, Н.В. Коломиец, В.В. Шестакова. -Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2010. - 115 с.

52. Кириленко, O.B. Математичне моделювання в електроенергетищ / O.B. Кириленко, М.С. Сегеда, О.Ф. Буткевич, Т.А. Мазур . - Львiв: : Видавництво Львiвськоi полггехшки, 2013. - 608 с.

53. Батищев, Д.И. Поисковые методы оптимального проектирования / Д.И. Батищев. М.: Советское радио, 1975. - 216 с.

54. Применение вычислительных методов в энергетике: Обзор докладов VIII Международной конференции (Энергетика за рубежом) / Под ред. В.А. Веникова, Ю.Ф. Архищева. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - 176 с.

55. Бородулин, Ю.Б. Автоматизированное проектирование силовых трансформаторов / Ю.Б. Бородулин, В.А. Гусев, Г.В. Попов. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - 264 с.

56. Химмельблау, Д. Прикладное нелинейное программирование : Пер. с англ. / Д. Химмельблау. - М.: Мир, 1975. - 536 с.

57. Хедли, Дж. Нелинейное и динамическое программирование: Пер. с англ. / Дж. Хедли. - М.: Мир, 1967. - 509 с.

58. Сюсюкин, А.И. Основы электроснабжения предприятий: Учебное пособие. В 2 частях. Ч. 1. / А.И. Сюсюкин. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2003. - 193 с.

59. Правила устройства электроустановок 7-е и 6-е издание - СПб.: ДЕАН, 2014. - 1168 с.

60. Железко, Ю.С. Потери электроэнергии. Реактивная мощность. Качество электроэнергии: Руководство для практических расчётов / Ю.С. Железко. - М.: ЭНАС, 2009. - 456 с.

61. Сюсюкин, А.И. Основы электроснабжения предприятий: Учебное пособие. В 2 частях. Ч. 2. / А.И. Сюсюкин. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2003. - 164 с.

62. Леонов, Е.Н. Постановка задачи синтеза принципиальных схем промышленного электроснабжения средствами современных САПР / Е.Н. Леонов, А.Л. Ахтулов, Л.Н. Ахтулова, С.И. Смирнов // Вестник Ижевского государственного технического университета. 2011. - №1. - с. 110-113.

63. Леонов, Е.Н. Использование компьютерных имитационных моделей при изучении электротехнических дисциплин в ВУЗе / Е.Н. Леонов // Сборник материалов Всероссийской научной конференции «Развитие инженерного образования в России» и Выставки молодёжных научно-исследовательских проектов. Санкт-Петербургский образовательный форум - 2012, 28 марта - 1 апреля 2012 г. / Под.общ. ред. Коропченко А.А. - М.: РТВ-Медиа, ООО, 2012. - с. 24 - 25.

64. Леонов, Е.Н. Исследование характера задачи оптимального синтеза электротехнических систем / Е.Н. Леонов // Инновации. Интеллект. Культура: сборник материалов XX Всероссийской (с международным участием) научно-практической конференции молодых ученых и студентов, проводимой при финансовой поддержке ООО «Тобольск-Нефтехим», г.Тобольск, 30 ноября 2012. - Новосибирск: ООО агентство «СИБПРИНТ», 2012. - с. 61 - 64.

65. Кудрин, Б.И. Электроснабжение. Учебник для студентов вузов, обучающихся по направлению подготовки «Электроэнергетика и электротехника». 2-е изд., перераб. и доп. / Б.И. Кудрин - М.: Академия, 2012. -352 с.

66. ГОСТ 721-77. Системы энергоснабжения, сети, источники, преобразователи и приемники электрической энергии. Номинальные напряжения свыше 1000 В. - 8 с.

67. ГОСТ 21128-83. Системы энергоснабжения, сети, источники, преобразователи и приемники электрической энергии. Номинальные напряжения до 1000 В. - 5 с.

68. Леонов, Е.Н. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ «Расчёт оптимального напряжения для электроснабжения» / Е.Н. Леонов // М.: Федеральная служба по интеллектуальной собственности, 2015. № гос. рег. 2015661994.

69. Леонов, Е.Н. Методика оптимального выбора источников энергии в электротехнических системах с распределённой генерацией / Е.Н. Леонов, А.Л. Ахтулов, В.К. Федоров // Динамика систем, механизмов и машин : материалы Х Международной IEEE научно-технической юбилейной конференции № 1, 2016. Том. 3 / гл. редактор А.В. Косых. - Омск: ОмГТУ, 2016. - с. 20 - 25.

70. Совалов, С.А. Режимы единой энергосистемы. - М.: Энергоатомиздат, 1983. - 384 с.

71. Филиппова, Т.А. Энергетические режимы электрических станций и электроэнергетических систем: Учебник. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2005. -300 с.

72. Чуа, Л.О. Машинный анализ электронных схем: Алгоритмы и вычислительные методы. Пер. с англ. / Л.О. Чуа, Пен-Мин Лин. - М.: Энергия, 1980. - 640 с.

73. Правила технической эксплуатации электроустановок потребителей. -СПб.: ДЕАН, 2015. - 304 с.

74. Мелентьев, Л.А. Системные исследования в энергетике. Элементы теории, направления развития. - 2-е изд., перераб. и доп. / Л.А. Мелентьев - М.: Наука, 1983. - 456 с.

75. Леонов, Е.Н. Алгоритмизация выбора силовых трансформаторов при проектировании цеховых КТП / Е.Н. Леонов, О.В. Ужинская // Вестник ТИИ: сборник научных статей; под ред. А.Ю. Конева и И.А. Ломакина - 2010. - №2. -Тюмень: Библиотечно-издательский комплекс ТюмГНГУ. - с. 74 - 78

76. Леонов, Е.Н. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ «Выбор цеховых трансформаторов и определение потерь в них» / Е.Н. Леонов // М.: Федеральная служба по интеллектуальной собственности, 2015. № гос. рег. 2015661305.

77. Леонов, Е.Н. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ «Определение места расположения источника питания при изменяющемся характере электрических нагрузок потребителей» / Е.Н. Леонов // М.: Федеральная служба по интеллектуальной собственности, 2015. № гос. рег. 2015661518.

78. СТО 56947007-29.240.30.010-2008. Схемы принципиальные электрические распределительных устройств подстанций 35 - 750 кВ. Типовые решения. Стандарт организации. - ООО «ФСК ЕЭС», 2007. - 132 с.

79. СТО 56947007-29.240.10.028-2009. Нормы технологического проектирования подстанций переменного тока с высшим напряжением 35 -750 кВ (НТП ПС). Стандарт организации. - ООО «ФСК ЕЭС», 2009. - 96 с.

80. Леонов, Е.Н. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ «Выбор схем электрических соединений подстанций» / Е.Н. Леонов // М.: Федеральная служба по интеллектуальной собственности, 2016. № гос. рег. 2016661601.

81. Карапетян, И.Г. Справочник по проектированию электрических сетей / И.Г. Карапетян, Д.Л. Файбисович, И.М. Шапиро; под ред. Д.Л. Файбисовича. 3-е изд. перераб и доп. - М.: ЭНАС, 2009. - 392 с.

82. Елисеев, Д.С. Алгоритмы САПР для выбора проводов и кабелей / Д.С. Елисеев. -Волгоград: ИПК ФГОУ ВПО Волгоградская ГСХА «Нива», 2012. -184 с.

83. Леонов, Е.Н. Разработка программного продукта по расчету элементов электрических сетей / Е.Н. Леонов, П.Н. Плеханов, О.В. Ужинская // Инновации. Интеллект. Культура. Материалы XVIII Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых и студентов «Инновации. Интеллект. Культура». -Тюмень: Изд-во «Нефтегазовый университет», 2010. - с. 104 - 106.

84. Хомоненко, А. Delphi 7. Наиболее полное руководство / А. Хомоненко, В. Гофман, Е. Мещеряков, В. Никифоров. - СПб.: BHV-Санкт-Петербург, 2003. -1216 с.

85. Schultz, R.P. Impacts of new technology and generation and storage processes on power system stability and operability. In Proceedings of DOE/ ORNL Conference «Research needs for the Effective Integration of New Technologies into the Electric Utility», pp. 193 - 219, 1983.

86. Impact of embedded generation on distribution networks. Institution of Electrical Engineers (IEE). Digest No: 1996/191, London, UK, 1996.

87. CIRED. Technical Theme 4: Dispersed Generation, Management and Utilization of Electricity. Proceedings of 16th International conference on Electricity Distribution. Amsterdam, Netherlands, IEE Conference Publication No: 482, Part 1: Contributions, June 2001.

88. Филиппов, С.П. Малая энергетика в России / С.П. Филиппов // Теплоэнергетика. 2009. №8. с. 38 - 44.

89. Бубенчиков, А.А. Возможности применения систем когенерации на территории России / А.А. Бубенчиков, М.И. Николаев, Г.Ю. Киселёв, Н.В. Есипович, М.К. Феофанов, Д.О. Шкандюк // Современная наука и практика. 2015. № 4 (4). с. 90 - 93.

90. Conti, S. Study of the Impact of PV Generation on Voltage Profile in LV Distribution Networks. / S. Conti, S. Raiti, G. Tina, U. Vagliasindi. // Proceedings IEEE Porto PowerTech 2001, Septermber 2001.

91. Денисюк, С.П. Аналiз впливу джерел розосереджено! генерацп на електромережу та особливост побудови вiртуальних електростанцш / Денисюк С.П., Базюк Т.М. // Електрифшащя транспорту. 2012. №4. с. 23 - 29.

92. Леонов, Е.Н. Влияние распределённой генерацией на потери и качество электрической энергии / Е.Н. Леонов, В.К. Федоров, Д.В. Федоров // Омский научный вестник, сер. «Приборы, машины и технологии». - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2016. - № 6 (150). - с. 163 - 167

93. Christensen, J.F. Methods and Models for Evaluating the Impact of Decentralized Generation. / J.F. Christensen, A. Grueland Sorensen, N. Hatziargyriou, M. Donnelly. // CIGRE, Paper presented on behalf of Study Committee 38, 1998.

94. Slootweg, J.G. Voltage control methods with grid connected wind turbines: A tutorial review. / J.G. Slootweg, S.W.H de Haan, H. Polinder, W. L. Kling. // Wind Engineering/ 2001. №25(6) : pp. 353 - 365.

95. Dugan, R. Operating Conflicts for Distributed Generation on Distribution Systems. / R. Dugan, T. McDermott. // Rural Electric Power Conference, pages A3/1 -A3/6, 2001.

96. Barker, P. Determining the Impact of Distributed Generation on Power Systems: Part 1-Radial Distribution Systems. / P. Barker, R. De Mello.// IEEE Power Engineering Society Summer Meeting, 3, pp. 1645-1656, 2000.

97. Girgis, A. Effect of distributed generation on protective device coordination in distribution system. / A. Girgis, S. Brahma. // LESCOPE '01 Conference on Large Engineering Systems, pp. 115-119, 2001.