Выбор числа и мощности дизель-генераторов автономной ДЭС

Дизельная электростанция (ДЭС) - это стационарная или передвижная энергетическая установка, оборудованная электрическим генератором с приводом от дизельного двигателя внутреннего сгорания. Достоинствами дизель-генераторных установок (ДГУ) в сравнении с другими источниками электроэнергии на базе двигателей внутреннего сгорания являются: высокий коэффициент полезного действия (отношение выработанной к затраченной энергии), возможность длительной автономной работы, большой эксплуатационный ресурс до капитального ремонта, простота хранения дизельного топлива и заправки.

В качестве основных источников электропитания ДЭС применяют в строительстве, сельском хозяйстве, на лесозаготовках и т.п., т.е. там, где по тем или иным причинам невозможно или нецелесообразно подключение к центральной электрической сети. Резервные ДЭС применяются в качестве дополнительного источника питания при прекращении подачи электроэнергии от стационарной внешней сети. В качестве аварийных источников электропитания ДЭС применяются в больницах, на постах связи и других объектах, для которых недопустим перерыв электропитания.

Таблица 4. Технико-экономические показатели ДЭС

Усредненная стоимость ДЭС определена по прайс-листам и каталогам известных отечественных производителей и поставщиков дизельных электростанций. [4, 5]

В таблице 4 приведены цены полнокомплектных стационарных ДЭС контейнерного исполнения второй степени автоматизации. Выбор такого варианта исполнения станций обусловлен минимальными затратами на капитальное строительство и меньшими расходами на ввод в эксплуатацию.

Коэффициент технического использования Кти для дизельных двигателей различных типоразмеров определен из [6]. Кти характеризует долю времени нахождения объекта в работоспособном состоянии относительно общей (календарной) продолжительности.

Согласно этой методики абсолютный расход топлива дизель-генератором на отпуск электроэнергии на каждой i-ой ступени суточного графика определяется по формуле:

где gном – удельный расход топлива дизелем при номинальной мощности (по паспортным данным), г/кВт·ч;

Kизн – коэффициент износа. Для дизель-генераторов, прошедших капитальный ремонт или с истекшим сроком службы принимается равным 1,05;

Kрежi – режимный коэффициент, учитывающий изменение удельного расхода топлива при работе дизель-генератора с нагрузкой, меньшей номинальной

где gi - удельный расход топлива на рассматриваемом долевом режиме, г/кВт·ч. Определяется по нагрузочной характеристике дизеля, которая приводится в технической документации или принимается по справочным данным. При отсутствии расходной характеристики и при равномерной загрузке дизель генераторов коэффициент Kрежi может быть рассчитан по эмпирической формуле:

где Рном – номинальная мощность дизель-генератора, кВт;

Рпотрi – потребляемая мощность на i-ой ступени суточного графика, кВт.

Эвырi – вырабатываемая ДГ электрическая энергия на i-ой ступени суточного графика, кВт·ч, которая определяется по уравнению:

 

Варианты состава ДЭС

Для выбора мощности ДГ использован суточный график с максимальным потреблением за каждый час

Рисунок 11 – Суточный график максимальной нагрузки

Для данного суточного графика, общее количество потребляемой за сутки электроэнергии составляет 11991,9 кВт·ч, при максимальных величинах электрической нагрузки Рпотр.max = 669,37 кВт, минимум нагрузки равен Рпотр.min = 74.26 кВт. К рассмотрению выбрано несколько вариантов надежного покрытия электрической нагрузки.

Вариант 1:

В составе ДЭС используются два ДГ, номинальной мощностью 630 и 100 кВт. ДГ большей мощности включен практически все время. Расчет произведен с учетом, что ДЭС будет переключаться в режим потребления маломощным ДГ при мощности нагрузки ниже 100 кВт. При мощности нагрузки от 100 до 630 кВт будет работать мощный ДГ. При мощности потребления выше 630 кВт в работе будут находится два генератора. Годовое потребление топлива составит 573412,7 кг. Количество моточасов для ДГ мощностью 100кВт – 645 ч, для ДГ мощностью 630 кВт – 8239 ч. (Приложение Б, П9)

Вариант 2:

В составе ДЭС используются два ДГ, номинальной мощностью 500 и 200 кВт. Расчет произведен с учетом, что ДЭС будет переключаться в режим потребления маломощным ДГ при мощности нагрузки ниже 200 кВт. При мощности нагрузки от 200 до 500 кВт будет работать мощный ДГ. При мощности потребления выше 500 кВт в работе будут находится два генератора. Годовое потребление топлива составит 561277.5 кг. Количество моточасов для ДГ мощностью 200 кВт – 3748 ч, для ДГ мощностью 500 кВт – 6464 ч.  (Приложение Б, П10)

 

 

3. Технико-экономический анализ вариантов построения ДЭС

Важным критерием экономической эффективности являются приведенные годовые затраты на 1 кВт установленной мощности генерирующих источников, которые определяются из выражения:

где Руст – установленная мощность генерирующей установки (кВт);

 – нормативный коэффициент рентабельности,

Тсл – экономический срок службы оборудования (лет);

С – общие годовые эксплуатационные расходы (руб).

Суммарные капитальные затраты автономной системы электроснабжения состоят из стоимости ее основного генерирующего оборудования, а также сопутствующих затрат, связанных с транспортировкой, монтажом, затратами на проектные работы:

где Kуст – стоимость генерирующей установки (руб),

Kдоп – дополнительные капитальные затраты (руб).

Общие годовые эксплуатационные расходы включают в себя затраты на обслуживание и плановый ремонт, годовые затраты на топливо и его доставку:

где Собсл – годовые затраты на обслуживание (руб), Стоп – годовые затраты на топливо, включающие его доставку (руб).

Себестоимость 1 кВт∙ч генерируемой электроэнергии определяется из выражения:

где Wпол – общее количество электрической энергии, вырабатываемое электростанцией в течение года, (кВт∙ч).

Чистый денежный поток инвестиционного проекта (ЧДП) во временном интервале t определяется по выражению:

где t = 0, 1, 2, …n (n – планируемый срок реализации проекта, лет);

ЧПt – чистая прибыль;

Аt – амортизационные отчисления;

Kt – общие капитальные вложения.

Чистая прибыль определяется как доход от реализованной продукции за вычетом издержек производства и налогов:

где Дt – общий объем продаж t-периода (за вычетом НДС);

ИПt – издержки производства в t-периоде;

Нt – налог на прибыль в t-периоде.

Продукцией электростанции является произведенная электроэнергия, выручку, от реализации которой, можно определить по выражению:

где Wпотрt – объем электроэнергии, отпущенной потребителю в t – периоде, кВт∙ч;

СкВт∙ч – стоимость 1 кВт∙ч, руб.

Следует отметить, что во многих случаях основной целью построения систем электроснабжения населенных пунктов, изолированных от центральных электрических сетей, является не получение коммерческой выгоды, а обеспечение жизнедеятельности населения, проживающего в данных населенных пунктах. В этих случаях задача построения изолированных энергетических систем решается за счет средств местного бюджета, а населением возмещаются только эксплуатационные расходы. Для расчета амортизационных отчислений используется простой линейный метод, согласно которому:

где Тсл – срок службы электроустановки, лет.

Прямое применение выражений для определения приведенных годовых затрат, себестоимости генерируемой электроэнергии и амортизационных отчислений заключается в том, что в составе ДЭС используется различное энергетическое оборудование не только с разным экономическим сроком службы, но и разными принципами его определения.

Для устранения данного противоречия срок службы каждого компонента проектируемой энергетической системы нужно привести к одной размерности, для чего используются масштабирующие коэффициенты.

Для большинства компонентов ДЭС: распределительные щиты, контрольно-измерительные приборы, коммутационная аппаратура и т.п. срок службы устанавливается предприятиями-изготовителями и в явном виде указывается в их технической спецификации. Как правило, для данного вида оборудования гарантированный срок службы Тсл составляет 20-25 лет.

Срок службы дизель-генераторных установок зависит от интенсивности их эксплуатации, или числа рабочих моточасов, а также от типоразмера и изготовителя. В технической спецификации на ДГУ предприятие-изготовитель определяет число моточасов до капитального ремонта Ткап.р. Для дизельгенераторов постоянного использования время до капитального ремонта в среднем равно 20000 моточасов. За время срока службы ДГУ ТслДГУ, как правило, производится 3-4 капитальных ремонта, после которых требуется полная замена установки. Соответственно, при выполнении технико-экономических расчетов для определения срока службы ДГУ необходимо использовать следующее выражение:

где Траб.ДГУ – расчетное число рабочих моточасов ДГУ в год, которое определяется по результатам планирования и анализа режимов ДЭС по суточным графикам нагрузок.

С учетом обозначенных выше положений общие капиталовложения в энергетическую систему за весь срок ее службы определяются по уравнению:

где Kуст – первоначальные капитальные вложения в ДГУ;

Kдоп – затраты на монтажные и пусконаладочные работы (при использовании ДГУ контейнерного типа составляют 15-20% от стоимости ДГУ); mДГУ – масштабирующий коэффициент выравнивания срока службы ДГУ, который определяется по уравнению:

При определении эксплуатационных расходов ДЭС необходимо учитывать, что затраты на обслуживание и плановый ремонт ДГУ прямо пропорциональны расчетному числу рабочих моточасов ДГУ в год Траб.ДГУ, и могут быть найдены по уравнению:

где Зчас – стоимость обслуживания одного часа (быть принята равной 80 руб/час).

3.1 Первый вариант ДЭС

Приведенные годовые затраты на 1 кВт установленной мощности:

Себестоимость 1 кВт∙ч генерируемой электроэнергии определяется из выражения:

Чистый денежный поток инвестиционного проекта (ЧДП) за год определяется по выражению:

 

3.3 Второй вариант ДЭС

Приведенные годовые затраты на 1 кВт установленной мощности:

Себестоимость 1 кВт∙ч генерируемой электроэнергии определяется из выражения:

Чистый денежный поток инвестиционного проекта (ЧДП) за год определяется по выражению:

Таким образом, для электроснабжения села был выбран второй вариант с ДГ мощностью 500 и 200 кВт. Так как основной целью построения системы электроснабжения, является не получение коммерческой выгоды, а обеспечение жизнедеятельности населения, проживающего в данных населенных пунктах стоимость электроэнергии выбрана таким образом, чтобы значение чистого денежного потока было равно нулю. Суммарные годовые затраты на СЭС составят 39318370 рублей.

4. Разработка структурной схемы и плана электроснабжения

Для разработки структурной схемы системы электроснабжения населенного пункта и определения ее основных параметров использованы данные географических информационных систем (ГИС), геопортал Республики Саха (Якутия) [7].

На основании данных по расположению основных объектов электроснабжения выбирается рациональное месторасположение ДЭС. ДЭС расположена вблизи реки и в центре электрических нагрузок для уменьшения электрических потерь.

Рисунок 11 – План электросетей села

На плане намечены место установки ДЭС (зеленый квадрат) и трассы прокладки линий питания (красные линии) к основным объектам электроснабжения данного населенного пункта (рис. 11). После определения расстояний, с учетом максимумов нагрузки и территориального размещения отдельных объектов электроснабжения производится разработка структурной схемы системы электроснабжения населенного пункта, приведенная на рисунке 12.

Рисунок 12 – Структурная схема системы электроснабжения

Структурная схема составлена таким образом, чтобы повысить надежность потребителей. Небольшое расстояние от промышленных предприятий позволит запитать их отдельно друг от друга.

Жилые дома и социальные объекты были разделены на четыре группы потребителей. Исходя из карты местности видно, что первая, вторая и третья группы содержат в себе примерно одинаковое количество домов, тогда как в четвертой группе потребители будет в разы меньше. Примем что первые три группы будут обеспечивать электроэнергией 24 дома, а четвертая – 12 домов. Также первые три группы будут обеспечивать три социальных объекта соответственно. Тогда расчетная максимальная коммунально-бытовая нагрузка сельских жилых домов рассчитывается из уравнения:

Суммарная групповая нагрузка равна: