Спосіб централізованого енергопостачання

1. Спосіб централізованого енергопостачання, що включає принаймні два незалежні джерела енергопостачання, які підключені паралельно щонайменше до одного загального елемента, з'єднаного із споживачем, який відрізняється тим, що підключення джерел енергопостачання до загального елемента здійснюють через відповідні комутуючі пристрої та включає принаймні одне децентралізоване джерело енергії потужністю Р, причому останнє використовують як регулятор рівня постачання енергії споживачу від централізованого джерела. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що як загальний елемент використовують колекторнорозподільчий пристрій. 3. Спосіб за п.1 або 2, який відрізняється тим, що часткову або повну зміну споживання енергії централізованого джерела здійснюють виробленою енергією децентралізованого джерела, рівень надання споживачеві енергії децентралізованого джерела та режим роботи цього джерела визначають за співвідношенням критеріїв керування роботою децентралізованого джерела енергії та диференційованою за часом вартістю енергії інших джерел чи щонайменше за одним показником надійності енергопостачання від інших джерел або часовим графіком роботи. 4. Спосіб за кожним із пп. 1 - 3, який відрізняється тим, що набір критеріїв керування, їх пріоритетність для децентралізованого джерела, побудованого з використанням когенераційної технології виробництва електричної і теплової енергії, змінюють відповідно до зміни пріоритетності споживання електричної чи теплової енергії. 2 (19) 1 3 Корисна модель відноситься до енергетики, зокрема, до розподільних мереж енергопостачання споживачів, схем координованого постачання енергії мереж від двома і більш джерелами будь-якого типу та регулювання постачання електричної та/або тепловою енергії між такими з'єднаними із використанням щонайменше від двох незалежних джерел енергії, одне з яких є децентралізованим і призначене для енергопостачання в основному зазначених споживачів. Основне навантаження джерел електричного чи теплотехнічного устаткування створює діяльність людини на виробничих і житловокомунальних підприємствах, установах різного призначення. Однією із сфер діяльності людини є трубопровідний транспорт, включаючи магістральні газопроводи, які у своєму складі мають компресорні станції (КС), компресори (нагнітачі) яких мають газотурбінний чи електричний привод загальною потужністю 4060МВт. Діючі газотурбінні приводи (ГТП) призначені для цілодобової роботи, в залежності від року їхнього виробництва, мають коефіцієнт корисної дії (ККД) на рівні (24-37)%. Наприклад, для забезпечення сумарної потужності всіх КС магістрального газопроводу 1000МВт, такі ГТП при середньому ККД 28% споживають газ з витратою 375,94тис.м3/год. Це відповідає річному споживанню газу 3,3млрд. м3. При ціні газу 150$/тис.м3 вартість виробленої 1кВт.рік механічної енергії складе не менше 0,056$/кВтрік. Отже, річні витрати на роботу КС із ГТП перевищать $494млн. Рішенням щодо підвищенню коефіцієнта корисної дії компресорів із газотурбінним приводом присвячено не один патент. Відомий патент US №2004/0265133 [МПК7 F04B41/06, F25B9/00], де пропонується спосіб оптимізації роботи комплексу ГТП на КС. Оптимізація полягає в регулюванні швидкості нагнітачів КС виходячи з її робочих характеристик та з врахуванням споживання палива. Подібне завдання вирішується також в патентах RU №2154195 [МПК7 F04D27/00], де пропонується використовувати послідовне включення КС з ГТП, які регулюють швидкість нагнітачів та ЕП, які впливають на продуктивність роботи через кількісний склад нагнітачів з ЕП, що включені в роботу; а також RU №2154196 [МПК7 F04D27/00], де пропонується використовувати КС з ГТП, які мають дві групи ГТП - з високим ККД при номінальному навантаженні та з високим ККД у всьому діапазоні регулювання. Відомий також спосіб, патент RU №2198342 [МПК7 F17DB1/07, F04D25/02], який пропонує замінити ГТП на привод від судових двигунів, конвертованих для роботи на природному газі. Однак спосіб не приводить до підвищення ККД, який залишається на тому ж рівні - 28%. До недоліків вказаних способів можна віднести те, що вони орієнтовані або на використання низько ефективного обладнання - ГТП, або на 27594 4 роботу з електричними приводами, що збільшує експлуатаційні витрати через споживання дорогої електроенергії. Запропоновані рішення мають обмежений результат, це обумовлено системними недоліками ГТП та вадами централізованого електропостачання. Відомі способи роботи компресорів з електричними приводами (ЕП) ККД останніх характеризуються на рівні 97%. При споживанні електроенергії за ціною (0,05-0,08)$/кВт. рік. вартість виробленої ними 1кВт. рік механічної енергії складає (0,052-0,083)$/кВт. рік. Тобто, річні витрати на роботу КС із ЕП перевищать $(460730)млн. Доцільність застосування компресорів з ЕП обумовлюється підвищенням ефективності використання енергоносіїв. У патентах UA №62140 [МПК7 E02F5/18, F01K23/00, E02F5/00, F01K23/00, E02F5/18, F01K23/00] і RU №2171420 [МПК7 F17D1/02, F17D1/07] із цією метою пропонується використання теплової енергії, що виділяється на КС після ГТП, для наступного виробництва електричної енергії. Недолік цього способу полягає в його консервативності, тому що він розрахований на застосування утилізаційної частини після діючого низько ефективного ГТП, що унеможливлює його використання при застосуванні більш ефективних ГТП, а тому такий спосіб прирікає КС на подальше використання низькоефективних ГТП. Відомо також зниження витрат на електроенергію шляхом зміни величини живильної напруги, її частоти і з відключенням/підключенням низькопріоритетних навантажень [патент UA №22096 (МПК5 H02J/24) та патент UA №22214 (МПК5 H02J3/24)]. Цей спосіб можна застосовувати в локальних мережах з відносно малою потужністю генераторів і не можна застосовуватися в масштабі єдиної енергетичної системи, тим більше, якщо вона взаємопов'язана з енергетичними системами інших держав, де величини живильної напруги, її частота мають бути стабільними. Доцільність застосування компресорів з ЕП, незважаючи на їхні локальні переваги, не приводить до кардинального поліпшення в роботі робота компресорів, що обумовлено в основному у залежності КС від електропостачання, а значить і неможливості забезпечити високий рівень надійності роботи ЕП, неможливість їх автономного живлення тобто роботи у незалежному, автономному режимі. Загально відомий також спосіб енергопостачання споживачів у єдиній енергетичній системі [див. Льїкин А.В., Электрические системы и сети. Учебное пособие. М., "Логос", 2006 та Вольдек А.И, Электрические машины. Учебник для студентов высш. техн. учебн. заведений. Изд. 2-е, перераб. и доп. Л., "Энергия", 1974], коли до/від її мереж підключають/відключають енергоблоки для паралельної роботи з іншими енергоблоками, навіть якщо вони знаходяться на значній відстані один від одного. Принциповою особливістю цього 5 способу є виконання енергоблоками загального завдання в масштабі єдиної енергетичної системи, що спрямовано на підтримку балансу між потужностями споживання і генерації за стабільної якості виробленої енергії. Підключення додаткових енергоблоків обумовлене потребою в додаткових потужностях чи заміною потужностей діючих енергоблоків для наступного виведення їх у резерв або на профілактичні роботи. Однак спосіб не передбачає, наприклад, живлення КС від окремого автономного джерела за принципом найбільшої економії коштів, тобто роботи КС у незалежному, автономному режимі. Відомі способи автономного електропостачання споживача, що містить два незалежних джерела електропостачання, наприклад, дизель і вітряну турбіною. Нідерландському патенті ЕР 0046530 А1 (STICHTING ENERGI ONDERZOEK CENTRUM NEDERLAND), кл. Н02J3/38, Н02Р9/42, F03D9/00, опубл. 03.03.1982р. До недоліків такої системи варто віднести: використання різних способів одержання стабільної частоти напруги у споживача, зайві витрати, ненадійність обумовлена системою дизель і вітротурбіна та схемою їх підключення. Найбільш близьким аналогом до корисної моделі за технічною сутністю і результатом, що досягається, є автономна система (спосіб) безперебійного електропостачання, що використовує поновлювальне джерело енергії [патент RU №2262790 (МПК7 H02J7/34, H02J/38, E03D9/00)]. Сутність корисної моделі полягає в тому, що, відповідно до даної корисної моделі, автономна система (спосіб) безперебійного електропостачання (Фіг.1) містить два джерела електропостачання, які підключені паралельно, щонайменше, до одного загального елементу (блока переключення (5)) до якого також підключений синхронний компенсатор (2). Блока переключення з'єднаний із споживачем (4). Як джерела електропостачання схема передбачає використовувати дизель-генератор (3) та вітротурбіну (1). Основне, згідно із патентом, незалежне джерело в системі автономного електропостачання є вітротурбіна роботу, якої забезпечує синхронний компенсатор з'єднаний із вітротурбіну через керуючий пристрій. Як друге резервне - незалежне джерела постачання використовується дизель-генератор. Вибір джерел, що вводяться в роботу, узгодження їхніх режимів, вибір принципів спільної роботи виробляється за критерієм мінімальної вартостівироблюваної електроенергії при безумовному забезпеченні необхідної надійності електропостачання споживачів. Однак, забезпечення надійності безперебійного електропостачання споживача передбачає складну схему взаємодії різних за призначенням приладів, що, у свою чергу, знижує надійність способу, зменшення використання енергоносіїв не поєднується із високим рівнем надійності енергопостачання та мінімізацію експлуатаційних витрат споживачів енергії. Таким 27594 6 чином запропонована оптимізація роботи джерел енергії не вирішує системних недоліків і вад централізованого електропостачання. В основу корисної моделі поставлена задача мінімізації системних недоліків і вад централізованого електропостачання шляхом розроблення способу енергопостачання споживачів, який об'єднав би в собі позитивні якості автономних та централізованих джерел, забезпечуючи підвищену ефективність використання енергоносіїв з високим рівнем надійності енергопостачання та незначними експлуатаційними витратами на споживання енергії. Для рішення поставленої задачі запропонований спосіб централізованого енергопостачання, що включає принаймні два незалежні джерела енергопостачання, які підключені паралельно, щонайменше, до одного загального елементу, з'єднаного із споживачем у якому, відповідно до корисної моделі, підключення джерел енергопостачання до загального елементу здійснюють через відповідні комутуючі пристрої та включає принаймні одне децентралізоване джерело енергії потужністю (Р), причому останнє використовують як регулятор рівня постачання енергії споживачу від централізованого джерела і, що як загальний елемент використовують колекторно-розподільчий пристрій, а також способом регулювання централізованого постачання енергії споживачу запропонованим винаходом, який часткову або повну зміну споживання енергії централізованого джерела здійснює виробленою енергією децентралізованого джерела, рівень надання споживачеві енергії децентралізованого джерела та режим роботи цього джерела визначають за співвідношенням критеріїв управління роботи децентралізованого джерела енергії та диференційованою за часом вартістю енергії інших джерел чи щонайменше, за одним показником надійності енергопостачання від інших джерел або часовим графіком роботи і також набором критеріїв управління, їх пріоритетність для децентралізованого джерела, побудованого з використанням способу за когенераційної технології виробництва електричної і теплової енергії, змінюють відповідно до зміни пріоритетності споживання електричної чи теплової енергії. Задача вирішується і запропонованим режим роботи децентралізованого джерела енергії та пріоритетним критерієм управління пов'язаним: - із диференційованою за часом вартістю енергії, яку поставляють від інших джерел, початок роботи децентралізованого джерела здійснюють з моменту перевищення диференційованої вартості енергії вартості виробленої децентралізованим джерелом енергії, а закінчення його роботи - з моменту вирівнювання і/або перевищення вартості виробленої ним енергії диференційованої вартості енергії, яку поставляють від інших джерел; - щонайменше, із одним показником надійності енергопостачання від інших джерел, початок роботи децентралізованого джерела здійснюють з 7 моменту виходу цих показників за межі припустимих значень, які, в свою чергу, змінюються або залишаються незмінними, а закінчення його роботи - з моменту входження цих показників у межі припустимих значень; - із часовим графіком роботи, початок і закінчення роботи децентралізованого джерела здійснюють відповідно до цього графіка; а також тим, що як джерело децентралізованої енергії споживачів, що забезпечує роботу газопроводів або нафтопроводів, використовують енергоносії цих продуктопроводів і також тим, що аварійному сигналу управління надають найвищий пріоритет з моменту його формування у випадку регулювання вироблення децентралізованим джерелом енергії. Порівняльний аналіз рішення, що заявляється, з найбільш близьким аналогом [патент RU №2262790] показує наявність у ньому. Суттєвих ознак, що відрізняють його від способу [патент RU №2262790], що дозволяє зробити висновок про відповідність технічного рішення, що заявляється, критерію "новизна". Пропонований спосіб централізованого енергопостачання передбачає підключення джерел енергопостачання до загального елементу через комутуючий пристрій і завдяки цьому створюються умови вибору джерела за критеріями, що у найбільшій мірі відповідаю інтересам споживача. Використання принаймні одного децентралізованого джерела енергії, як регулятора рівня постачання енергії централізованого джерела через загальний елемент (колекторно-розподільчий пристрій) схеми електропостачання мінімізує експлуатаційні витрати, дозволяє купувати споживачу більш дешеву енергію від альтернативного джерела, що в свою чергу забезпечує або значно підвищує необхідний рівень надійності енергопостачання. Вибір способу регулювання централізованого постачання енергії споживачу шляхом часткової або повної зміни джерела споживання за співвідношенням критеріїв управління, їх пріоритетність за часом, вартістю диференційованої за часом енергії, надійністю енергопостачання від інших джерел або часовим графіком роботи, початком роботи джерела з моментом перевищення диференційованою вартістю енергії та закінчення з моменту вирівнювання і/або перевищення вартості виробленої ним енергії, вперше дозволило ефективно, з точки зору економіки та надійності, вирішити системно енергопостачання споживачів і управляти цим процесом. Таким чином, сукупність суттєвих ознак способу, що заявляється, є необхідною і достатньою для досягнення забезпечуваного винаходом технічного результату - підвищити ефективність використання енергоносіїв до 43%, та забезпечити на системному рівні надійність енергопостачання і знизити вартість споживання енергії в 1,3-1,5 рази. Причому показники досягаються локально, без істотного впливу на режим роботи централізованих джерел, потужність 27594 8 яких значно вище потужності децентралізованого джерела. Корисну модель пояснює Фіг.2, на якій представлена схема взаємодії джерел енергії і споживачів. Вона включає децентралізоване джерело 1 та централізоване джерело 2, кожне з яких через свій регулюючий (комутуючий) пристрій 3 та регулюючий (комутуючий) пристрій 4 відповідно під'єднані до колекторно-розподільчого пристрою 5, до якого також підключені в загальному випадку N (троє) споживачів енергії 61, 62, 63. Технологія централізованого енергопостачання показані щодо роботи компресорів. Так, для КС потужність децентралізованого джерела складає від 40 до 60МВт. Особлива значимість запропонованого способу енергопостачання проявляється при існуванні зонових тарифів на електроенергію, яку споживачі купують у постачальних компаній. Як правило, до існуючого тарифу застосовують коефіцієнт, що залежить від часу доби. Для порівняння, у періоди пікових навантажень енергосистеми цей коефіцієнт дорівнює 1,8, у періоди напівпікових навантажень - 1,02, тоді як у нічний час - 0,25. Отже, якщо собівартість енергії, виробленої децентралізованим джерелом, буде вище вартості електроенергії в нічний час і дешевше в інші періоди, то покупка електроенергії в нічний час буде економічно ефективною. При цьому децентралізоване джерело може бути зупинене, що дозволить мінімізувати його експлуатаційні витрати. З іншого боку, у періоди пікових і напівпікових навантажень робота децентралізованого джерела, яке виробляє більш дешеву енергію, дозволить замістити дорогу енергію від постачальних компаній, що також дозволяє знизити витрати на енергопостачання. При цьому вибір децентралізованого джерела в якості основного джерела може ігнорувати різницю між тарифом і собівартістю виробленої енергії, якщо рівень надійності енергопостачання споживачів від енергосистеми виявиться нижче, наприклад, під час складних метеоумов, тобто критерій вибору джерела енергопостачання може мінятися в часі, навіть якщо це відбувається в поодиноких випадках, наприклад, один раз у кілька років. Відповідно, зміна пріоритетності критеріїв є об'єктивною необхідністю і її необхідно враховувати, навіть якщо один з них зберігає свій пріоритет як завгодно довго. Інший приклад зміни пріоритету критеріїв пов'язаний з роботою децентралізованих джерел, виконаних на основі когенераційних установок, що одночасно виробляють електричну і теплову енергію. В деяких випадках, наприклад влітку, виробництво електроенергії буде мати перевагу, тоді як зимою перевага буде віддана виробництву теплової енергії. Тому початок і закінчення роботи децентралізованого джерела буде визначатися потребою й ефективністю енергопостачання споживачів електричною чи тепловою енергією. Розрахунки виконані виходячи з того, що на КС постійно будуть працювати ЕП. Сучасні 9 децентралізовані джерела мають ККД рівним 43% при виробництві електричної енергії. Відповідно, для забезпечення загальної механічної потужності 1000МВт на магістральному газопроводі децентралізовані джерела будуть споживати газ з витратою 252,37тис.м3/год, що відповідає річному споживанню газу 2,21млрд.м3. При ціні газу 150$/тис.м3 вартість виробленої 1кВттод механічної енергії складе не менше 0,038$/кВттод. Отже, вартість енергії від децентралізованих джерел у 1,3-1,5 рази дешевша енергії, виробленої ГТП, і в 1,35-2,15 рази дешевша електроенергії від централізованих джерел. Однак, у нічний час вартість електроенергії від централізованих джерел складе (0,01270,0202)$/кВт.год. Очевидно, що при такій ціні у нічний час робота ЕП від централізованих джерел і зупинка устаткування децентралізованих джерел є економічно обґрунтованою. У підсумку загальний наробіток децентралізованих джерел за рік складе не 8760, а 6205 годин. При такому режимі роботи їхнє річне споживання газу складе 1,566млрд.м3. Завдяки впровадженню запропонованого винаходу споживання газу на КС знизиться більш ніж на 50%, або в даному випадку, на 1,727млрд.м3 за рік, що складає близько 10% від власного видобутку газу в Україні. При цьому річні витрати на роботу КС будуть на рівні (268,4-288,1)млн.$, тобто експлуатаційні витрати знизяться на (4055)% у порівнянні з експлуатацією ЕП від енергосистеми. Таким чином, завдяки наявності не менше двох незалежних джерел і можливості забезпечення енергопостачання від того з них, який у найбільшій мірі відповідає вимогам споживачів, можуть бути отримані не тільки нові технічні результати - підвищення надійності енергопостачання, скорочення споживання енергоносіїв, - але і досягнуті нові (економічні) результати зниження витрат на енергопостачання при забезпеченні вимог до основних технічних показників. Приклад виконання за корисною моделлю Приклад надано для взаємодії джерел енергії і споживачів (Фіг.2), коли пріоритетним критерієм визначений тариф на закупівлю електроенергії від централізованого джерела, пропонований спосіб енергопостачання передбачає наступні дії: 1. У нічний час, коли електроенергія, що закупляють, дешевша собівартості енергії, виробленої децентралізованим джерелом, її подають від централізованого джерела 2 через регулюючий (комутуючий) пристрій 4 і колекторнорозподільчий пристрій 5 до споживачів 61, 62,...6N. При цьому регулюючий (комутуючий) пристрій 3 децентралізованого джерела 1 відключає останній від колекторно-розподільчого пристрою 5. 2. По закінченні періоду дії нічних тарифів при відключеному регулюючому (комутуючому) пристрої 3 здійснюється запуск децентралізованого джерела 1. При виході його на режим і синхронізації з напругою централізованого джерела 2 на колекторно-розподільчому пристрої 5 регулюючий (комутуючий) пристрій 3 підключає до роботи децентралізоване джерело 1. Після цього регулюючий (комутуючий) пристрій 3, 27594 10 керуючи вихідними показниками децентралізованого джерела 1, забезпечує плавний ріст переважання енергії цього джерела на колекторно-розподільчому пристрої 5, що знижує споживання енергії від централізованого джерела 2 до нуля шляхом заміщення енергією від децентралізованого джерела 1. При цьому, як правило, регулюючий (комутуючий) пристрій 4 не відключає повністю централізоване джерело 2, а залишає його як резервне джерело, що в цілому підвищує надійність енергопостачання. Регулюючий (комутуючий) пристрій 4 відключає централізоване джерело 2 повністю тільки в тих аварійних випадках, коли його вихідні показники не відповідають заданим вимогам. Така схема роботи продовжується до настання періоду дії нічних тарифів. 3. З настанням періоду дії нічних тарифів регулюючий (комутуючий) пристрій 3, керуючи вихідними показниками децентралізованого джерела 1, плавно знижує переважання енергії цього джерела на колекторно-розподільчому пристрої 5, що збільшує споживання енергії від централізованого джерела 2. Після повного зниження вихідної потужності децентралізованого джерела 1 регулюючий (комутуючий) пристрій 3 відключає децентралізоване джерело 1 і дає команду на зупинку його устаткування. Далі електропостачання здійснюється відповідно до п.1. Для інших випадків пріоритетності критеріїв відмінність описаної схеми буде лише в періодах перебування системи в стані, який описано вище. Наприклад, якщо в силу складних метеоумов виникає ризик обриву повітряних ліній електропередач, децентралізоване джерело 1 буде введене в роботу як основне джерело незалежно від застосовуваного тарифу на електроенергію. При цьому доцільне відключення централізованого джерела 2 від колекторнорозподільчого пристрою 5 за допомогою регулюючого (комутуючого) пристрою 4. У деяких випадках, наприклад, коли (в залежності від технології споживачів) споживання електроенергії буде періодичним або епізодичним протягом доби, підключення і відключення децентралізованого джерела може підпорядковуватися критеріям, що змінюються протягом обраного відрізку часу. Наприклад, запуск децентралізованого джерела обумовлений початком роботи технологічного устаткування в денний час, а не закінченням нічного періоду, а зупинка децентралізованого джерела визначається закінченням роботи технологічного устаткування чи настанням періоду дії нічних тарифів. Стосовно до теплових мереж даний спосіб енергопостачання має відмінність в тому, що регулюючі (комутуючі) пристрої 3 i 4 взаємодіють спільно, зменшуючи приплив теплової енергії від одного джерела і збільшуючи приплив теплової енергії від іншого джерела. При цьому критерії вибору джерела теплової енергії будуть відрізнятися від описаних вище в зв'язку з тим, що на теплову енергію тарифи не змінюються у часі. 11 Тому децентралізоване джерело включають у роботу в тих випадках, коли собівартість виробленої теплової енергії нижче вартості, що купується, а також при невідповідності характеристик теплової енергії вимогам споживача, тобто як резервне джерело. Додатковим технічним результатом використання винаходу є стабілізація добової потужності споживання електроенергії від єдиної енергетичної системи, яка досягається завдяки тому, що в денний час у періоди пікових і напівпікових навантажень навантаження на енергосистему знижуються, тому що частина споживачів перейде на енергопостачання від децентралізованого джерела, тоді як у нічний час навантаження на енергосистему збільшується, тому що ці споживачі поступово в часі переводяться на енергопостачання від централізованих джерел. Таке вирівнювання навантаження енергосистеми дозволяє стабілізувати роботу генеруючих енергоблоків, що скорочує витрату енергоносіїв при змінах їхнього режиму роботи. Слід відзначити, що виробництво електроенергії в нічний час забезпечують, в основному, АЕС та енергоблоки ТЕС, що працюють на вугіллі. Отже, це дає змогу не тільки підвищити ефективність використання газу в денний час децентралізованими джерелами енергії, але й підвищити частку генерації електроенергії з енергетичного вугілля українських шахт. Отже, запропонований спосіб енергопостачання споживачів об'єднує в собі позитивні якості як автономних джерел (високу надійність і можливість управління з боку споживача), так і централізованих джерел енергопостачання (стабільність вихідних характеристик виробленої енергії), забезпечує підвищену ефективність використання енергоносіїв з високим рівнем надійності енергопостачання, мінімізує експлуатаційні витрати споживачів енергії. 27594 12