И.Я. Редько, Л.В. Варигина – НПЦ малой энергетики
А.П. Ливинский – НП «ВТИ»

Общеизвестно, что более 70% территории Российской Федерации находится в зоне децентрализованного энергоснабжения, которое имеет свои особенности. Прежде всего, потребителями являются населенные пункты, рассредоточенные на обширных территориях, с широким диапазоном нагрузок – от десятков кВт до десятков МВт. Территория удаленных регионов характеризуется сложнейшими климатическими условиями (перепад температур от +40 °С до –65 °С). Основные энергоисточники – это дизельные электростанции (ДЭС), работающие на привозном топливе. Обеспечение поселков теплом и электроэнергией осуществляется, как правило, котельной и ДЭС, т.е. двумя различными объектами.
Исходя из климатических особенностей, наличия местных и возобновляемых источников энергии и специфики децентрализованного энергоснабжения, была разработана Концепция развития автономных систем энергоснабжения (АСЭС). Основными техническими требованиями к данным системам являются:
•    многофункциональность;
•    комбинирование состава источников энергии (гибридные энергоустановки);
•    типизация и унификация парка ДЭС, оборудования и комплектующих, топлива и моторных масел; унификация агрегатов, узлов и деталей в пределах завода и отрасли;
•    модульная компоновка;
•    согласованность характеристик энергетических модулей, в том числе ДВС, генератора и потребителя нагрузок;
•    многотопливность и топливная экономичность;
•    утилизация сбросного тепла;
•    возможность совместной работы ДЭС с возобновляемыми источниками энергии (ВИЭ), а также с энергосистемой;
•    демпфирование колебаний нагрузки со стороны потребителя на коленвал дизеля;
•    приспособленность к климатическим (зональным) условиям;
•    транспортабельность и ремонтопригодность; высокий уровень автоматизации и диспетчеризации.
Всем этим требованиям удовлетворяет созданный многофункциональный энерготехнологический комплекс модульного типа на базе гибридных энергоустановок (МЭК).

Состав типового МЭК

В самом общем виде МЭК представляет собой систему энергоснабжения, состоящую из отдельных модулей, конструктивно и функционально совместимых между собой. Комбинации согласуемых модулей позволяют в зависимости от конкретных условий получать различные по составу и мощности варианты МЭК. Основные модули могут быть подключены к энергосистеме или работать на изолированного потребителя, локальную сеть. Модульное исполнение и специальная система управления позволяют вводить МЭК в эксплуатацию поэтапно и гибко изменять схему работы.
В многофункциональных энерготехнологических комплексах можно использовать традиционные энергоносители с нетрадиционными и возобновляемыми энергоресурсами. Это позволяет компенсировать такие издержки при применении ВИЭ, как непостоянство во времени производимой на их основе энергии (ветровой, приливной, солнечной и др.), малая плотность потока используемой первичной энергии, а также значительные затраты на приобретение необходимого оборудования.
Тип используемых модулей определяется на основе оптимизации проекта в целом. При этом учитываются виды и запасы традиционных энергоносителей, а также энергетический потенциал и плотность возобновляемых источников энергии; характеристика потребителя энергии; климатические особенности.
В состав МЭК могут входить следующие модули:
•    модуль по производству моторных топлив (газогенератор, малогабаритная установка для получения из нефти или газового конденсата моторных топлив, аккумулятор энергии с водородным циклом и т.д.);
•    многотопливный ДВС (газодизель, газовый и водородный ДВС, многотопливная модификация дизеля и т. д.);
•    комплексная система утилизации тепла дизеля и модулей МЭК;
•    всережимный генератор;
•    статический преобразователь частоты;
•    системы аккумулирования вырабатываемой комплексом электрической и тепловой энергии;
•    система хранения водорода;
•    система автоматического управления МЭК.

Преимущества использования МЭК

Разработка основных модулей комплекса – всережимного генератора, преобразователя частоты и САУ – выполнялась совместно БЕ «Сервис» РАО ЕЭС, НПЦ малой энергетики, НП «ВТИ» и ВНИИЭ. Многофункциональный комплекс, выполненный на базе перечисленных модулей, имеет следующие преимущества:
•    экономия топлива: на 10…20% за счет оптимизации режимов работы ДЭС (в зависимости от нагрузки) и на 20…30% за счет использования ветроустановки;
•    короткие сроки окупаемости (3-5 лет, в зависимости от региона);
•    многотопливность (дизельное топливо, сырая нефть, газовый конденсат, природный газ, уголь, торф, отходы деревообработки, генераторный газ, водород и т. д.);
•    транспортабельность, обусловленная модульной компоновкой МЭК;
•    повышение коэффициента использования топлива с 0,40...0,45 до 0,80...0,85 за счет комплексной утилизации тепла отработавших газов ДВС;
•    согласованность характеристик энергетических модулей (повышение КПД двигателя на 10…20% на режиме частичных нагрузок);
•    возможность совместной работы при любом соотношении ДЭС и нетрадиционных источников энергии за счет применения всережимного генератора, преобразователя частоты и САУ;
•    высокий коэффициент загрузки двигателя внутреннего сгорания (-1).

Конструктивные особенности и характеристики МЭК

В июне 2008 года в Воркуте на ветроэлектростанции «Заполярная» были проведены испытания опытного образца МЭК. С целью обеспечения чистоты эксперимента при испытании были исключены: комплексная система утилизации тепла дизеля, модули по производству моторных топлив, система газификации и т.п. Исследования МЭК проводились в следующем составе оборудования:
•    дизельная электростанция мощностью 200 кВт;
•    ветроустановка мощностью 250 кВт;
•    статический преобразователь частоты;
•    всережимный генератор;
•    аккумулятор электрической энергии;
•    система для пуска ДЭС;
•    система управления.
Применение совместно разработанного оборудования – всережимного генератора, преобразователя частоты и САУ – в составе ДВС-электростанции продемонстрировало свои преимущества. Были сняты требования на соответствие частоты вращения двигателя синхронной частоте вращения генератора. Обеспечена параллельная работа станции с энергосистемой и нетрадиционными источниками энергии. За счет перехода двигателя на частичные скоростные характеристики при нагрузке потребителя, отличной от номинальной, обеспечена энергетическая эффективность и топливная экономичность станции. Ресурс двигателя был повышен за счет снижения его оборотов. Кроме того, обеспечивалась автономность энергетических модулей при работе их в составе АСЭС или МЭК.

Система управления МЭК

Комплекс управляется единой системой автоматического управления и регулирования. Поскольку МЭК предназначен для работы в удаленных районах, где отсутствуют квалифицированные специалисты, требования к степени автоматизации и надежности комплекса очень высокие. При эксплуатации МЭК обеспечивается возможность его обслуживания персоналом, не имеющим высокой квалификации.
АСУ ТП для каждого объекта разрабатывается на стадии разработки проекта энергоснабжения конкретного потребителя.
В состав системы управления МЭК входят САУ отдельных модулей (системы подготовки топлива; ДГУ; преобразователя частоты; системы аккумулирования энергии; ветроустановки), которые являются системами нижнего уровня, и АСУ ТП МЭК верхнего уровня.
САУ каждого отдельного модуля обеспечивает максимальную автоматизацию его работы без постоянного присутствия обслуживающего персонала и интерфейс с системой управления верхнего уровня. Все САУ находятся под управлением автоматизированной системы управления верхнего уровня, обеспечивающей координацию и синхронизацию работы отдельных модулей.
Если САУ являются унифицированными для каждого функционального модуля системами, то АСУ ТП МЭК, хотя и могут состоять из отдельных унифицированных программных и аппаратных средств, по структуре и характеристикам индивидуальны для каждого конкретного объекта. Это связано с тем, что МЭК для каждого потребителя содержит индивидуальный набор модулей. В связи с этим САУ разрабатываются одновременно с модулями и должны быть согласованы на стадии разработки с общей АСУ ТП МЭК по интерфейсам.

Использование ветроустановок в составе МЭК

Для большого числа вариантов размещения МЭК на территории России в состав комплекса могут быть включены ветроустановки (ВЭУ). Специфической особенностью ВЭУ является неравномерный график выработки энергии. Чтобы обеспечить качественное и надежное энергоснабжение потребителя, необходимо осуществлять резервирование на основе использования ДЭС и резервных источников питания (аккумулятор и др.). В настоящее время на рынке оборудования представлено два вида комплексов: с отключающимися ДЭС и параллельно работающие на общую нагрузку ветростанции и ДЭС.
В многофункциональном комплексе АСУ обеспечивает отключение дизельной станции, и ветроустановки становятся основным источником энергии, т.е. ДЭС могут полностью или частично останавливать свою работу при достаточной скорости ветра. Это достигается благодаря наличию стабилизирующего оборудования и всережимного генератора ДЭС, работающего в более широком диапазоне.
Практически все ветрогенераторы мощностью от 50 до 5000 кВт, предлагаемые в настоящее время на мировом рынке, относятся к так называемым сетевым ВЭУ. Это значит, что они могут работать только при наличии мощной внешней электрической сети, централизованной или локальной (например, создаваемой дизель-генератором). Это обусловлено тем, что ветровой поток никогда не бывает стабильным, его скорость меняется в течение минуты в широких пределах. Следовательно, ветрогенератору необходимо стабилизирующее звено, роль которого выполняет внешний источник электрической мощности, в данном случае – один или несколько дизель-генераторов (европейский опыт).
Параллельная работа ветростанции и ДЭС на общую нагрузку обеспечивает экономию дизельного топлива. В комплексе МЭК все ограничения по их совместной работе снимаются: он может работать не только с дизельной станцией, но и с другими ВИЭ, в зависимости от условий заказчика. Несмотря на то что комплекс более сложен по структуре и имеет более высокую стоимость, экономия топлива составляет до 40%.
Все оборудование поставляется в комплексе при поддержке производителей. Как и любое другое энергетическое оборудование, ВЭС, ДЭС и АСУ многофункционального комплекса требуют регулярного технического обслуживания. Обычно оно проводится два раза в год. В процессе обслуживания осуществляется сбор данных от процессора, осмотр и выполняется перечень регламентных работ в зависимости от срока эксплуатации оборудования.

Окупаемость инвестиций

В зависимости от региона размещения срок окупаемости комплекса может варьироваться в широких пределах. Однако для труднодоступных и удаленных регионов этот срок, как правило, не превышает 3-5 лет. Если предположить, что потребителю необходимо 200 тыс. литров дизельного топлива в год (при условии, что он снабжается только от дизельной электростанции), то в год он должен потратить около 5 млн рублей при стоимости дизельного топлива с учетом доставки 25 р./л, или около 140 тыс. евро.
В случае применения ветроустановки мощностью 100 кВт, которая даже если обеспечит экономию только 30% топлива, в год будет сэкономлено 42 тыс. евро. Поскольку стоимость дизельного топлива постоянно увеличивается, то в следующем году предполагается еще большая экономия. Если стоимость ветроустановки мощностью 100 кВт составляет 120 тыс. евро, то в первом приближении она окупится за три года (120000/42000).
Повышение экономичности комплекса достигается также за счет снижения расхода топлива на частичных нагрузках.
Проведенные испытания МЭК показали возможность его дальнейшего совершенствования и развития. Энергоснабжение изолированных потребителей с использованием комплекса может обеспечить надежный уровень энергоснабжения при соблюдении требований экологической безопасности.