13 Подбор оборудования для автономного энергоснабжения спорткомплекса

Разработаем проект системы автономного энергоснабжения (САЭ) на примере спорткомплекса СГАУ. За исходные данные для этого возьмём энергетическую характеристику объекта, показатели которой были рассчитаны в предыдущих главах.

Таблица 13.1 – Основные показатели потребления энергии спорткомплекса

Параметр	Значение
Максимальная тепловая нагрузка	0,924 МВт
Среднегодовая тепловая нагрузка	0,535 МВт
Среднегодовая электрическая мощность	68 кВт
Длительность отопительного периода	203 суток
Количество суток работы спорткомплекса в году	298 суток

В таблице 13.2 представлены потребители тепловой энергии.

Таблица 13.2 – Исходные данные для проектирования системы теплоснабжения спорткомплекса

Система	Максимальная (пиковая) мощность	Среднечасовая мощность, кВт
Отопление	272 кВт / 0,234 Гкал/ч	193,6 кВт / 0,167 Гкал/ч
Вентиляция	437 кВт / 0,376 Гкал/ч	166,3 кВт / 0,143 Гкал/ч
Горячее водоснабжение	215 кВт / 0,185 Гкал/ч	84,9 кВт / 0,073 Гкал/ч
Подогрев воды бассейна	90,7 кВт / 0,078 Гкал/ч	90,7 кВт / 0,078 Гкал/ч
Общее потребление	1014,7 кВт / 0,873	535,5 кВт / 0,461 Гкал/ч

Проектная мощность автономной системы должна обеспечивать максимальные (пиковые) нагрузки объекта. При этом для надёжного и бесперебойного обеспечения электрической и тепловой энергией объекта рекомендуется принять номинальную мощность установок на 10-20% больше требуемой. Поэтому примем для расчёта электрическую мощность автономной системы P_эл =70….80 кВт, тепловую мощность P_тепл = 1…1,2 МВт. Мощность установленной электрокотельной при расчёте потребления электричества не учитывается, так как она входит в потребление тепловой энергии.

При данных значениях требуемой мощности наиболее эффективным является применение газопоршневых установок с использованием когенерации [42]. Также интерес представляет технико-экономическая оценка возможности применения возобновляемых источников энергии как перспективного направления.

Таким образом, на основании полученных данных рассмотрим внедрение двух проектов автономного энергоснабжения спорткомплекса СГАУ:

1. на основе газопоршневой когенерационной установки;

2. с применением альтернативных источников энергии.

13.1 Разработка САЭ спорткомплекса на основе газопоршневой когенерационной установки и газовой котельной

Газовое топливо остаётся относительно дешёвым в России, кроме того по сравнению с остальными видами углеводородного топлива при сжигании газа выбрасывается несколько меньшее количество вредных веществ. Оптимальным выбором в рамках нашего проекта является установка газопоршневой установки для электрообеспечения спорткомплекса и газовых котельных.

Газопоршневая когенерационная установка (ГПУ) представляет собой поршневой двигатель внутреннего сгорания, коленчатый вал которого приводит в действие электрогенератор, расположенный на общей раме. В качестве топлива такие установки потребляют газ различного химического состава. При их работе вырабатывается как электрическая энергия от работы электрогенератора, так и тепловая энергия, получаемая за счёт утилизации уходящих газов и тепла от нагрева элементов двигателя. Основные показатели и преимущества таких установок рассмотрены в главе 1.3.1.

Блочно-модульная газовая котельная представляет собой набор блоков укомплектованных основным и вспомогательным оборудованием, установленным в заводских условиях. Размер блоков позволяет транспортировать их всеми видами транспорта. Предусматривается установка в котельных систем телеметрии, коммерческих узлов учета расхода газа, холодной и горячей воды, вырабатываемого тепла и электроэнергии. Для хранения запасов сжиженного газа котельную снабжают резервуарами-газгольдерами, а для котельных мощностью свыше 200 кВт — испарительными установками, поскольку испарительной мощности газгольдеров не хватает для обеспечения работы котельного оборудования.

13.1.1 Подбор оборудования для первого проекта САЭ спорткомплекса

Электроснабжение и (частично) теплоснабжение спорткомплекса СГАУ будет обеспечивать ГПУ Waukesha VSG11G электрической мощностью 75 кВт. Когенерационный электроагрегат VSG11G предназначен для использования в качестве основного или резервного источника переменного трехфазного тока напряжением 400 В, частотой 50 Гц и тепловой энергии при автономной и параллельной работе в составе энергетических модулей. Технические характеристики агрегата представлены в таблице 13.3.

Рисунок 13.1 – Когенерационная газопоршневая установка Waukesha VSG11G

Таблица 13.3 – Технические характеристики установки Waukesha VSG11G

Номинальная электрическая мощность	75 кВт
Номинальная тепловая мощность	106 кВт (0,091 Гкал/ч)
Род тока	Переменный трёхфазный, 400 В, 50 Гц
Расход газа при номинальной мощности	26 нм3/ч
Номинальная температура сетевой воды (вход/выход)	65/80
Производительность насоса сетевой воды	0,1 Мпа (10200 кг/м2)
Номинальный расход масла	0,3 г/кВт·ч
Масса сухого агрегата, не более	2450 кг
Стоимость (с утилизаторами)	3 200 000 рублей

При данной электрической мощности потребность спорткомплекса в электроэнергии с запасом в 10%, что повышает надёжность такой системы. С другой стороны, не происходит снижения режима работы ГПУ ниже 60% от номинального, что обеспечивает устойчивую работу агрегата. Вырабатываемую тепловую энергию представляется целесообразным подвести к системе подогрева воды в бассейна, так как мощности двух этих систем практически совпадают – 106 и 91 кВт соответственно.

Оставшаяся потребность в тепловой энергии составляет 445 кВт (среднечасовая) и 924 кВт (пиковая). Для обеспечения этой потребности была рассчитана установка трёх модульных котельных на газовом топливе по 350 кВт мощности каждая. Применение трёх установок меньшей мощности обеспечивает большую надёжность системы при выводе одной установки из строя, а также позволяет отключить одну из установок (в переходные периоды). Такой вариант позволяет сэкономить значительную часть средств на топливе и эксплуатационных затратах. Оставшиеся 2 установки при этом будут регулировать требуемую мощность за счёт автоматики.

Рисунок 13.2 – Блочно-модульные газовые котельные различной мощности

Подберём 3 котельных типа ТКУ-300 максимальной мощностью 350 кВт. ТКУ–300 комплектуются водогрейными котлами с атмосферной горелкой КЧМ отечественного или импортного производства. По заказу ТКУ-300 может комплектоваться, системой учета тепловой энергии, системой дистанционного управления и другим технологическим оборудованием. Технические характеристики установки котельной представлены в таблице 13.4.

Таблица 13.4 – Технические характеристики газовой котельной ТКУ-300

Тепловая мощность, кВт	300-350
КПД котлов в ТКУ–300 (БКУ–300), %	87
Напряжение электрической сети, В	380
Температурный режим теплоснабжения, °С	95–70
Рабочее давление воды, МПа, не более	0,3
Максимальный расход газа, нм3/ч	32,4
Потребляемая электрическая мощность, кВт/час	4,8
Давление газа на входе в котельную, кПа, не менее	1,3
Количество котлов	3
Стоимость	1 220 000 руб.

13.2 Нетрадиционные источники энергии

В качестве нетрадиционных источников энергии для выработки электроэнергии для первого проекта автономного энергоснабжения спорткомплекса СГАУ будут рассмотрены ветрогенератор, солнечные панели и тепловой насос. Теплоснабжение спорткомплекса осуществляется котельной на древесных пеллетах.

13.2.1 Установка ветрогенератора

Для покрытия основной потребности спорткомплекса в электроэнергии целесообразно установить 2 ветровых электрических генератора мощностью около 30 кВт каждый. Основным определяющим фактором их эффективности будет среднесуточная скорость ветра. На Нижнем Поволжье (в границы которого входит и Самара) средняя скорость ветра на высоте 10 метров оценивается в 5,5-6 м/с. В среднем ветрогенераторы необходимой мощности размещаются на мачте высотой 20-40 метров. На такой высоте средняя скорость ветра будет выше и может достигать 7-8 м/с, что уже обеспечивает вполне приемлемую работу ветряных генераторов вблизи области номинальной мощности.

Тем не менее, для надёжного обеспечения спорткомплекса электрической энергией необходимо установить ветрогенераторы с большим запасом мощности. Данное решение позволит покрыть большую часть электропотребления даже при слабом ветре. В соответствии с этим требованием подберём 3 ветрогенератора номинальной мощностью 30 кВт фирмы EC Industry. Высота мачты составляет 18 м, что позволит лопастям работать в зоне интенсивных ветровых потоков (7-8 м/с). Для проекта также подбирается оригинальная инверторная установка, преобразующая ток электрических генераторов. Технические характеристики ветроустановки приведены в таблице 13.5.

Таблица 13.5 – Технические характеристики ветрового электрогенератора EC Industry 30 kW

Диаметр крыльчатки, м	12,5
Количество лопастей	3
Материал лопасти	Стекловолокно
Длина лопасти, м	6,25
Занимаемая площадь, м2	122,66
Номинальное число оборотов, об/мин	100
Номинальная скорость ветра, м/с	12
Тип генератора	Трехфазный генератор с пост.магнитами
Номинальная мощность, Вт	30000
Максимальная мощность, Вт	35000
Выходное напряжение, В	380
Начальная скорость ветра, м/с	3,5
Рабочая скорость ветра, м/с	3-20
Максимальная скорость ветра, м/с	40
Высота мачты, м	18
Полная масса, кг	1130
Диаметр вала, мм	426
Тип мачты	Стальная труба с растяжками
Ценовые показатели
Цена ветрогенератора	1159200
Цена мачты	234000
Цена инвертора (380 В)	361000
Итого	1754200

Рисунок 13.3 – Кривая мощности ветрогенератора Everlight FD10K.

13.2.2 Использование солнечных панелей

Оставшуюся часть электрической мощности (около 10-15 кВт) планируется распределить на солнечные панели. Кроме того, в период безветрия солнечные модули должны выполнять запасного источника электроэнергии. Для проекта автономного энергоснабжения выберем фотоэлектрический модуль Моно-200 отечественного производства.

Параметры модуля, выбранного для данного проекта приведены в таблице.

Таблица 13.6 – Характеристики ФЭ модуля Mоно-200-24В

Параметр	Значение
Мощность, Вт	200 ± 4
Номинальное напряжение, В	24
Напряжение в точке максимальной мощности, В	37,7
Ток в точке максимальной мощности, А	5,3
Ток короткого замыкания, А	5,6
Вес, кг	15
Размеры, мм	1580×800×35мм
Экономические параметры
Минимальный срок службы, лет	20
Стоимость, руб	11900

Площадь одного модуля:

Большинство времени спорткомплекс эксплуатируется в холодный период года, когда погода преимущественно пасмурная и количество солнечной инсоляции невелико. Более того, в зимний период работу фотоэлектрических модулей затрудняют осадки в виде снега. Учитывая эти факторы, примем устанавливаемое количество модулей в 3 раза больше и равной N=150 шт., чтобы обеспечить номинальную мощность.

Рисунок 13.4 – Характеристика фотоэлемента Моно-200.

Определим площадь, занимаемую фотоэлектрическими панелями:

Учитывая, что площадь крыши спорткомплекса составляет 1432 м², монтаж такого числа панелей легко обеспечивается.

13.2.3 Котельные на топливных пеллетах

Покрытие потребности значительной тепловой мощности в зимний период за счёт альтернативных источников энергии возможно только при применении геотермальной энергии. Такой вариант не представляется возможным по причине отсутствия в радиусе доступности спорткомплекса геотермальных станций. Тем не менее, оптимальным вариантом является применение классической схемы котельной, с применением топливных пеллетов в качестве топлива.

Для проекта выберем 3 пеллетные котельные Termomeccanica CS400 максимальной мощностью 400 кВт, которые полностью обеспечивают потребность в тепловой энергии. Технические характеристики котельной приведены в таблице 13.7. Подключение установок и регулирование режима их работы выполняется аналогично газовым котельным в первом проекте системы автономного энергоснабжения (глава 13.1).

Рисунок 13.5 – Общий вид котельной на топливных пеллетах Termomeccanica CS400

Таблица 13.7 – Технические характеристики котельной Termomeccanica CS400

Номинальная мощность	400 кВт
Максимальный расход топлива	95,91 кг/час
Объём воды в котле	1250 л
Максимальное рабочее давление	3 бар
Мощность сетевого насоса	2,4
Вес пустого котла	2750 кг
Стоимость установки	1860000 руб.