Raport IBS-PW, ARTYKUŁY - ELEKTRYKA, ARTYKUŁY 5
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
P O L I T E C H N I K A W A R S Z A W S K A
W Y D Z I A Ł E L E K T R Y C Z N Y
INSTYTUT ELEKTROENERGETYKI
00-662 Warszawa, ul. Koszykowa 75
NIP: 525-000-58-34
Tel. 22/ 234-72-55 fax: 22/ 234-50-84
Konto bankowe:
PEKAO S.A. IV O/Warszawa
81124010531111000005005664
„OPRACOWANIE CHARAKTERYSTYK TECHNICZNO-
EKONOMICZNYCH WYBRANYCH ŹRÓDEŁ GENERACJI
ROZPROSZONEJ I ODBIORNIKÓW ENERGII
PRZYŁĄCZONYCH DO SIECI ELEKTROENERGETYCZNEJ
ŚREDNIEGO NAPIĘCIA ORAZ OPRACOWANIE
KONCEPCJI PROGRAMU KOMPUTEROWEGO
SYMULUJĄCEGO PRACĘ TAKIEJ SIECI”
Zamawiający
Wykonawca
Instytut Badań Systemowych PAN
Politechnika Warszawska – Instytut
ul. Newelska 6, Warszawa
Elektroenergetyki
ul. Koszykowa 75, Warszawa
Zespół autorski:
Dr hab. inż. Mirosław Parol
Dr inż. Dariusz Baczyński
Mgr inż. Sławomir Bielecki
Mgr inż. Jacek Wasilewski
Warszawa, 14 grudnia 2007 r.
1. Wstęp
Niniejsze sprawozdanie dotyczy prac badawczych wykonanych w ramach umowy o
dzieło nr 501 H 1041 0787 z dnia 23.08.2007 roku, zawartej pomiędzy Instytutem Badań
Systemowych PAN w Warszawie, ul. Newelska 6, a Politechniką Warszawską – Instytutem
Elektroenergetyki w Warszawie, ul. Koszykowa 75.
Sprawozdanie zawiera opis wykonanych prac, określonych w Załączniku nr 1 do
wspomnianej umowy, tj.:
- opracowanie charakterystyk techniczno-ekonomicznych oraz określenie możliwości
regulacyjnych źródeł generacji rozproszonej oraz odbiorów,
- określenie uwarunkowań technicznych dotyczących sieci SN oraz parametrów
jakościowych energii elektrycznej w aspekcie handlu i przesyłu energii elektrycznej,
- opracowanie struktury testowej sieci SN (15 kV) z przyłączonymi źródłami generacji
rozproszonej oraz odbiorami sterowalnymi i niesterowalnymi,
- opracowaniezałożeń i koncepcji funkcjonowania programu symulacyjnego, służącego
do analizy pracy sieci SN z przyłączonymi źródłami generacji rozproszonej oraz
odbiorami sterowalnymi, w warunkach rynku energii elektrycznej,
Niniejszy raport kończy się podsumowaniem wykonanych prac i zawiera wnioski
natury ogólnej. Wykonana prac może być podstawą dalszych prac badawczych związanych z
przyłączanie źródeł generacji rozproszonej do elektroenergetycznych sieci rozdzielczych.
2
2. Charakterystyki techniczno-ekonomiczne oraz możliwości regulacyjne źródeł
generacji rozproszonej i odbiorców energii elektrycznej
W dobie dzisiejszych przemian w sektorze energetycznym, korzyści jakie płyną z przyjęcia
struktury systemu elektroenergetycznego opartego na generacji rozproszonej (GR) wywołują
coraz większe zainteresowanie tym tematem, zarówno ze strony resortu gospodarki,
operatorów sieci przesyłowych i dystrybucyjnych, a także inwestorów działających na
konkurencyjnym rynku energii elektrycznej. Do stosowanych obecnie technologii GR można
zaliczyć: spalinowe silniki tłokowe, turbiny i mikroturbiny gazowe, elektrownie wiatrowe,
elektrownie wodne, ogniwa paliwowe i fotowoltaiczne. W pewnych przypadkach,
zastosowanie GR przynosi znaczące korzyści w postaci m. in. obniżenia kosztów przesyłu
mocy i energii, redukcji emisji zanieczyszczeń oraz zwiększenia niezawodności dostaw
energii do odbiorców.
Praca źródeł GR zlokalizowanych blisko odbiorców pozwala na zmniejszenie strat
mocy i energii, przez co inwestycje związane ze zwiększeniem zdolności przesyłowych
elementów systemu elektroenergetycznego (linii, transformatorów) mogą zostać rozłożone w
czasie. Należy jednak zaznaczyć, że przebieg inwestycji będzie ściśle zależał od rodzaju
planowanych źródeł (mocy, charakteru pracy, możliwości regulacyjnych, itd.).
W związku z rosnącą liczbą podmiotów inwestujących w źródła GR,
zainteresowanych sprzedażą energii, istnieje potrzeba określenia nowej formy
zdecentralizowanego rynku energii, na którym będą się tworzyć tzw. grupy bilansujące.
Wymaga to jednak gruntownych i głębokich zmian w obecnej formie rynku energii.
Zasadniczymi elementami warunkującymi tempo przyrostu mocy zainstalowanej
źródeł GR są kwestie opłacalności ekonomicznej w skali makro, regulacje prawne oraz
uwarunkowania techniczne określające możliwości przyłączenia ich do sieci
elektroenergetycznej.
Zastosowanie źródeł GR po stronie odbiorcy energii, czyli tworzenie tzw. mikrosieci
umożliwia skuteczne realizowanie programów sterowania popytem na moc i energię
elektryczną przez spółki dystrybucyjne, gdzie korzyści techniczne i finansowe mogą czerpać
obie strony, zarówno odbiorcy jak i dystrybutorzy.
3
2.1. Technologie źródeł generacji rozproszonej
2.1.1. Tłokowe silniki spalinowe
Zespoły prądotwórcze oparte na tłokowych silnikach spalinowych (TSS), zwanych
powszechnie agregatami prądotwórczymi, są niewątpliwie najbardziej rozpowszechnionymi
źródłami GR. W większości przypadków, TSS przeznaczone są do pracy jako źródła
podstawowe, gdy nie ma możliwości korzystania z sieci elektrycznej energetyki zawodowej
oraz jako źródła rezerwowe w przypadku przerwy w dostawie energii elektrycznej z SEE.
Drugi przypadek dotyczy przede wszystkim odbiorców wymagających wysokiej
niezawodności zasilania, tj. przedsiębiorstw użyteczności publicznej, zakładów
przemysłowych, szpitali, budynków biurowych, itd. Przewiduje się, że coraz częściej TSS
będą wykorzystywane jako jednostki szczytowe, a nawet podszczytowe, współpracujące z
SEE w celu wyrównywania dobowej krzywej obciążenia odbiorców. Jest to związane z
redukcją kosztów zakupu energii elektrycznej od spółki energetycznej.
W porównaniu z innymi źródłami GR, TSS charakteryzują się niskim nakładem
kosztów instalacji, wysoką sprawnością przy pełnym, a także niepełnym obciążeniu,
możliwością szybkiego rozruchu i obciążenia, wysoką temperaturą strumienia spalin
wylotowych, co jest wykorzystywane przy pracy w układzie skojarzonej generacji energii
elektrycznej i ciepła. Dodatkową zaletą jest szybki czas naprawy oraz jej niski koszt. Jako
wady TSS, można wymienić wysoki koszt paliwa oraz duże natężenie hałasu.
Współczesne TSS mogą być napędzane olejem napędowym, etyliną, gazem ziemnym,
gazem LPG oraz biogazem. Produkowane są najczęściej jednostki o mocach od kilku
kilowatów do 5 MW (jednostki modularne). Spotyka się też moce rzędu 10 MW. Do
głównych komponentów zespołu prądotwórczego należą:
- silnik spalinowy - wykonany jako dwu- lub czterosuwowa jednostka gaźnikowa lub
wysokoprężna, jedno- lub wielocylindrowa, w układzie pionowym rzędowym lub w
układzie "V",
- prądnica - w postaci samowzbudnego generatora synchronicznego z dwoma, czterema,
sześcioma lub ośmioma parami biegunów.
TSS są maszynami, w których energia cieplna zamieniona zostaje na energię
mechaniczną poprzez spalanie paliwa w cylindrach maszyny. Ze względu na technikę
zapłonu, TSS dzieli się na silniki z zapłonem iskrowym i silniki z zapłonem samoczynnym.
Najbardziej rozpowszechnionym rodzajem TSS są silniki z obiegiem Diesla. Spalanie
mieszanki paliwa i powietrza w cylindrach silnika odbywa się przy stałym ciśnieniu, a zapłon
4
mieszanki następuje w sposób samoczynny wskutek jej sprężania. Ogólna sprawność
spalinowych agregatów prądotwórczych zawiera się w granicach 35 ÷ 45%.
Produkowane zespoły prądotwórcze oparte na TSS wyposażone są w samoczynne
regulatory prędkości obrotowej wału oraz napięcia na zaciskach generatora.
Jako przykład, na rys. 1 przedstawiono zespół prądotwórczy z silnikiem
wysokoprężnym typu X3025K firmy SDMO o mocy znamionowej 2420 kVA. Podstawowe
parametry urządzenia to:
- strumień masy spalin: 9600 l/s,
- temperatura spalin na wylocie: 520
o
C,
- stopień sprężania: 15,5:1,
- zużycie oleju napędowego przy obciążeniu 2200 kW: 629 l/h.
Rys. 1. Widok przykładowego zespołu wytwórczego z silnikiem Diesla (zaczerpnięto z [1]).
Oprócz tradycyjnych silników tłokowych ze spalaniem wewnętrznym, rozwijana jest
technologia silników tłokowych ze spalaniem zewnętrznym, tzw. silników Stirlinga (SS).
Produkowane są one na moce od kilku watów do około 10 kW.
SS jest cieplno-napędową maszyną, w której nie zachodzi periodyczne spalanie
mieszanki powietrzno-paliwowej, natomiast w sposób ciągły doprowadzane jest ciepło z
zewnątrz do ogrzewanego czynnika roboczego, którym jest dowolny, sprężony gaz
(najczęściej jest nim powietrze). Czynnik roboczy przepływa między dwoma cylindrami z
tłokami i dzięki wytworzonej różnicy temperatur obu tłoków - zapewnia ich ruch.
Specyfika SS polega przede wszystkim na możliwości wykorzystania różnego rodzaju
paliw (stałych, ciekłych czy gazowych). Niewątpliwymi zaletami SS są małe gabaryty,
wysoka niezawodność, długi czas pracy oraz niski poziom hałasu. Jako wadę można
wymienić potrzebę intensywnego schładzania czynnika roboczego, co ma wpływ na
5
[ Pobierz całość w formacie PDF ]