Энергоснабжение промышленных объектов: настоящее и будущее

Финансовые показатели работы крупных промышленных предприятий во многом зависят от организации систем электроснабжения. Главная задача комплексного энергообеспечения таких объектов состоит в необходимости обеспечения качественным и надежным электропитанием производственных мощностей, автоматизированных систем управления и контроля, видеонаблюдения, охранной и пожарной сигнализации в то время, когда оборудование работает в штатном режиме, а также в случае возникновения сбоев в работе системы основного энергоснабжения.

НАСТОЯЩЕЕ

В производственных процессах промышленных предприятий могут быть задействованы разные виды энергии – электрическая, тепловая, механическая и др. В зависимости от вида выпускаемых продуктов и технологических особенностей производства затраты предприятия на энергоресурсы и распределение энергии составляют от 5 до 60% себестоимости конечного продукта. Во всем мире эта статья расходов отличается устойчивой тенденцией к развитию.

Ритмичность и бесперебойность энергоснабжения оказывает непосредственное влияние на выполнение предприятием государственного плана. Кроме того, эффективность использования энергоресурсов самым непосредственным образом отражается на конкурентоспособности выпускаемой продукции.

В настоящее время выбор системы электроснабжения промышленного объекта, как правило, осуществляется на основе технико-экономического сравнения нескольких вариантов. Так, на этапе проектирования:

• разрабатываются системы энергоснабжения всех производственных цехов в соответствии с их рабочим графиком;
• предусматриваются все необходимые меры безопасности, соответствующие требованиям нормативных документов;
• учитываются возможные потери электроэнергии на этапах генерации и передачи;
• учитывается необходимость экономного расходования имеющихся мощностей;
• предусматривается возможность масштабирования сети и модернизации электрооборудования для увеличения объемов производства или расширения продуктовой линейки компании;
• учитываются категории приемников энергии в соответствии с ПУЭ 7. При этом электроприёмники и отделения цехов разной категории рассматриваются как объекты с разными условиями резервирования.

Энергоснабжение в соответствии с ПУЭ

Правила устройства электроустановок (ПУЭ) – это группа нормативно-технических документов, издававшихся отдельными главами. Сборники выпускались под названием «издания» и не являлись документами в области стандартизации.

ПУЭ разрабатываются с учетом требований государственных стандартов, строительных норм и правил, рекомендаций научно-технических советов по рассмотрению проектов глав. Правила 7-го издания из-за длительного срока обработки выпускаются и вводятся в действие отдельными разделами и главами по мере завершения работ по их пересмотру, согласованию и утверждению.

Требования документа обязательны для всех организаций независимо от форм собственности и организационно-правовых форм, а также для физлиц, занятых предпринимательской деятельностью без создания юридического лица.

В ПУЭ описаны принципы построения электроустройств, а также основные требования, предъявляемые к энергосистемам, электрическим узлам, элементам и коммуникациям.

Надежность электропитания промышленных объектов обеспечивается требуемой степенью резервирования. В отношении обеспечения надежного электроснабжения, согласно п. 1.2.17 главы 1.2 «Электроснабжение и электрические сети» ПУЭ 7, электроприемники делятся на три категории:

• Первая. В эту группу входят приемники энергии, которые, в случае перерыва подачи электричества, могут таить в себе опасность для жизни людей и представлять угрозу для безопасности государства. Кроме того, перебои в электроснабжении таких электроприемников могут причинить значительный материальный ущерб и привести к серьезным сбоям в сложных технологических процессах.

В составе приемников электроэнергии первой категории в особую группу выделены устройства, бесперебойная работа которых призвана обеспечивать безаварийную остановку производственного процесса для предотвращения угрозы жизни людей, техногенных катастроф и пожаров;

• Вторая. К этой категории относится технологическое оборудование, перерыв электроснабжения которого может стать причиной недоотпуска готовой продукции. Кроме того, это приводит к простою производственных мощностей, промышленного транспорта и рабочих.

Как правило, к этой категории относят электрооборудование, без которого невозможно продолжение работы основного производства на время послеаварийного режима;

• Третья. В эту группу входят электроприемники, которые не подпадают под определение оборудования, относящегося к первой и второй категориям.

В соответствии с правилами устройства электроустановок приемники электрической энергии первой и второй категории в нормальном режиме обеспечиваются двумя независимыми взаимно резервирующими источниками питания.

Резервирование необходимо для продолжения работы основного производственного оборудования в послеаварийном режиме. В случае нарушения электроснабжения от одного из источников перерыв в питании таких электроприемников допускается лишь на время автоматического восстановления подачи электроэнергии.

Для электроснабжения особой группы устройств первой категории должно быть предусмотрено дополнительное питание от третьего независимого взаимно резервирующего источника.

Функцию третьего источника электроэнергии для приемников особой группы (так же, как и второго независимого источника питания для остальных устройств, относящихся к первой категории) могут выполнять собственные источники генерации или электростанции энергосистемы (например, шины генераторного напряжения), аккумуляторы и генераторы бесперебойного питания.

Алгоритм снабжения электричеством электроприемников особой группы первой категории должен учитывать необходимость:

• обеспечения постоянной готовности третьего источника электроэнергии к пуску. Кроме того, должно быть предусмотрено его автоматическое включение в случае прекращения подачи питания от двух основных источников;
• перевода независимого источника электроэнергии в режим горячего резерва при отказе одного из двух основных источников генерации. В некоторых случаях допускается возможность ручного включения резервного генератора.

Технически грамотный подход к решению вопросов надежности требует различения аварийного и послеаварийного режимов работы. Система энергоснабжения должна быть построена таким образом, чтобы после всех необходимых переключений она могла обеспечивать полноценную работу основных производственных процессов предприятия.

Мощность независимых источников генерации для функционирования в послеаварийном режиме определяется по степени резервирования системы. При этом используются все дополнительные источники и возможности резервирования.

Питание электроприемников, относящихся к третьей категории, резервирования не требует.

По мнению специалистов, оптимальный вариант организации системы энергообеспечения промышленного объекта позволяет поддерживать необходимое качество электроэнергии и бесперебойное энергоснабжение в режиме нормальной работы и в послеаварийном режиме, а также обеспечивает надежность, удобство и безопасность техобслуживания, минимизирует затраты на проведение текущих и капитальных ремонтов.

Кроме того, такой вариант характеризуется минимальным уровнем потерь электроэнергии, экономичным расходом комплектующих и обязательно учитывает затраты на обслуживание энергетического хозяйства предприятия.

Надежность по ГОСТу

Система электроснабжения промышленного объекта состоит из нескольких звеньев:

• подстанции (питающие, распределительные, преобразовательные, трансформаторные);
• кабельные и воздушные линии для передачи и распределения электроэнергии;
• токопроводящие элементы, рассчитанные на высокое и низкое напряжение.

В системах электроснабжения некоторых крупных промышленных предприятий могут присутствовать электрические станции или другие установки генерации электричества. В зависимости от используемого вида первичной энергии они делятся на основные группы: тепловые, гидравлические, дизельные, солнечные, ветряные и комбинированные.

Если предприятие располагает собственными источниками генерации (например, ТЭЦ, котельные, компрессорные, насосные станции и др.), энергетики учитывают мощность потребителей электроэнергии, расположенных на соседних территориях, которые не имеют отношения к компании.

Учет мощности сторонних потребителей особенно актуален для удалённых районов, в недостаточной мере охваченных энергосистемами, а также для промышленных зон, где существует вероятность временного резкого увеличения нагрузки на электросети.

Электросетевая инфраструктура, наряду с производственными и коммуникационными объектами, является неотъемлемой частью цельного комплекса предприятия. Поэтому при проектировании и монтаже электрических сетей и подстанций учитываются строительный и технологический аспекты, а также генеральный план и очередность возведения других сооружений.

Надежная схема электропитания производственного предприятия должна обеспечивать необходимое количество энергии в соответствии с ГОСТ 32144-2013 «Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения».

Как известно, производственные мощности промышленных предприятий могут быть оснащены:

• электроприемниками с резкопеременными графиками нагрузок. К этой категории электрооборудования относятся, например, приводы прокатных станов и дуговые электропечи;
• однофазными электроприемниками. В качестве примеров такого оборудования можно привести системы освещения, электротермические и сварочные установки;
•  электрооборудованием, нарушающим синусоидальность токов и напряжений. Это могут быть дуговые электропечи и преобразователи всех типов.

Работа такого электрооборудования приводит к колебаниям напряжения, способствует нарушению симметрии токов и напряжений, может стать причиной высших гармонических составляющих токов и напряжений.

Снижение качества электроэнергии увеличивает потери электричества, уменьшает пропускную способность сетей, способствует сокращению срока службы оборудования и электрических машин.

По оценкам экспертов, повышению качества электроэнергии способствуют:

• применение повышенных напряжений в питающих и распределительных электросетях;
• приближение источников питания к приемникам энергии. В первую очередь это относится к оборудованию с резкопеременной нагрузкой;
• снижение реактивного сопротивления элементов схемы от источников электричества до электрооборудования с резкопеременной нагрузкой;
• включение на параллельную работу вторичных обмоток трансформаторов, обеспечивающих питание резкопеременной нагрузки;
• использование глубоких вводов напряжением 35 кВ и выше для обеспечения электроэнергией крупных дуговых электрических печей, главных электроприводов прокатных станов, мощных преобразовательных установок и т. д. Кроме того, энергоснабжение таких электроприемников может быть организовано методом прямого подключения к региональной энергосистеме или с помощью отдельных линий, проложенных от подстанций глубокого ввода (ПГВ) и главных понизительных подстанций (ГПВ);
• применение симметрирующих устройств, использование фильтров высших гармоник, установка быстродействующих синхронных компенсаторов с целью выравнивания графиков электрических нагрузок;
• сокращение числа ступеней трансформации за счет внедрения глубоких вводов, повышенных напряжений питающих и распределительных сетей, дальнейшего развития принципа разукрупнения подстанций;
• использование других методов, способствующих снижению негативного воздействия приемников электроэнергии на системы энергоснабжения и поддерживающих показатели качества электроэнергии в нормируемых ГОСТом пределах.

Даже кратковременное прекращение подачи электроэнергии может причинить непоправимый ущерб здоровью людей, экологии и производству. В некоторых случаях это может привести к полному останову технологического процесса, восстановление которого потребует значительных капиталовложений. Поэтому к организации электроснабжения промышленных объектов предъявляется ряд требований:

• Параметры силового электрооборудования (напряжение, мощность, пусковой ток, реактивная составляющая и др.) должны соответствовать параметрам сети во всех расчётных режимах работы установки. При выборе параметров и оборудования системы электроснабжения определяют расчетные электрические нагрузки в узлах схемы питания на шинах низкого и высокого напряжения. После этого по ним выбирают электрооборудование, аппаратуру управления и защиты;
• Электрооборудование должно быть изготовлено из материалов, стойких к негативному воздействию внешней среды, или быть надёжно защищено от такого влияния;
• Комплектующие узлы и материалы, применяемые в силовых электроустановках, должны соответствовать требованиям ГОСТов или нормативно-технических документов, которые регламентируют их изготовление;
• Элементы электроприемников (трансформаторы, электродвигатели, аппараты, кабельно-проводниковая продукция, шины и т. п.) должны быть подобраны таким образом, чтобы в режиме нормальной работы был исключен их нагрев выше допустимого значения. Нормируемые нагрузки не должны приводить к разрушению изоляции;
• Силовые установки должны соответствовать требованиям действующих норм и правил в части загрязнения ими окружающей среды, создаваемого шума, вибрации, генерируемых электрических полей, а также электро-, взрыво- и пожарной безопасности.

При эксплуатации систем электроснабжения необходимо обеспечивать меры безопасности, исключающие возможность поражения человека электрическим током.

Оперативное управление системами электроснабжения

На промышленных предприятиях, использующих собственные источники генерации или имеющих в своей схеме электроснабжения самостоятельные подразделения электрических сетей, как правило, организована система оперативного диспетчерского управления. Она обеспечивает выполнение ряда важных функций:

• разработка и внедрение оптимальных режимов работы;
• организация пусков и отключений;
• локализация места аварии и восстановление рабочего режима сети;
• выполнение требований, предъявляемых к качеству электрической энергии, и т. п.

Организационная структура, система оперативного управления и численность персонала оформляются документально.

Система оперативного диспетчерского управления отличается четкой иерархической структурой. При этом для каждого уровня устанавливаются две категории управления оборудованием и сооружениями:

• оперативное управление;
• оперативное ведение.

Под оперативным управлением старшего сотрудника функционируют энергообъекты (например, токопроводы, РЗиА и др.), операции с которыми нуждаются в координировании действий подчиненного персонала. Кроме того, такие операции требуют согласования изменений режимов на нескольких объектах. Все действия производятся под руководством старшего работника.

Оперативное ведение предполагает выполнение операций, не требующих координации действий персонала разных объектов. Операции осуществляются с разрешения старшего работника.

Все оборудование и устройства систем электропитания распределяются по иерархическим уровням оперативного управления, которое осуществляется с диспетчерского пункта, оснащенного современными средствами связи.

Кроме того, с этой целью может быть использован щит управления, на который наносится оперативная схема электрических соединений управляемых установок. В ней отображается каждое изменение рабочего режима, показываются места наложения и снятия заземлений.

Каждое переключение выполняется после согласования с вышестоящим оперативным персоналом, под управлением которого функционирует оборудование. Распоряжения передаются устно или в телефонном режиме с записью в оперативном журнале. Переключения выполняет сотрудник из числа оперативного персонала, который непосредственно обслуживает электроустановку.

Сложные переключения, требующие строгого соблюдения алгоритма, в котором четко прописана последовательность операций с коммутационным оборудованием и заземляющими ножами, как правило, выполняются двумя работниками по специальным бланкам и в соответствии с разработанными на предприятии программами действий.

Процесс переключения предполагает соблюдение следующей последовательности действий:

• сотрудник, получивший распоряжение выполнить переключение, обязан четко его повторить, записать операцию в оперативный журнал и отобразить все изменения на оперативной схеме. Также, если это необходимо, работник составляет бланк переключений;
• если в процессе переключения задействованы два сотрудника, тот из них, кто получил распоряжение о переключении, обязан объяснить порядок действий своему коллеге, также участвующему в операции;
• в случае возникновения сомнений в правильности переключений, все действия незамедлительно прекращаются. После этого последовательность переключений сверяется с оперативной схемой;
• После выполнения задания в оперативном журнале делается соответствующая запись.

Автоматизация управления электроснабжением промышленных объектов

Развитие технологий позволяет существенно упростить и ускорить многие привычные процессы. В настоящее время для управления системами промышленного электрообеспечения активно используются элементы автоматизации, которые позволяют упростить технологические процессы и работу предприятия в целом.

Автоматизация управления энергоснабжением производственных объектов подразумевает собой комплекс программных и аппаратных мероприятий и средств, позволяющих сократить количество персонала и улучшить работу систем.

На сегодняшний день с этой целью применяют следующие виды автоматики:

• Автоматическое повторное включение (АПВ). При коротких замыканиях (КЗ), возникающих в питающих линиях, с целью предотвращения повреждения электрооборудования и дальнейшего распространения аварии поврежденный участок сети отключается с помощью устройств релейной защиты, что приводит к перерыву электроснабжения.

Однако в ряде случаев КЗ оказывается неустойчивым, носит кратковременный характер и может быстро самоликвидироваться (например, при случайном соприкосновении проводов). В таких ситуациях повторное включение отключившейся линии может восстановить нормальную подачу электроэнергии к присоединенным электроприемникам и предотвратить перерыв в работе объекта (например, насосной или компрессорной станции).

Восстановление электроснабжения после отключения линии устройствами релейной защиты при КЗ осуществляется АПВ с выдержкой времени 0,2-0,5 сек. Если на протяжении этого промежутка времени КЗ ликвидировано – линия запускается в работу. В случаях, когда КЗ оказалось устойчивым, – линия повторно отключается релейной защитой.

На рынке представлены одно- и многократные устройства. Однако с увеличением кратности эффективность работы аппаратов существенно снижается. На практике чаще всего используются однократные трехфазные АПВ, когда включение выполняется один раз всеми тремя фазами.

Как правило, АПВ устанавливаются на воздушных и кабельных линиях. Ими оснащаются секции и системы шин, двигатели и одиночные трансформаторы. При этом в логике защиты устанавливается запрет на АПВ при работе газовой и дифференциальной защиты.

Различают два вида устройств автоматического повторного включения:

• Механические (применяются на ручных приводах). В аппаратах этого типа выключатель включается за счет энергии заведенной пружины или с использованием энергии падающего груза. После каждого срабатывания привода в действие вступает автоматический моторный редуктор, который заводит пружину. Одним из преимуществ механических устройств АПВ специалисты называют отсутствие аккумуляторов или компрессорных установок, необходимых при использовании выключателей с электромагнитными или пневматическими приводами;
• Электрические (устанавливаются на различных приводах с дистанционным управлением, которое осуществляется при помощи специальных реле). Принцип действия таких устройств основан на несоответствии положения масляного выключателя и ключа управления. Линия включается под напряжение масляным выключателем установкой ключа управления в положение «Вкл». При КЗ средства релейной защиты отключают линию. В этот момент масляный выключатель приходит в положение «Откл», а положение ключа остается неизменным. В результате этого устанавливается цепь питания обмотки реле повторного включения, реле срабатывает и через заданный промежуток времени подает импульс на контактор включения электромагнитного привода – масляный выключатель включается и этим самым осуществляет автоматическое повторное включение линии.

АПВ могут быть выполнены на:

• постоянном оперативном токе. Такие устройства используются для выключателей с электромагнитными и пневматическими приводами;
• на переменном оперативном токе. Устройства этого типа предназначены для выключателей с грузовыми и пружинными приводами.

К устройствам АПВ предъявляется ряд требований:

• аппарат не должен срабатывать в случае отключения выключателя оперативным персоналом ключом управления, дистанционно или по телеуправлению;
• должна быть предусмотрена блокировка от многократных включений выключателя на действующее КЗ и при неисправности в устройстве АПВ;
• устройство не должно реагировать на ситуацию в случае действия защит, включающихся при повреждениях, которые не сопровождаются самоликвидацией (к примеру, газовая защита на трансформаторах);
• после срабатывания устройства все его элементы должны возвращаться в исходное положение;
• наличие возможности отключения АПВ персоналом при помощи специального устройства.

В случае если перерыв в электроснабжении длится более 0,5 сек, приемники электроэнергии подключаются к резервным источникам питания. Аналогичный алгоритм действий используется при выходе из строя отдельных рабочих агрегатов – в работу включается резервное оборудование. С этой целью используют автоматическое включение резерва.

• Автоматическое включение резерва (АВР). Устройства применяются при наличии или проектировании второго (резервного) источника питания. Это может быть второй трансформатор, отдельный генератор, вторая секция шин или дополнительная резервная линия. Применение защитных механизмов этого типа позволяет упростить и удешевить схемы электроснабжения предприятий и создать достаточно гибкую надежную систему электроснабжения.

Использование АВР помогает решить несколько важных задач:

• электроприемник получает беспрерывное питание от резервного источника после отказа (или сбоя в работе) основного источника электроэнергии;
• благодаря равномерному распределению электричества предотвращается перегрузка оборудования;
• автоматическое включение резерва позволяет предотвратить выход из строя электрооборудования из-за действия грозовых разрядов;
• коммутационная аппаратура обеспечивает бесперебойное питание производственных линий на время проведения регламентных работ.

К схемам АВР предъявляются следующие требования:

• устройства автоматического ввода в действие резервного источника питания должны срабатывать максимально быстро после непредусмотренного прекращения электроснабжения от основной линии;
• устройство должно реагировать на любое пропадание напряжения без анализа причин возникшей неисправности (если не предусмотрена блокировка запуска от определенного вида защит);
• аппарат должен включаться после необходимой задержки при выполнении определенных технологических циклов. Например, в момент включения мощных электродвигателей возникает кратковременная просадка напряжения, которая быстро самоликвидируется;
• включение защитного механизма должно быть однократным. Многократное включение на неустраняемое КЗ может полностью разрушить сбалансированную систему;
• в схеме АВР должен быть предусмотрен контроль исправности цепи включения резервного оборудования и мониторинг технических параметров в автоматическом режиме.

По своему действию все системы АВР делятся на два типа:

• Односторонние. В такой системе один ввод выполняет функцию основного (рабочего), а второй является резервным. Резерв включается в работу только после отключения рабочего напряжения;
• Двусторонние. В такой системе существуют две раздельно запитанные секции с двумя рабочими линиями. При отключении одной из них вторая автоматически переходи в разряд резервной.

В зависимости от типа защитно-коммутационных приспособлений различают несколько видов систем:

• на тиристорах;
• на контакторах;
• с автоматическим выключателем;
• с выключателями нагрузки, оснащенными мотоприводами.

Команда на отключение основного и включение резервного источника питания подается специальным пусковым органом. Он фиксирует устойчивое исчезновение напряжения и отключает выключатели рабочей цепи, что приводит к немедленному действию АВР.

Как правило, функцию пускового органа в схемах АВР выполняет реле минимального напряжения. В некоторых случаях для этого используется реле времени с вращающимся якорем (в нормальном режиме реле постоянно находится под напряжением и якорь притянут).

Устройства АВР обеспечивают бесперебойную работу электрооборудования разной мощности, предотвращая сбои из-за скачков напряжения в сети. Кто-то может сказать, что надежное электроснабжение крупных промышленных потребителей можно обеспечить, подключив их объекты к двум разным линиям, передающим энергию от разных источников энергии. В таком случае, во время аварии на одной из воздушных линий эта цепочка разорвется, а вторая останется в рабочем состоянии и будет обеспечивать бесперебойную подачу электричества.

Эта схема электрообеспечения уже была реализована на практике, однако она не получила широкого распространения. Дело в том, что подключение к двум источникам генерации имеет ряд недостатков:

-   в случае возникновения КЗ на любой линии токи существенно возрастают за счёт подпитки энергией от двух генераторов;

- на питающих трансформаторных подстанциях увеличиваются потери мощности;

- схема управления системой энергоснабжения становится сложнее из-за использования алгоритмов, которые одновременно учитывают состояние потребителя и двух энергообъектов, а также по причине возникновения перетоков мощностей;

- возникают сложности с реализацией защит, взаимосвязанных алгоритмами на трех удаленных концах.

Поэтому электроснабжение производственных линий от одного основного источника и автоматическое переключение на резервный генератор энергии при пропадании напряжения признано более перспективным. Время перерыва в подаче электричества при этом способе может быть менее 1 сек.

 В отличие от устройств АПВ автоматика АВР показывает наибольшую эффективность при сбоях в питании, которая оценивается в 90-95%. По этой причине защитные механизмы АВР широко применяются в системах энергоснабжения промышленных предприятий.

• Автоматическое регулирование мощности конденсаторных установок (КУ). Экономичный режим работы системы электроснабжения производственного объекта может быть достигнут за счёт регулирования мощности КУ.

Регулировка по напряжению на шинах питающего центра выполняется, когда необходимо обеспечить минимальное отклонение напряжения от номинального значения. Из-за того, что регулирование мощности КУ осуществляется ступенями, аналогично выполняется и регулировка напряжения.

Автоматическое регулирование мощности КУ по току нагрузки выполняют на подстанциях с неравномерным суточным графиком нагрузки. Именно от него зависит число и мощность ступеней регулирования, а также последовательность их включения.

Широкое распространение получил способ автоматического регулирования мощности КУ по времени суток на подстанциях, питающих производственные линии с установленной технологией, определяющей достаточно равномерный график нагрузки в течение суток.

Автоматическое управление режимом КУ может быть двух типов:

• Одноступенчатое (при снижении реактивной нагрузки происходит автоматическое отключение всей КУ);
• Многоступенчатое (выполняется автоматическое включение или выключение отдельных КУ или секций, оснащенных собственным выключателем).

Устройства компенсации реактивной мощности (УКРМ) устанавливаются на производственных предприятиях различных отраслей промышленности, потребляющих большие объёмы электроэнергии.

Эти устройства активно используются на производствах, использующих асинхронные двигатели, электродуговые печи, мощное насосное оборудование, компрессоры и сварочные трансформаторы.

УКРМ позволяют увеличить коэффициент реактивной мощности в системах электроснабжения напряжением 6-10 кВ. Технические характеристики КУ дают возможность контролировать коэффициент мощности при пиковых нагрузках, что сводит к минимуму риски, связанные с перекомпенсацией.

В число основных функций УКРМ входят:

1. Снижение тока потребления на 30-50%.
2. Увеличение пропускной способности сети.
3. Обеспечение срабатывания аварийной сигнализации в момент срабатывания тех или иных устройств защиты.
4. Снижение отрицательного влияния высших гармонических искажений.
5. Сглаживание помех.
6. Увеличение срока эксплуатации распределительного оборудования.

Работа УКРМ не требует вмешательства оперативного персонала. Оптимальный баланс реактивной мощности создается автоматически, обеспечивая при этом уменьшение токовых нагрузок на устройства распределения с оптимизацией показателей напряжения в важнейших узлах электросистем.

Многоступенчатое автоматическое регулирование мощности КУ может быть выполнено с использованием автоматического регулятора конденсаторов типа АРКОН. Устройство предназначено для совместной работы с комплектными конденсаторными установками (ККУ) или отдельными конденсаторными батареями в сетях как напряжением 6 (10) кВ, так и напряжением до 1 000 В.

Разработчики регулятора предусмотрели возможность выбора регулировки по нескольким комбинированным параметрам:

• реактивный ток нагрузочного узла и напряжение сети;
• напряжение сети и ток КУ;
• напряжение сети.

АРКОН состоит из двух частей: командного блока и управляемого им программного блока, который используется для многоступенчатого регулирования КУ.

Программный блок состоит из набора идентичных приставок. Их количество зависит от числа подключаемых секций и логикой переключений. Каждая приставка управляет одним коммутирующим аппаратом КУ. Приставки могут совмещаться по три единицы в общем кожухе.

Командный блок с заданной выдержкой времени (13 мин.) направляет в программный блок команды включения или отключения.

Режим управления КУ возможен как автоматический, так и ручной. Выбор нужного режима осуществляется с помощью переключателя. Для ручного управления предусмотрены специальные кнопки. 

Программа многоступенчатого регулирования (включение и отключение) может быть выбрана по нормальному единичному коду 1:1:1 либо по нормальному двоичному коду 1:2:4. Максимальное число ступеней регулирования устройством АРКОН при коммутации по нормальному единичному коду составляет 15 приставок, а по нормальному двоичному коду – 4 приставки.

Основные технические характеристики устройства АРКОН:

• температура рабочей среды – от -40 °С до +40 °С;
• относительная влажность воздуха – до 80% при 20 °С;
• высота над уровнем моря – не выше 1 000 м;
• габаритные размеры командного блока – 210 х 325 х 290 мм;
• масса командного блока – не более 12 кг;
• габаритные размеры приставки – 180 х 230 х 135 мм;
• масса приставки – 2,5 кг.

АРКОН монтируется на щитах управления в неотапливаемых помещениях, в шкафах наружной установки и на панелях комплектных КУ.

• Автоматическая частотная разгрузка (АЧР). Для корректной работы системы энергоснабжения и электроприемников должны выдерживаться параметры частоты электрического тока.

Одним из элементов, обеспечивающих поддержание указанных характеристик в заданном режиме, является АЧР. По сути, это автоматический модуль, который устанавливается на распределительном узле с целью предотвращения снижения частоты тока при резких колебаниях мощностных параметров сети.

Аппарат удерживает параметры частоты в системе на установленном уровне. При снижении мощности тока автоматические устройства АЧР производственных предприятий, выполненные в три очереди, последовательно отключают часть потребителей электроэнергии, начиная с менее важных присоединений. При этом поддерживается работоспособное состояние электроприемников, отключение которых может спровоцировать аварийную ситуацию.

Телемеханика – инструмент централизованного контроля и управления

Централизованный мониторинг и управление работой объектов, расположенных на значительном расстоянии друг от друга и от центра управления, может осуществляться с помощью дистанционной передачи информационных или управляющих сигналов по линиям связи.

Процесс передачи может быть выполнен методом непосредственного соединения каждого объекта контроля (управления) с управляющим органом (ключом, кнопкой и др.) или с устройством воспроизведения информации (табло, лампа, цифровой индикатор и др.).

В случае использования этого метода коммуникации для передачи каждого сигнала необходимо наличие специальной проводной линии связи определенного сечения, которое возрастает по мере увеличения расстояния.

Практика показала, что использование дистанционного контроля (управления) экономически выгодно в двух случаях:

• при небольших расстояниях между объектами и центром управления;
• при небольшом количестве контролируемых (управляемых) объектов.

С увеличением расстояния передачи сигналов и с ростом количества контролируемых объектов особое значение приобретает возможность сокращения затрат на прокладку соединительных линий, а также сохранение высокого качества передаваемых сигналов и обеспечение быстрой передачи информации.

Эти задачи удалось успешно решить с использованием средств телемеханики, позволяющих экономно использовать линии связи и одновременно обеспечивать надежную и оперативную передачу результатов измерений, сигналов и приказов на любые расстояния.

Применение средств телемеханики предполагает предварительное преобразование информации в электрические величины, которые в дальнейшем передаются по электрическим каналам связи.

Коммутационное оборудование принимающей стороны осуществляет обратное преобразование сигнала. В результате выдается исходная информация, выполняется заданное действие или получается форма сообщения, удобная для ввода в управляющую машину.

Каждое телемеханическое устройство состоит из трех компонентов:

• пункт управления (ПУ);
• устройства контролируемых пунктов (КП);
• каналы связи, соединяющие КП.

Любое средство телемеханики рассчитано на определенное количество информационных и распорядительных сообщений.

Распорядительные сообщения делятся на несколько видов:

• телеуправление (ТУ) – передача дискретных сигналов, оказывающих непосредственное воздействие на исполнительные органы контролируемого объекта, оснащенного дискретными положениями (например, вкл./откл., открыто/закрыто и т.п.). Как правило, ТУ используется там, где необходимо периодически выполнять оперативные переключения, и в ситуациях, когда нужно осуществить переключение для локализации места возможной аварии на объекте;
• телерегулирование (ТР) подразумевает передачу дискретных или непрерывных сигналов, воздействующих на автоматические регуляторы или непосредственно на исполнительные механизмы регуляторов контролируемого процесса или объекта;
• телеавтоматическое управление (ТА) означает передачу сигналов ТУ или ТР без участия диспетчерского персонала;
• телекомандование (ТК) – передача сигналов с распоряжениями для дежурного оператора (диспетчера) контролируемого объекта. Реализация этих сигналов осуществляется включением сигнальным ламп, встроенных в световые табло. Каждая из ламп имеет соответствующую командную надпись.

В зависимости от взаимного расположения объектов с центральными пунктами управления для передачи сигналов между их телемеханическими системами используются как беспроводные, так и проводные средства связи, а также ВЧ-связь по высоковольтным ЛЭП.

Телемеханические системы построены так, чтобы обеспечивать точность, надежность и высокую скорость передачи данных и сигналов управления. Кроме того, важна возможность организации оперативной и максимально точной фиксации любых изменений контролируемых параметров сети и состояния электроприемников. Эти задачи успешно решаются благодаря максимальной автоматизации процесса.

По сути, телемеханика – это автоматизированная система управления технологическим процессом (АСУ ТП), состоящая из нескольких отдельных систем. В их число входят системы автоматического управления (САУ), средства диспетчерского и технического управления (СДТУ), приборы учета электрической энергии, программные продукты и др.

Автоматизированные системы управления электроснабжением

Тенденция к экономному использованию энергоресурсов, а соответственно, и экономии затрат на их использование, активно способствовала развитию автоматизированных систем управления энергетическим хозяйством предприятия.

• Автоматическая система управления энергоснабжением (АСУЭ) является подсистемой автоматизированной системы управления предприятием (АСУП), поэтому она должна быть оснащена необходимыми средствами передачи информации от диспетчерских пунктов питающей энергосистемы в установленном объеме.

В состав автоматизированной системы входят программные продукты, а также информационное, техническое, метрологическое и организационное обеспечение.

Система позволяет дежурному электрику с единого автоматизированного рабочего места (АРМ) или оператору центрального диспетчерского пункта (ЦДП) осуществлять контроль и анализировать параметры электроэнергии в различных точках электросети, а также контролировать состояние силового оборудования в дистанционном режиме.

Внедрение АСУЭ предполагает разработку целого комплекса программ и алгоритмов, которые с помощью вычислительной техники помогают решать широкий диапазон задач: начиная от проектирования и заканчивая выбором оптимального управления режимами.

Наряду с этими задачами возникла необходимость возложить на АСУЭ сбор и обработку данных, которые используются для составления энергетических балансов, расчета разных технико-экономических и плановых показателей с целью дальнейшего совершенствования управления энергетическим хозяйством производственных предприятий.

АСУЭ обеспечивают:

• централизованный контроль и управление работой системы с целью повышения оперативности управления и контроля за работой сетей и энергоприемников;
• рациональное распределение электричества между агрегатами;
• выбор оптимальной нагрузки;
• возможность сокращения дежурного персонала на отдельных объектах предприятия;
• возможность оперативной локализации аварийных участков и быстрое устранение последствий аварий;
• централизованный учет потребления энергоресурсов;
• учет выработки электроэнергии (при наличии собственной электростанции);
• расчет текущих и плановых технико-экономических показателей работы электрооборудования;
• оперативное планирование ремонтных работ.

Основной базой АСУЭ, или местом сосредоточения всей информации по системам, являются диспетчерские пункты отдельных энергохозяйств.

Как правило, автоматизированная система управления энергоснабжением создается в несколько этапов:

1. Разработка технического решения.
2. Проектирование.
3. Разработка программных продуктов для управления АСУЭ.
4. Создание программно-аппаратных комплексов.
5. Монтаж оборудования.
6. Пуско-наладочные работы.
7. Организация обучения персонала работе в новой системе.

АСУЭ повышают скорость управления, уровень мониторинга и дисциплины, поскольку существенно упрощают контроль над проведением работ. Однако наиболее важным последствием использования автоматизированных систем является увеличение производительности, снижение затрат и потерь в процессе производства.

• Автоматизированная система диспетчерского управления электроснабжением (АСДУЭ) – это территориально распределенная информационно-измерительная система, предназначенная для мониторинга и управления технологическими процессами и электрооборудованием на объектах электроснабжения промышленных предприятий.

Основными целями создания и внедрения АСДУЭ в энергосистему производственного предприятия являются:

• организация диспетчерского контроля за соблюдением диспетчерского графика и ходом технологического процесса электроснабжения в целом;
• обеспечение надежности и эффективности управления энергосистемой благодаря использованию микропроцессорных устройств;
• онлайн-мониторинг параметров работы сети и силового оборудования (значение токов, напряжений, мощностей, частоты и др.) в нормальном режиме и в случае возникновения аварий;
• регистрация переключений во внутренних сетях;
• дистанционное управление коммутационным оборудованием;
• повышение уровня автоматизации оперативного управления электрооборудованием за счет использования технических возможностей дистанционного управления, блокировки, составления оперативных документов;
• измерение качества электроэнергии и формирование протоколов;
• выравнивание графика нагрузки для обеспечения энергосбережения;
• снижение присутствия оперативного персонала в помещениях подстанций при осуществлении оперативных переключений;
• сокращение затрат на эксплуатационное обслуживание электрооборудования;
• снижение затрат на содержание персонала за счет внедрения «безлюдных» технологий автоматического управления;
• снижение потерь от повреждения электрооборудования благодаря предупреждению аварийных ситуаций
• в случае наличия собственной электростанции обеспечение режимного управления выработкой электроэнергии с оптимальной загрузкой генераторов по активной и реактивной мощности;
• технический учет электроэнергии;
• передача данных в АСУ предприятия и внешние информационные системы.

Функциональная структура АСДУЭ построена по принципу иерархической многоуровневой распределенной системы с человеко-машинным интерфейсом. Она работает в режиме реального времени. Оснащена средствами управления, сбора, обработки, анализа, отображения, регистрации, архивирования, хранения и передачи данных.

Нижний уровень системы задействован в сборе всего массива информации о технологических параметрах и состоянии электрооборудования предприятия. Здесь же происходит первичная обработка данных, которые после проверки достоверности ретранслируются на верхний технологический уровень.

На верхнем уровне АСДУЭ оперативная и ретроспективная информация визуализируется и обрабатывается. На этом же уровне организованы рабочие места удаленных пользователей.

В настоящее время под названием АСДУЭ специалисты стали подразумевать системы SCADA, которые уже давно активно используются за рубежом. Функционал этих программных пакетов позволяет собирать, обрабатывать, отображать и архивировать информацию об объекте контроля или управления в режиме реального времени.

В последние годы концепция построения системы SCADA обрела вполне законченный вид и характеризуется целым рядом особенностей.

Управляющая подсистема в момент взаимодействия с энергообъектами изменяет состояние различных коммутационных устройств, датчиков и т. д. Функция информационной подсистемы предполагает сбор данных о состоянии коммутационного оборудования, результатов измерений технологических параметров (напряжения, токов, мощности и др.).

Комплекс технических средств системы основан на централизованной структуре. Роль ядра выполняет оперативный центр диспетчерского управления, который служит для обработки поступающей информации, принятия управляющих решений и координирования работы всех элементов SCADA.

Нижний уровень системы представлен контроллерами, которые непосредственно взаимодействуют с датчиками и исполнительными устройствами.

В структуру программного обеспечения верхнего уровня входят:

5. пакет коммутационных программ, предназначенных для взаимодействия с элементами нижнего уровня и других систем;
5. система реального времени (СРВ);
5. база данных реального времени;
5. человеко-машинный интерфейс (НМI) и инструменты его редактирования.

Рынок SCADA плотно заполнен продуктами разных производителей. Пользователям важно выбрать оптимальный вариант и здесь вопрос цены продукта не является определяющим.

На первое место выходит необходимость снижения стоимости владения программным обеспечением. Ведь, поддавшись желанию стать обладателем бесплатного продукта кустарного производства, можно на практике получить решение с низкой надежностью и ограниченным функционалом.

К современным SCADA предъявляется ряд требований:

• надежность;
• безопасное функционирование в условиях промышленной среды;
• высокая скорость работы даже в случае создания масштабного проекта с большим числом элементов на мнемосхемах;
• возможность формирования всевозможных отчетов о текущем состоянии и рабочих параметрах системы, а также отдельных ее составляющих;
• наличие большого количества драйверов к аппаратам управления. Полная поддержка стандартов ОРС (DA, HDA, A&E);
• широкие возможности передачи данных по открытым протоколам (OPC, OLE DB/ODBC, XML и т. п.) на верхние уровни управления;
• использование развитых встроенных программных средств обработки и предоставления данных (например, объектно-ориентированного языка программирования третьего поколения Visual Basiс);
• наличие обширных возможностей для реализации графического и управляющего интерфейса;
• простота масштабирования;
• гибкая система лицензирования;
• простота освоения и удобство использования;
• качественная техническая документация;
• наличие технической поддержки;
• постоянное обновление продукта разработчиком, обеспечивающее поддержку новых версий ОС, и актуальных патчей для усиления защиты от кибератак.

Надежность электроснабжения определяется эффективностью диспетчерского управления, объемом и достоверностью получаемых параметров, достаточных для оценки оперативной ситуации и выработки управленческого решения.

НАСТОЯЩЕЕ И ШАГ В БУДУЩЕЕ

Собственная генерация

Чтобы сократить затраты на электроснабжение компании, как правило, реализуют комплекс мер для повышения энергоэффективности производства. В их число входят реконструкция оборудования, модернизация производственных процессов, различные организационные мероприятия, позволяющие более рационально использовать энергоресурсы.

В последние годы всё более популярным и востребованным становится новый инструмент повышения энергоэффективности промышленных предприятий. Речь идет о распределенной генерации.

Концепция подразумевает строительство собственных объектов и систем выработки энергии в малых или средних объемах поблизости от потребителя или на его территории, если подключение к системе централизованного энергоснабжения невозможно или обходится очень дорого.

Развитие нового направления в энергетике становится экономически целесообразным благодаря активному развитию «зеленых» технологий, обеспечивающих сопоставимые стоимостные показатели централизованной и распределенной генерации. Кроме того, концепция соответствует общему тренду на вовлечение в топливно-экономический баланс экологически чистых методов получения энергии.

Одним из основных преимуществ возведения на промышленном предприятии объекта собственной генерации эксперты называют экономию на потерях при передаче, которые неизбежны при крупномасштабной генерации и большой протяженности ЛЭП. Кроме того, в список аргументов «за» строительство корпоративной микрогенерации также вошли:

• снижение негативного воздействия на окружающую среду (в случае использования технологий на базе возобновляемых источников энергии и когенерации);
• возможность разрабатывать месторождения и развивать производство на территориях, не имеющих доступа к централизованному энергоснабжению;
• обеспечение долгосрочной предсказуемости расходов на энергоснабжение, что позволяет промышленным предприятиям составлять более качественный бизнес-план, в котором расписаны все шаги, предусмотрены будущие траты и обозначены возможные проблемы. Бизнес-план необходим для эффективного управления компанией;
• энергонезависимость, возможность в кратчайшие сроки обеспечить энергией новые промышленные объекты (в отличие от длительных процедур техприсоединения в централизованным электрическим сетям).

В настоящее время распределенная генерация востребована на предприятиях горнодобывающей отрасли, черной и цветной металлургии, химической и целлюлозно-бумажной промышленности и на круглосуточных производствах. Например, на стекольных заводах, где непредвиденная остановка технологического процесса может привести к серьезным последствиям.

Если рассматривать микрогенерацию с точки зрения успешности перехода на собственные источники энергии, то здесь не всё однозначно. Например, к недостаткам технологии специалисты относят высокую стоимость проекта и долгий срок возврата капиталовложений в покупку и монтаж оборудования.

Однако, если на другую чашу весов положить преимущества, то их ощутимо больше. Это и сокращение затрат на содержание энергетического хозяйства, и бесперебойное энергоснабжение, и снижение количества технологических нарушений. В сумме они значительно превосходят перечисленные недостатки.

Кроме того, развитие распределенной генерации оказывает положительное влияние на энергосистему России в целом. Во-первых, ввод в действие новых энергообъектов повышает ее надежность. Во-вторых, появляется возможность снизить выработку старых угольных электростанций, что сокращает выброс в атмосферу парниковых газов и улучшает экологическую ситуацию в стране.

В отличие от других государств, где основным стимулом развития микрогенерации является экологичность технологии, в России строительство собственных электростанций на территории производственных предприятий связано, в первую очередь, с завышенной стоимостью централизованного энергоснабжения в условиях действия системы перекрестного субсидирования. Кроме того, переход на собственную выработку мотивирует наличие нерыночных составляющих в цене 1 кВт, поставляемого сетевыми компаниями (договоры поставки мощности, межтерриториальное субсидирование).

Специалисты уверенно заявляют, что в будущем владельцы собственных электростанций смогут объединять свои энергообъекты и сетевую инфраструктуру в небольшие локальные энергосистемы, что позволит формировать самостоятельные системы энергоснабжения (микрогриды).

Оценивая степень внедрения микрогенерации в энергосистемы предприятий отечественной промышленности, эксперты отмечают, что на данный момент точное количество компаний, располагающих собственными объектами генерации, назвать сложно, поскольку не все стремятся афишировать такие проекты. С уверенностью можно сказать только одно: с каждым годом их количество только увеличивается.

Формированию корпоративного спроса на «зеленую» электроэнергию способствуют снижение стоимости фотовольтаических установок и возможность с их помощью экономить на тарифах на электричество. Лидирующие позиции по объему установленной мощности солнечных электростанций в России занимают компании нефтегазовой и горнодобывающей промышленности.

Активно развивает ВИЭ-генерацию как для покрытия собственных производственных нужд, так и для отпуска в сеть, нефтяная компания ЛУКОЙЛ. По состоянию на декабрь 2021 года суммарный объем установленной мощности солнечных и ветровых электростанций корпорации составлял 400 МВт. В перспективе ЛУКОЙЛ собирается увеличить этот показатель до 1 ГВт.

В течение 10 лет компания планирует выделить на развитие «зеленой» энергетики порядка 15 млрд долл., что на 30% больше, чем предусмотрено программой поддержки ВИЭ в РФ. Уже к 2030 году ЛУКОЙЛ намерен сократить выбросы парниковых газов на 20%, а к 2050 году – достичь полной углеродной нейтральности.

Собственными энергообъектами на базе ВИЭ располагают ПАО «Газпром», предприятия ПАО «Транснефть», АО «Сибурэнергоменеджмент», АО «Агропромышленный холдинг «АМ АМ», компания L‘Oreal и др.

В 2018 году горнорудная компания «Полиметалл», которая специализируется на добыче золота, серебра и меди, реализовала два пилотных проекта в сфере «зеленой» энергетики, которые позволили снизить использование дизельного топлива для выработки энергии.

Компания первой в России запустила систему солнечной генерации установленной мощностью 1 МВт для нужд фабрики. Кроме того, «Полиметалл» начал использовать энергию ветра. Новый ветрогенератор мощностью 100 кВт был введен в работу в Охотском районе Хабаровского края и интегрирован в систему энергоснабжения вахтового поселка Унчи, через который проходят грузы для золоторудного месторождения «Светлое».

Компания опубликовала Климатический отчет, в котором обозначила стратегическую цель по снижению выбросов парниковых газов на 30% к 2030 году. Для достижения цели разработана программа, состоящая из множества различных проектов. Один из таких проектов предусматривает строительство солнечных и ветровых электростанций на территории или вблизи производственных площадок.

В 2021 году в Северо-Эвенском районе Магаданской области построена первая промышленная СЭС мощностью 2,5 МВт. Масштабный «зеленый» проект реализован на производственном участке Омолонской золоторудной компании, входящей в структуру Группы «Полиметалл».

Для установки 5 тыс. фотоэлектрических модулей выделен земельный участок, площадь которого сопоставима с площадью 12 футбольных полей. Станция будет работать в круглогодичном режиме, обеспечивая снижение выработки действующего энергокомплекса, состоящего из трех дизельных генераторов. Новый энергообъект будет вырабатывать электроэнергию для подземки и производственных мощностей золотоизвлекательной фабрики.

БУДУЩЕЕ

ВИЭ завоевывают новые позиции
 

Надежность электроснабжения – это фактор, который помогает оптимизировать рабочие этапы технологических процессов с учетом задаваемых критериев динамики производства. В будущем эта задача не утратит своей актуальности.

Опасения по поводу ненадежности ВИЭ и микросетей остались в прошлом. Активное развитие «зеленых» технологий и курс мировой экономики на декарбонизацию способствовали тому, что в энергетику начали инвестировать компании, которые по основному виду своей деятельности далеки от этой отрасли.

Какие тренды будут задавать вектор развития энергетики в будущем?

Тренд № 1. Энергия биомассы. Политика, направленная на увеличение доли ВИЭ в энергобалансе и сохранение окружающей среды, способствует формированию долговременного тренда, обеспечивающего возрастающий спрос на все виды возобновляемой энергии.

В большинстве случаев первичная энергия не может быть использована потребителем непосредственно. Как правило, она нуждается в преобразовании или требует переработки во вторичную с помощью различных процессов и технологий.

Когда речь заходит об альтернативном сырье, одним из наиболее гибких вариантов эксперты называют вещества органического происхождения – торфяные брикеты, побочные продукты сельского хозяйства, отходы животноводства, пищевой и лесоперерабатывающей промышленности. Считается, что биомасса способна предоставить столько энергии, сколько вырабатывают все атомные электростанции России. 

Генераторы на органике в основном оборудованы паровыми турбинами, и работают по принципу паротурбинных теплоэлектростанций. Уровень их мощности может быть самым разным. От 4 до 100 кВт для использования, к примеру, в фермерском хозяйстве, и до 100 МВт-ных промышленных энергообъектов.

Установки на биомассе мощностью до 1 МВт могут работать на органических отходах. В случае со станциями большей мощности используются специальные энергетические плантации (леса), предназначенные для более широкомасштабного производства сырья.

Энергетический лес – это большие по площади равнинные или слабо всхолмленные земельные участки, на которых высаживаются быстрорастущие породы деревьев и кустарников (например, тополь и ива). Для обработки плантаций используются высокомеханизированные способы производства.

Земельные участки располагаются на расстоянии не более 50–60 км от тепловых станций, работающих на древесной щепе. Это необходимо для сокращения транспортных расходов на перевозку щепы. «Урожай», собранный с 1 га такой плантации, обеспечивает выработку 25 МВт*ч электроэнергии.

Устройство и эксплуатация электростанции, работающей на основе биомассы, аналогичны электростанции, использующей в качестве источника энергии уголь. Большинство из них представляют собой комбинированные теплоэнергетические установки, которые производят тепло для централизованного теплоснабжения и электричество. 

Несмотря на схожесть конструкции, электростанции на органике имеют ряд преимуществ. Более простой процесс газификации биомассы, по сравнению с углем, позволяет получать более дешёвую электроэнергию. Кроме того, это более экологически чистый вид топлива, поскольку в биомассе содержится гораздо меньше серы. 

Методика получения энергии из биомассы не нова. Однако и в эту сферу приходят новые биотехнологии. Например, выведено четвертое поколение бактерий, которое способно переработать в газ отходы птицеводческих ферм. Ранее такие отходы не подлежали утилизации.

В России случаи применения технологии по получению энергии и тепла при переработке органических веществ пока остаются единичными. В Белгородской области работают две биогазовые станции, получившие название сёл, рядом с которыми они расположены, – Лучки и Байцуры.

С помощью биогазовых установок можно получить не только биогаз, который в дальнейшем используется для генерации электрической и тепловой энергии, но и биоудобрения, которые положительно влияют на урожайность сельскохозяйственных культур.

Потенциал такого способа генерации в России колоссален. В нашей стране мусорные полигоны занимают порядка 40 тыс. км², что сопоставимо с площадью небольшого государства. Ежегодно на свалку отправляются миллионы тонн органических продуктов. Вместо того чтобы приносить пользу, они медленно разлагаются. При этом в окружающую среду выделяются опасные для здоровья людей соединения.

Биогазовые станции, перерабатывающие отходы органического происхождения в газ и удобрения, могли бы частично решить эту проблему и при этом обеспечить собственные производственные мощности дешевым электричеством.

Тренд № 2. Синергия технологий. На начальном этапе развития мирового рынка ВИЭ для промышленности особое внимание уделялось технологии интеграции солнечной и ветровой энергетики в системы энергоснабжения объектов.

В то время многие горнодобывающие компании опасались, что изменчивая энергия солнца и ветра может дестабилизировать электроснабжение и даже привести к простоям оборудования, что станет причиной производственных потерь.

Однако примеры успешно реализованных проектов микросетей показали, что ВИЭ как самостоятельно, так и в сочетании с традиционными источниками энергии (дизельное топливо, мазут или газ) могут гарантировать надежное энергоснабжение удаленных производств.

По оценкам экспертов, в России основным принципом внедрения инноваций станет синергия. При этом в стране и дальше будут развиваться все виды генерации и полного отказа от традиционных технологий в пользу «зеленых» пока не произойдет, альтернативные источники энергии не смогут полностью вытеснить традиционную генерацию. Особенно в отраслях промышленности, потребляющих большое количество электричества. Например, в металлургии и машиностроении.

Производственные компании будут тщательно изучать ситуацию, чтобы определить, какой вид энергии на том или ином этапе жизненного цикла им выгоднее. В каких-то процессах будет задействован газ, под действием определенных условий предприятиям придется использовать дизельное топливо. Кроме этого, будет рассматриваться возможность перехода на генерацию из энергии солнца и ветра.

В условиях взаимосвязанной генерации бизнес будет остро нуждаться в технологиях интеграции ВИЭ с другими типами выработки электроэнергии, аналитике данных, машинном обучении, искусственном интеллекте и программных продуктах, которые помогут эффективно управлять новой многогранной сетью и использовать «зеленую» энергетику в промышленных объемах.

Мини-АЭС. Малый источник, большие перспективы

В настоящее время энергоснабжение удаленных, изолированных районов России, большинство из которых расположено на Крайнем Севере, осуществляется с помощью генераторов, работающих на мазуте или угле. Запасы топлива энергетики вынуждены постоянно пополнять.

С учетом особенностей логистики доставка топлива, как и генерация энергии в условиях сурового климата, обходится недешево. Тарифы для населения регулирует государство. Но реальные экономические потери действительно впечатляют.

Кроме того, на промышленных потребителей в других регионах ложится дополнительная финансовая нагрузка в виде перекрестного субсидирования. Они вынуждены оплачивать пониженные тарифы для оптовых потребителей неценовых зон (где нет конкурентного рынка электроэнергии).

В декабре 2020 года Госпкорпорация «Росатом» и Правительство Республики Саха (Якутия) подписали соглашение о закреплении принципов тарифообразования на электричество в рамках проекта строительства атомной станции малой мощности (АСММ).

Мини-АЭС мощностью не менее 55 МВт будет построена в поселке Усть-Куйга Усть-Янского улуса к 2028 году. Строительные работы на месте будущей электростанции развернутся в 2024 году. При строительстве АСММ будет создано около 800 новых рабочих мест.

Станция еще находится в стадии разработки, однако подготовка будущих высококвалифицированных специалистов, которые будут на ней работать, ведется уже сейчас. Например, реализуется программа целевого обучения студентов из Якутии по программам специалитета в Национальном исследовательском ядерном университете МИФИ (Московский инженерно-физический институт) и Нижегородском государственном техническом университете им. Р.Е. Алексеева (программы магистратуры).

Новый энергообъект будет создан на базе реакторной установки РИТМ-200, спроектированной с учетом успешного опыта эксплуатации малых реакторов на судах российского атомного ледокольного флота. В октябре 2020 года флагманский ледокол «Арктика», с аналогичными атомными установками на борту, был зачислен в состав атомного флота РФ.

По оценкам экспертов, ввод в эксплуатацию наземной АСММ нового поколения даст качественный толчок развитию арктических районов Республики Саха, повысит уровень жизни населения и станет мощным стимулом для развития промышленности в регионе.

Выработка станции обеспечит надежное электроснабжение экологически чистой энергией объектов крупнейшего в России золоторудного месторождения Кючус, расположенного в Усть-Янском и Верхоянском районах Якутии. Балансовые запасы месторождения площадью 3,35 км² составляют более 175 тонн золота.

8 октября 2021 года стало известно, что ООО «Белое золото» (совместное предприятие Госкорпорации «Ростех» и полиметаллического холдинга «Селигдар») выиграло аукцион и получило право на проведение геологического изучения, разведки и добычи золота, серебра и попутных компонентов, в том числе на использование отходов добычи полезных ископаемых на участке недр федерального значения, включающего месторождение Кучюс.

По условиям аукциона ООО «Белое золото» должно использовать электроэнергию атомной генерации в объеме не менее 35 МВт, которую будет поставлять якутская мини-АЭС. К выполнению взятого на себя обязательства компания должна приступить не позднее 30 июня 2028 года.

Это не только позволит осваивать месторождение, но и обеспечит энергией ближайшие территории. Кроме того, не исключено, что в перспективе на базе новой АЭС будет налажено производство чистого водорода для нужд производственных предприятий и транспортных компаний.

 Неоспоримым преимуществом атомной электростанции малой мощности можно назвать отсутствие необходимости в поставках угля и мазута, подвоз которых неизменно сталкивается с серьезными сложностями и требует немалых финансовых затрат.

Благодаря этому стоимость генерации мини-АЭС в труднодоступных районах республики будет ниже цены 1 кВт, выработанного мазутными станциями. Ожидается, что выработка электростанции позволит практически вдвое снизить стоимость электричества в Усть-Янском районе.

По оценкам специалистов, замещение выработки морально устаревших дизельных генераторов и угольных электростанций электроэнергией малой АЭС даст возможность сократить выбросы углекислого газа в атмосферу на 10 тыс. тонн в год.

Проектируемая наземная АСММ отличается компактными размерами. Энергообъект будет построен по модульному принципу.

Проект отвечает высоким стандартам безопасности. В перспективе его планируют сделать типовым. Это значительно удешевит и ускорит процесс строительства атомных электростанций малой мощности, а также снизит себестоимость генерации.

Реализация аналогичных проектов может стать надежным и чистым источником тепловой и электрической энергии как для недропользователей, так и для жителей отдаленных территорий с изолированными энергосистемами.

Накопительная сила энергии

В настоящее время для обеспечения бесперебойного питания на территориях, не имеющих подключения к центральному электроснабжению, строятся гибридные солнечно-дизельные электростанции с накопителями энергии. Кроме того, использование аккумуляторов позволяет компенсировать неравномерность выработки ВИЭ и сохранить избыток электроэнергии для ее использования в любое удобное время.

По оценкам аналитиков из исследовательской компании Navigant Research, к 2025 году мировой рынок накопителей электроэнергии, которые будут использоваться для нужд энергетического сектора, превысит отметку в 18 млрд долл., а рынок систем аккумулирования, установленных на коммерческих и производственных объектах, достигнет 10,8 млрд долл.

Согласно данным, приведенным в совместном аналитическом докладе РОСНАНО и Центра стратегических разработок, российский сегмент рынка систем накопления электрической энергии (СНЭЭ) к 2025 году может увеличиться до 3 млрд долл. Из них около 50% будет приходиться на энергетическую отрасль.

Эксперты уверенно заявляют о том, что дальнейшее развитие технологий накопления энергии может изменить ландшафт электроэнергетики до неузнаваемости. И речь здесь идет не только о проектах местного уровня, которые решают проблемы энергообеспечения отдаленных и изолированных территорий. Это открывает широкие перспективы перед всеми участниками энергетического рынка.

         В результате развитие систем аккумулирования энергии:

• позволит сократить объемы использования углеводородного топлива;
• задаст новый импульс развития возобновляемых источников энергии;
• будет способствовать повышению надежности электроснабжения;
• даст возможность минимизировать затраты на развитие и обслуживание сетевой инфраструктуры;
• создаст предпосылки для снижения стоимости электроэнергии для потребителей.

Технологии аккумулирования энергии в России уже используются и активно развиваются. Накопитель энергии мощностью 8 МВт*ч, созданный специалистами новосибирской технологической инжиниринговой компании «Системы накопления энергии» (СНЭ) в сотрудничестве с учеными Института силовой электроники НГТУ НЭТИ, уже установлен на Бурзянской СЭС.

Солнечная электростанция мощностью 10 МВт построена в Бурзянском районе Республики Башкортостан. Объект солнечной генерации состоит из 35,1 тыс. фотоэлектрических преобразователей.

СЭС оснащена встроенной системой накопления энергии, которая позволяет обеспечивать 80%-ное резервирование мощности станции. СНЭЭ является рекордной для России, а Бурзянская СЭС – это единственная в РФ солнечная станция, которая при необходимости может работать в автономном режиме и обеспечивать электричеством жизненно важные объекты.

В июле 2021 года завершился первый этап натурных испытаний промышленного накопителя. В ходе исследования были изучены допустимые режимы работы оборудования, возможности его участия в регулировании работы СЭС и в противоаварийном управлении. В частности, было протестировано участие накопителей в регулировании активной мощности и напряжения на энергообъекте.

В дальнейшем это позволит обеспечивать высокое качество поставляемой энергии, даст возможность снизить ее потери, увеличить срок службы приборов и экономичность работы энергосистемы.

Опыт, полученный в ходе исследования СНЭЭ Бурзянской СЭС, будет учтен при формировании технических и функциональных требований к системам накопления электроэнергии в составе ЕЭС России, а также при создании методики проведения испытаний этого оборудования.

Энергоснабжение изолированных территорий с использованием ВИЭ – это далеко не единственный вариант применения промышленных накопителей. Такое оборудование может быть установлено в энергетических системах, которые отличаются резкопеременным графиком нагрузки. Именно такие используются при разработке нефтегазовых месторождений.

Технология бурения скважин требует применения источника энергии большей мощности, чем обычный режим эксплуатации месторождения. По этой причине на подобных объектах держат «горячий резерв». С новым накопителем в этом не будет необходимости, поскольку энергия резервного генератора для выполнения поставленной задачи больше не потребуется.

Разработками в сфере СНЭЭ занимается ещё одна российская компания – «Энергозапас» – резидент технопарка «Сколково», стартап наноцентра «СИГМА Новосибирск. «Энергозапас» изобрел, создал и развивает технологию твердотельных аккумулирующих электростанций (ТАЭС).

Гравитационный накопитель энергии промышленного масштаба предназначен для устранения дисбаланса между спросом и потреблением электроэнергии в крупных энергосистемах, в том числе на основе ВИЭ.

Идея накопления энергии с помощью твердых грузов возникла около 10 лет назад. Принцип работы твердотельного аккумулятора основан на потреблении электричества в ночное время суток, когда оно в избытке, а стоимость 1 кВт минимальная. В эти часы установка поднимает груз на высоту нескольких сотен метров, а днем генерирует энергию с использованием груза, опускающегося под действием силы тяжести.

ТАЭС, в отличие от гидроаккумулирующих станций, не нуждается в источнике воды, ей не нужен перепад высот. Систему можно разместить на любой ровной площадке. В 2021 году была завершена разработка строительных манипуляторов для автоматизированного возведения ТАЭС.

Оборудование аккумулирующих станций не несет в себе угрозы для окружающей среды, устойчиво к ветровым и сейсмическим нагрузкам. По оценкам специалистов, КПД цикла превышает 80%. Срок службы ТАЭС составляет 50 лет.

Технология твердотельных аккумулирующих электростанций признана перспективной. На 2023 год запланировано создание опытно-промышленного образца. Ожидается, что уже к 2025 году на долю ТАЭС будет приходиться 10% мирового рынка накопительных систем.

Дальнейшее развитие технологии накопления электрической энергии стало невозможным без разработки четкой законодательной базы. Поэтому 1 ноября 2020 года в России вступили в силу первые национальные стандарты. Их действие распространяется на все СНЭЭ, включая те, которые предназначены для работы в автономном режиме с возможностью присоединения к сетям.

В процессе разработки нормативного документа учтены международные требования, предъявляемые к участникам энергорынка. Это будет способствовать выходу российских производителей на внешние рынки. Кроме того, стандарты предусматривают интеграцию накопителей в единую энергосистему и развитие инфраструктуры.

Система электроснабжения промышленных предприятий должна обеспечивать надежность, удобство и безопасность в обслуживании. Кроме того, необходимо, чтобы она позволяла поддерживать высокое качество и бесперебойность подачи электроэнергии к электроприемникам в нормальном и послеаварийном режимах.

Оптимальное решение поставленной задачи зависит от грамотной интеграции проверенного временем оборудования и инновационных технологий, открывающей перед компаниями широкие перспективы для дальнейшего развития.