Category: энергетика

Category was added automatically. Read all entries about "энергетика".

Новая Россия - Образ победы

IсХс.jpg

Все материалы данного блога предназначены для лиц старше 18 лет (18+)


Мои блоги:
....................................................................................................
1. Новая Россия - Образ победы.
2. Идея.
3. Ядерный спецназ.
4. Колея.
5. Будущее России.
....................................................................................................



По обстоятельствам личного плана работа над блогом (при)останавливается.


Новая Россия - Вводная


Доброго времени суток. Меня зовут Андрей Быстров. Позвольте поделиться с вами моими размышлениями.

С каждым днем думающим людям, пусть даже и не имеющим доступа к полноценной информации, становится все яснее, что Россия медленно, но верно сползает к краю пропасти. Колесо Истории, похоже, подводит нас к большим потрясениям. К которым мы не готовы. Ни как государство, ни как нация. А учитывая, что против нас действует умный и сильный враг, да еще вдохновленный предыдущей, промежуточной победой (развал СССР и превращение РФ в полуколонию, от положения которой мы с таким трудом ушли), вероятность уничтожения России в ее нынешних границах, и, главное, Российской Цивилизации становится сегодня как никогда реальной.

И совершенно очевидно, что российские власти, будучи словно в некоем мороке, не справляются с задачей переформатирования страны в реально независимую и развивающуюся. Что, наряду с мощным внешним давлением, чревато взрывом. Социальной ли, криминальной ли, какой ли иной, но революцией. Что, весьма вероятно, добьет нашу страну.

Учитывая это, общество ОБЯЗАНО найти в себе силы и сформировать некие механизмы поддержки и власти и государства. В надежде на совершенствование принципов их функционирования.

Поскольку задача огромна и нетривиальна, искать способ ее решения на проторенной дорожке политики и подковерных телодвижений, видимо, безполезно. Нужны неординарные шаги.

Причем, не какие то глобально-резкие. Как любая большая система, нынешнее государство, нынешняя власть имеет определенный вектор движения и огромную массу интересов (то есть, огромную инерцию). И любая попытка сменить курс одномоментно, рывком, по-моему, приведет лишь к гибели системы. Которая, как бы несовершенна она ни была, все же лучше, чем ее отсутствие.

Стало быть, в обществе должны найтись силы, которые, работая в рамках существующей системы, способны были бы организовать ряд проектов, которые скорректировали бы вектор развития страны в правильном направлении. Только длительная и упорная работа в состоянии пусть не быстро, но и не разрушающе изменить курс. Мое мнение.

Позвольте предложить Вашему вниманию проект строительства новых городов в России. Заложенное в нем сочетание массового строительства в качестве основного и классического драйвера роста, наличие действительно суверенного центра денежной эмиссии и проектно-плановый принцип развития в состоянии обезпечить мощный синергетический эффект. Мое мнение - это тот самый рычаг, с помощью которого можно "перевернуть" (т.е., переформатировать) страну. Потому что, стоит власти сделать хотя бы первые шаги по его реализации, сама его внутренняя логика потребует следующих.

Причем, проект может внедряться (хотя бы в качестве эксперимента, в первые годы) на т.н. опричном принципе. Возможно ли развитие инородного тела в "организме" современной России? Я уверен, что да, возможно. При условии, если этот проект поддержат серьезные силы. Если же такой поддержки он не найдет, еще один шанс на относительно безболезненный выход из тупика, в котором мы оказались, будет упущен. В условиях разворачивающейся 3-й мировой войны. Только и всего.)))

Причем, надо понимать, что, в отличие от прочих инородных тел, внедренных в Россию, это станет не паразитом, а наоборот, мощным генератором обновления, омоложения всего российского "организма".

Иначе говоря, если необходимая поддержка будет оказана, этот проект может стать первым действительно общенациональным и созидательным проектом за все постсоветское время. Во многом, спасительным для страны.


Новые города - новая Россия


- Абстракт.
- Как это будет выглядеть.
- Опасно.
- Зачем это все.

- Преобразование России путем строительства и реконструкции агломераций.
- Земля, жилье, образование, здравоохранение, материнство и детство, социальная и пенсионная системы.

- Выбор мест размещения новых агломераций.
- Принципы застройки городов агломераций.
- Земля.
- Вода и природоформирующая деятельность.
- Новая столица.
- Жилье в РФ.

- Новое административно-территориальное деление РФ.
- Империя.

- Развенчание мифа.
- Общественный капитал.
- Общественный капитальный фонд РФ.
- Всероссийский Наблюдательный Совет.

- Некоторые налоги.
- Инвестиции.
- Валютное регулирование.
- Новые внутренние квази-оффшоры.
- Глазьев.
- Ипотека.

- Губернская община.
- Однако, будем реалистами...
- Корпорации развития территории.
- Мега-корпорация РФ.
- Кредитно-страховой фонд РФ.
- Большой фонд РФ.

- Распределение доходов с общественного капитала.

- Конкуренция.

- Некоторые ключевые точки системы.
- Деньги.

- Органы власти и управления.
- Центр мониторинга и анализа важных актов при Президенте РФ.
- Выборные.
- Дворянское собрание и Купеческая гильдия.

- Иммиграция.
- Рабочая неделя.
- Массовая безработица в ближайшие годы.
- Бедность.

- Глазьев. Как разорвать порочный круг самоуничтожения российской экономики.

- ЦИС.
- ПАК НЦУО.


Пилотный проект


- Пилотный проект.
- Подключайтесь!
- Дополнительные материалы.


Зачем нужны новые города, построенные по описанной выше системе


Пятиэтажки...
Школа средняя резиновая.
Что тут реконструировать? Просто построить с нуля, рядом.
Бардачок-с...
Петербург, Мурино.
Краснодар.
Еще Краснодар.
Новосибирск.
Петербург, Калининский район.
Челябинск.
Новороссийск.
Сочи.
Красноярск.


Внешняя конкуренция


- О последствиях вступления России в ВТО. Часть 1. Часть 2.


Технологии


- В догонку за VI ТУ – Часть 1. Часть 2. Часть 3.
- DARPA vs Сколково


Климат


- Sustainable development.
- Заговор.
- Климат.


Нефть


- Нефть.


Жизнеобезпечение


- Умные сети или бездумное централизованное ресурсоснабжение.
- Зимний блэкаут: как сохранить системы теплоснабжения мегаполисов. Часть 1. Часть 2.
- Тепло – жизнь города, а его отсутствие…
- Автономные энергоустановки на местных видах горючих и возобновляемых источниках энергии.
- Теория решения изобретательских задач в инфраструктурной безопасности.
- Технология локальной вакуумной переработки стоков и соленых вод.
- Царь Зима, генерал Мороз и рядовой Ватник.
- Smart Grids будут внедряться по всей Калининградской обл.


Чудеса


- Чудеса.


Разное


- Жену отдай дяде, а сам иди к ...
- Запад зависит от российского рынка?
- Социальное государство.
- Рост ВВП обезпечат агломерации.
- Финансирование НТП.
- Инвестиции или смерть.
- Нерентабельность лжи.
- Постиндустриальная революция?
- К вопросу о международном разделении труда.

- Откровение.
- Откровение 2.

- Россия как она есть.




Мои блоги:
....................................................................................................
1. Новая Россия - Образ победы.
2. Идея.
3. Ядерный спецназ.
4. Колея.
5. Будущее России.
....................................................................................................




Smart Grids будут внедряться по всей Калининградской обл

Все материалы данного блога предназначены для лиц старше 18 лет (18+)


КАЛИНИНГРАД, 5 июля (BigpowerNews) — «Умные сети» (Smart Grids) появятся во всех районах электрических сетей «Янтарьэнерго» (входит в ПАО «Россети»), сообщает пресс-служба «Янтарьэнерго».

27 июня совет директоров «Россетей» принял решение о тиражировании опыта внедрения цифрового РЭС на территории всей Калининградской области.

По данным «Янтарьэнерго», сейчас «умная» модель энергосистемы реализована в Мамоновском и Багратионовском районах. «Здесь после внедрения первого этапа проекта «Цифровой РЭС – Янтарьэнерго» существенно улучшились экономические и производственные показатели», — утверждают в энергокомпании.

[Читать дальше...]
По словам гендиректора «Янтарьэнерго» Игоря Маковскиого, «объем вложений в реализацию проекта в Мамоновском и Багратионовском РЭС – 290 млн рублей, из них 70 млн – стоимость автоматизации района». «Проект окупит себя через 8−9 лет с учетом любых сценариев экономического развития», — говорит он.

Сообщается, что об эффективности проекта было заявлено на расширенном заседании Комитета Госдумы РФ по энергетике по вопросам энергобезопасности Калининградской области, которое состоялось 4 июля в Центре управления энергоснабжением «Янтарьэнерго».

В частности, членам Комитета на примере наиболее сложной и разветвленной линии 15 кВ в Мамоновском районе продемонстрировали процесс ликвидации аварии. Благодаря внедренным технологиям «Тавриды электрик» технологическое нарушение на линии было ликвидировано дистанционно за 27 секунд.

«Все аварийные ситуации в сети 15 кВ локализуются коммутационными аппаратами в автоматическом режиме, вывод линий в ремонт для проведения плановых работ и подключения новых потребителей в сети осуществляется дистанционно. За действиями персонала, который производит работы непосредственно на поврежденном участке объекта, наблюдаем дистанционно», – поясняет заместитель главного инженера – начальник департамента технологического развития, технического обслуживания и ремонтов «Янтарьэнерго» Максим Моисеев. «До внедрения системы автоматизации при аналогичной аварии было бы погашено более 40 трансформаторных подстанций, а сейчас только 4−7, локализация поврежденного участка могла продолжаться от 2 часов до суток, сейчас менее чем за минуту, восстановление энергоснабжения занимает сегодня не более 50 минут», – добавил он.

Калининградская область – первая и пока единственная в России, где реализуется подобный проект. «Это уникальная территория, где учтены разные нюансы, которые позволят нам сделать умную модель энергосистемы и растиражировать её на все страну», – говорит первый заместитель генерального директора «Россетей» Роман Бердников, слова которого приводит пресс-служба.

В настоящее время в «пилотной зоне» запланирована реконструкция существующего ветропарка мощностью 5,1 МВт. Схема выдачи его мощности будет осуществляться в сети 15 кВ Мамоновского РЭС. За счет ветропарка и пересмотра устройств релейной защиты и автоматики, количество отключаемых потребителей при аварии удастся снизить примерно на 30−40%.

Как рассчитывают в «Россетях», в перспективе реализация проекта во всех районах Калининградской области позволит создать на базе энергосистемы эталон. «Высокие показатели надежности, максимальная оперативность при реагировании на аварийные ситуации, наблюдаемость и управляемость распределительных сетей 0,4−15 кВ, снижение эксплуатационных затрат, недоотпуска и потерь ресурса, повышение качества принятия управленческих решений – все это станет реальностью уже в 2018 году», — сообщили в «Янтарьэнерго».

«Необходимость тиражировать опыт цифровых РЭС – Янтарьэнерго не вызывает сомнения, мы готовы масштабировать его по всей области», — говорит Маковский.

«В рамках реализации второго этапа на пилотных площадках будет установлено 5 тысяч умных счетчиков, это абсолютно бесплатно для потребителя. Средства на эти цели инвестированы в рамках соглашения с РФПИ. Их возврат предусмотрен за счет прогнозируемого снижения потерь электроэнергии на более чем 50% (с 26 % до целевого показателя 10%)», — сообщил топ-менеджер.

«Интеллектуальные системы учета позволят потребителю самостоятельно следить за объемами потребленной энергии на сайте «Янтарьэнергосбыт». Обладая круглосуточным доступом к рабочему столу, он сможет удаленно планировать расход электричества и оптимизировать его. Умные системы учета помогут потребителю грамотно потреблять энергию и экономить на этом, а сетевикам – контролировать объемы поставки ресурса и ограничивать потребителя при необходимости», — утверждается в пресс-релизе.

Третий этап проекта предполагает внедрение комплексных систем оперативно-технологического и ситуационного управления процессами.

«Участники выездного совещания Комитета Госдумы высоко оценили процесс модернизации электросетевого комплекса региона. Дополнительно была подчеркнута необходимость расширять географию использования элементов «интеллектуальных сетей» в России для построения в стране архитектуры будущего электросетевого комплекса на основе цифровых технологий, обеспечивающих высокую надежность функционирования всей энергосистемы и повышения её эффективности», — сообщили в «Янтарьэнерго».

Как сообщалось, в Калининградской области внедрение Smart grids ведется в три этапа: автоматизация центров питания и сетей, внедрение интеллектуального учета (счетчиков), повышение наблюдаемости и управляемости объектов сети 0,4−15 кВи.

Технологии Smart grids внедряются с целью повышения надежности электроснабжения, снижения времени ликвидации аварий, сокращения недоотпуска электрической энергии и оптимизации эксплуатационных затрат.

Технологические решения разработаны российской компанией «Таврида электрик» и консоциумом компаний-партнеров.

Пилотный проект «Цифровой РЭС – Янтарьэнерго» включен в дорожную карту национальной технологической инициативы «Энерджинет».

Национальная технологическая инициатива (НТИ) «Энерджинет» выдвинута как один из приоритетов государственной политики Президентом России Владимиром Путиным в Послании к Федеральному Собранию 4 декабря 2014 года.


На главную страницу блога

Тепло – жизнь города, а его отсутствие…

Все материалы данного блога предназначены для лиц старше 18 лет (18+)


Оригинал взят у samo_de1kin в Тепло – жизнь города, а его отсутствие…

Тепло – жизнь города, а его отсутствие…

В.В. Велицко, генеральный директор ООО «ОЦР Технологии»

© Велицко В.В. Тепло – жизнь города, а его отсутствие… // Коммунальщик, №9, 2015. С.30–37.

В статье рассмотрены основные ключевые проблемы надёжности теплоснабжения городов России. Показана необходимость и пути реконструкции системы теплоснабжения с обеспечением экономической и экологической эффективности её реконструкции, а также кардинального повышения её устойчивости к природным катаклизмам, техногенным угрозам и терактам. Описаны технологии производства электроэнергии с использованием низкопотенциального тепла.

Ключевые слова: теплоснабжение, реконструкция системы теплоснабжения, аварии, электроснабжение, блэкаут, реконструкция ЦТП, технологии автономного энергоснабжения ЦТП, опыт.

    Насколько важно тепло

    В условиях резко континентального климата России система теплоснабжения является ключевым фактором, обеспечивающим функционирование населенных пунктов и их пригодность для жизни. Тепло как комплексный производный ресурс, напрямую зависящий от наличия топлива, электроэнергии, воды и работоспособности системы производства, транспорта и распределения тепловой энергии, крайне слабо защищен от климатических, техногенных, террористических угроз и от воздействия человеческого фактора [3].

[Читать дальше...]
    Действительно, достаточно прервать подачу топлива, электроэнергии или воды, и тепло перестанет вырабатываться. В случае нарушения работы котельных, ТЭЦ, теплотрасс или тепловых пунктов тепловая энергия не может быть выработана, передана и распределена между потребителями. В этой связи подачу необходимых ресурсов, обеспечивающих выработку, транспортировку и распределение тепла, необходимо беспрерывно обеспечивать на каждый соответствующий объект системы теплоснабжения. Для выработки тепла в котельных и ТЭЦ необходимы топливо, электроэнергия и теплоноситель — вода. Для его транспортировки по теплотрассам и распределения с помощью центральных (ЦТП) или индивидуальных тепловых пунктов (ИТП) также требуются электроэнергия и вода.

    Неподготовленному читателю может показаться, что тепло не является столь уж важным ресурсом, от которого может зависеть возможность жизни в городах России. Ведь когда на проведение планово-предупредительных ремонтов (ППР) весной отключают подачу горячей воды, то ее всегда можно на-греть в электротитане. А жители старого жилого фонда или многоэтажных домов 1990-х годов постройки могут нагреть воду и на газовой плите или в водогрейной колонке. По аналогии читатель может подумать, что и в отопительный сезон, когда прекратится подача тепла, как минимум в одной из комнат можно будет включить калорифер, а в ванной — титан и переждать неприятный момент отсутствия тепла в батареях. Однако с этим могут не согласиться жители города Дудинка (Россия), пережившие в этом году полное размораживание системы теплоснабжения города (рис. 1).



Рис. 1. Размораживание систем теплоснабжения в городе Дудинка в результате прекращения электроснабжения 14 января 2015 года [1]


    Поэтому вариант теплоснабжения с использованием электроэнергии реализуем только в том случае, если перебои в подаче тепла локальны, например, прекратилась подача тепла в один-два микрорайона, но не во всем городе. Это связано с тем, что мощность системы теплоснабжения, особенно при отрицательных температурах на улице, многократно больше того резерва, который имеют электрические сети. Да, при масштабных авариях возможно ограничение электропотребления промышленности, однако за последние десятилетия при сохранении электропотребления в России, сопоставимого с уровнем 1990 года, кардинально изменилась его структура — с промышленного производства в сторону коммунального сектора. В этой связи ограничение промышленного потребления снизит недостаток свободной мощности в электросетях с многократного на просто недостаточный, результатом которого будут веерные отключения [6] или развал энергосистемы — блэкаут, который жители Московского региона, Тульской, Калужской и Рязанской областей наблюдали 25 мая 2005 года. Учитывая, что в период блэкаута 2005 года была весна, его негативные последствия были минимальны и выразились не в полном размораживании тысяч километров теплотрасс только по Москве, а всего лишь в капитальном ремонте турбин нескольких ТЭЦ, разрушившихся в результате неравномерного остывания при аварийном останове.

    Зимой последствия такого блэкаута будут куда более катастрофичными, так как его результатом станет разрушение системы теплоснабжения города [2, 6]. Некоторые специалисты-энергетики могут возразить, что котельные оборудованы аккумуляторами, а некоторые, там где пока не успели демонтировать паровые котлы или перевести их в более экономичный — водогрейный режим, еще содержат паровые питательные насосы типа ПДххх. Правда, любой оператор котельной просто предложит посмотреть на состояние этих аккумуляторов и напомнит, что пароприводной питательный насос для своей работы требует давления, которое уже не могут давать паровые котлы со старыми барабанами. Их рабочее давление ограничено. Эти насосы являются скорей экспонатами по изучению паровых машин XIX века, нежели оборудованием, которое может реально работать.

    Сказанное выше подтверждают многие десятки аварий в системах электроснабжения, произошедшие на постсоветском пространстве и повлекшие за собой масштабные вымораживания населенных пунктов. Например, одной из последних аварий является авария в Дудинке, где 22 тыс. человек населения остались без теплоснабжения при температуре –17 °С в результате серии аварий в электросетях, произошедших 13 и 14 января с. г. [2]. Последствия для системы теплоснабжения города иллюстрирует рис. 1.

    Более масштабная по последствиям серия аварий произошла 22 и 23 января 2006 года в городе Алчеевске (Украина), где причиной размораживания 120-тысячного города послужили перебои с электроснабжением, вызвавшие за счет гидроударов при остановке-пуске сетевых насосов прорывы в изношенных магистральных теплотрассах при морозе –35 °С. В результате, пока восстанавливались прорывы в теплотрассах, были полностью разморожены все внутридомовые системы отопления. Восстановление теплоснабжения потребовало 3 недели работы, 10 мобильных котельных, 4,5–5 тыс. добровольцев, 127 ед. спецтехники и 4 млн $ [6].

    Причиной вышеназванных аварий послужили перебои в электроснабжении. Они вызвали цепную реакцию. В каждом конкретном случае логика развития аварии зависит от климатических условий, упущений при проектировании систем теплоснабжения, износа оборудования, недостатков при эксплуатации и проведении ППР, а также от человеческого фактора.

    Относительно вышеприведенных случаев можно отметить, что только высокопрофессиональные действия ремонтных служб позволили при сильных морозах фактически воссоздать заново тепловые сети городов. При этом за рамками кратких сообщений в прессе остался огромный объем работ по восстановлению не только трубопроводов, но и котлов, теплообменного, вспомогательного оборудования, запорной арматуры, вскрытие мерзлого грунта и поиск, зачастую наугад, теплотрасс, проложенных неизвестно где многие десятилетия назад. Нужно отметить, что удачей явилось то, что в описанных случаях города являлись не большими, а не многомиллионными мегаполисами, случаи — единичными, что позволило мобилизовать необходимые ресурсы для своевременного проведения восстановительных работ.

    Рассмотрим варианты предотвращений массовых аварий в системах теплоснабжения небольших населенных пунктов и глобальных разрушений систем теплоснабжения мегаполисов. Аварии такого типа являются наиболее опасными в связи с тем, что не позволяют локализовать первичные техногенные последствия, сконцентрировать необходимое количество людских ресурсов и техники. В результате этого наступают вторичные и третичные техногенные последствия, заключающиеся в разрушении тепло- и электрогенерирующего оборудования, точного производственного оборудования, оборудования медицинских учреждений, водоканалов и т. п. В итоге может наступить гуманитарная катастрофа, связанная с необходимостью эвакуации из города людей, а также с риском возникновения эпидемической угрозы [2, 3].

    Способы гарантированного электроснабжения

    Рассмотрим далее варианты гарантированного обеспечения электроэнергией системы теплоснабжения населенных пунктов. Более перспективным решением (в сравнении с электроаккумуляторами) является установка в котельных резервных дизельных электростанций, газопоршневых или газотурбинных мини-ТЭЦ. Изредка в котельных также устанавливаются паровые турбины типа «Электра» (конец XIX века) или иное аналогичное им оборудование. Кратко отметим сложности работы как турбоустановок, так и значительного числа газопоршневых мини-ТЭЦ, особенно с V-образными двухкарбюраторными двигателями, в условиях отсутствия внешней сети и необходимости стабильного поддержания ими частоты вырабатываемой электроэнергии при работе на изолированную нагрузку.

    При наличии современного источника электроэнергии в котельной она сможет обеспечить теплоснабжение только таких потребителей, которые подключены по устаревшим сложнобалансируемым схемам непосредственно к теплотрассам, идущим от котельных.

    Все остальные потребители тепла, особенно с разделенными контурами теплоснабжения, останутся без отопления, так как ЦТП и ИТП будут обесточены, а следовательно, остановится работа циркуляционных насосов, контрольно-измерительных приборов и автоматики (КИП и А) систем отопления, а также оборудования ГВС.

    В этой связи любое из приведенных выше решений не обеспечивает задачи теплоснабжения всех потребителей и сохранения теплотрасс в случае, если между источником тепла и потребителем установлен как минимум один ЦТП или ИТП. Да, тепло будет подаваться в теплотрассу и поступать в ЦТП, однако локальные теплотрассы между тепловым пунктом и потребителем будут разморожены, и, следовательно, потребитель останется без теплоснабжения на длительный период.

    Учитывая, что блэкаут может привести к масштабной разморозке теплотрасс в рамках как минимум одного города, полное восстановление теплоснабжения крупного города может быть не обеспечено до наступления нового отопительного сезона. Это связано с тем, что потребуется замена от десятков до тысяч километров небольших теплотрасс, схемы прокладки которых в большинстве случаев за давностью лет отсутствуют. В качестве примера можно привести плановое отключение производственных цехов одного из крупнейших заводов России, где работал в свое время автор. В 1990-е годы у предприятия отсутствовали средства на оплату природного газа для отопления. Даже после слива теплоносителя и продувки теплотрасс сжатым воздухом остаточная сетевая вода разморозила нижние точки теплотрасс и запорную арматуру, в результате чего полное восстановление нескольких десятков километров теплотрасс растянулось на несколько лет.

    В этой связи можно привести блок-схему, демонстрирующую взаимосвязь и последствия прекращения подачи основополагающего ресурса — электроэнергии (рис. 2).



Рис. 2. Причинно-следственные связи прекращения ресурсоснабжения населенного пункта


    Как видно из рис. 2, прекращение электроснабжения при неблагоприятных условиях может привести к ограничению подачи жизненно важных ресурсов, приведя к гуманитарной катастрофе. Однако электроэнергия не является единственным видом ресурса, который может повлечь прекращение теплоснабжения. Огромное значение имеет топливоснабжение — стабильная подача природного газа, мазута (если сохранено мазутное хозяйство) или твердого топлива, без которых невозможна выработка тепла, и водоснабжение, без которого невозможны подпитка контура теплоносителя и обеспечение горячего водоснабжения.

    Не менее важную роль играет степень надежности оборудования (минимизация нештатных ситуаций в отопительный сезон) и его квалифицированное обслуживание (как грамотное и полноценное выполнение ППР, так и высококачественные модернизация и внесение оперативных изменений в систему теплоснабжения). Также ключевое влияние на надежность работы систем теплоснабжения оказывает подготовка эксплуатационного персонала к действиям во время нештатных ситуаций.

    Все вышеуказанные аспекты, влияющие на надежность теплоснабжения, являются базовыми и зависят от множества факторов, рассмотрение которых лежит вне рамок данной статьи. Однако, как и в большинстве ситуаций, основополагающие факторы, позволяющие кардинально повысить надежность системы теплоснабжения, подчиняются правилу 80/20 (80% эффект при 20% затрат ресурсов) и могут быть легко определены.

    Подчеркну, ключевым фактором для обеспечения надежности системы теплоснабжения является подача электроэнергии. Это связано с тем, что транспортировка основных объемов электроэнергии преимущественно осуществляется с использованием воздушных линий электропередачи (ЛЭП). То, что в мегаполисах обычно вместо воздушных применяются кабельные ЛЭП, не играет роли, так как к питающим центрам электроэнергия подводится воздушными ЛЭП высокого (от 110 кВ) и сверхвысокого (от 330 кВ) напряжения.

    Так как кратковременные нарушения электроснабжения (КНЭ), так называемые мигания, являются неизбежным фактором электроснабжения посредством воздушных ЛЭП, вызывающим погасание горелок котлов (падают топливные клапаны), то сравним между собой надежность систем подачи ресурсов для выработки и транспортировки тепла. Сравним:

·  1 км воздушной ЛЭП, транспортирующей мощность в 1 МВт;
·  1 км теплотрассы, прокачивающей теплоноситель, с которого может быть получена мощность 1 МВт;
·  1 км газопровода, при сжигании подаваемого по которому природного газа может быть получена тепловая мощность 1 МВт.

    Это сравнение достаточно условно, однако имеющаяся статистика аварий будет не в пользу воздушных ЛЭП. Так, наиболее надежными являются газопроводы, число нарушений работы которых в год на 1 км протяженности можно принять за 1. За газопроводами следуют теплотрассы, число нарушений работы которых на порядок превышает число перебоев в работе газопроводов. Далее следуют воздушные ЛЭП, демонстрирующие на 2 порядка меньшую надежность в работе, чем газопроводы. То есть, как видим, наименее надежными элементами системы теплоснабжения являются воздушные ЛЭП, демонстрирующие в 100 раз меньшую надежность, чем газопроводы.

    При этом в работе воздушных ЛЭП неизбежными являются перебои в подаче электроэнергии. Данные перебои подразделяются на штатные перебои, связанные с периодическим замыканием проводов ЛЭП — КНЭ, и нештатные перебои, связанные с обрывом проводов и разрушением опор ЛЭП (наледь, высокая ветровая нагрузка, изношенные опоры ЛЭП), а также с авариями на генерирующем и распределительном оборудовании. Нештатные аварии на ЛЭП связаны с:

·  природными катастрофами, число которых увеличивается в связи с временным глобальным потеплением, предшествующим очередному малому ледниковому периоду (длинная зима в циклах Миланковича), результатом которого являются не только более теплые лето и зима, но и значительная экстремизация климата, выражающаяся в засухах, поздних заморозках, ледяных дождях, ураганах и наводнениях;
·  износом электросетевого оборудования;
·  человеческим фактором;
·  террористической активностью.

    Помимо снижающегося числа хищений кабелей и проводов ЛЭП, что зачастую приводит к значительным перебоям в электроснабжении, блэкаут может быть организован и целенаправленно. Блэкаут в любом крупном городе (в случае достижения максимума энергосистемы и стечения иных негативных обстоятельств — и во всем регионе) может быть организован путем замыкания по определенному алгоритму высоковольтных воздушных ЛЭП, снабжающих электроэнергией питающие центры. Эта ситуация не связана с некими недостатками российской системы электроснабжения, которая по настоящее время является одной из самых надежных в мире, а является результатом централизованной генерации электроэнергии. Учитывая, что при централизованной генерации электроэнергии ее транспортировка на дальние расстояния с использованием сетей сверхвысокого и ультравысокого (от 750 кВ и выше) напряжений оптимальна, во всем мире долгое время отсутствовала эффективная альтернатива воздушным ЛЭП. Необслуживаемые кабели для подземной прокладки из шитого полиэтилена (СПЭ) стали появляться только в 1960-х годах.

    В этой связи для обеспечения надежности теплоснабжения необходима либо полная реконструкция электросетей с заменой воздушных ЛЭП на кабельные линии, что практически невозможно осуществить в обозримой перспективе и при умеренных затратах, либо обеспечение автономной генерации на всех электропотребляющих объектах системы теплоснабжения.

    Проверено на практике

    Известно, что слабым звеном системы теплоснабжения являются ИТП и ЦТП. Причиной этому выступает то, что для их электроснабжения не могут быть применены мини-ТЭЦ и дизельные электростанции, — ИТП находятся в подвалах домов, а ЦТП — во дворах. Это осложняет подвод топливного газа и отвод продуктов сгорания, а также делает невозможным создание складов дизельного топлива.

    С этой задачей автор столкнулся зимой 2011 года, когда в МОФ Фонд содействия экономическому развитию им. Н.К. Байбакова (Фонд Байбакова), где автор является советником, курирующим сектор энергоэффективности, обратились представители Федерального собрания РФ с вопросом о возможности разработки проектов реконструкции ЦТП Москвы. Сложность задачи заключалась в том, что ЦТП Москвы планировалось реконструировать в социально значимые объекты шаговой доступности путем их надстройки (рис. 3). Однако системы электроснабжения ЦТП не позволяют это сделать, так как отсутствует дополнительная электрическая мощность, а в зоне старой жилой застройки или закрыты присоединения к питающим центрам или требуется сложная реконструкция перегруженных электросетей.



Рис. 3. ЦТП до реконструкции (слева) [4] и ЦТП после реконструкции (визуализация, справа) [5]
    Учитывая большое количество ЦТП в России (только в Москве их около 8,5 тыс.) и высокий уровень их износа, задача экономически эффективной реконструкции может быть решена с проведением надстройки ЦТП коммерческими объектами недвижимости и с параллельной заменой их оборудования, а также путем обеспечения генерации с использованием распределяемого ими тепла. Такая реконструкция позволит не только обеспечить надежность теплоснабжения, но и улучшить жизнь населения путем увеличения числа инфраструктурных объектов шаговой доступности.

    Для обеспечения выработки электроэнергии с использованием распределяемого тепла потенциально могут использоваться следующие технологии:

·  электростанции на базе органического цикла Ренкина (ОЦР) или цикла Калины;
·  электростанции на базе двигателей Стирлинга;
·  гидрогенераторы, использующие (фактически похищающие) энергию потока теплоносителя.

    Сложность использования установок на базе классического ОЦР и цикла Калины наравне с двигателями Стирлинга связана с тем, что в России реализовано количественное и качественное регулирование отпуска тепла. Это означает, что в зависимости от температуры окружающего воздуха изменяется не только объем прокачки теплоносителя, но и его температура, а следовательно, располагаемый температурный перепад (эксергетический потенциал), который может быть использован для производства электроэнергии.

    Последнее решение — хищение энергии потока теплоносителя, — проверенное в ЦТП, расположенном на территории Московского энергетического института (МЭИ), не будем рассматривать, так как оно, имея низкий КПД, перекладывает затраты на электроснабжение на теплоснабжающую организацию, фактически похищая электроэнергию, расходуемую на привод насоса. Именно это явилось причиной вывода из работы обращенного в электрогенератор насосного агрегата, установленного в ЦТП МЭИ.

    Был разработан спектр решений, обеспечивающий как снижение электропотребления ЦТП, так и позволяющий обеспечить локальную генерацию электроэнергии в условиях количественного и качественного регулирования отпуска теплоносителя.

    Благодаря активной работе председателя правления Фонда Байбакова А.С. Ромашина, содействию сотрудников Департамента топливно-энергетического хозяйства города Москвы (ДепТЭХ) А.В. Татарникова, В.А. Константинова и Д.Р. Айрапетяна началась подготовка к формированию соответствующего конкурса. В связи с организационными изменениями, произошедшими в ДепТЭХ, данная работа была обоснована перед Департаментом природопользования и охраны окружающей среды города Москвы, где в 2015 году был проведен конкурс на «Научное обоснование технических решений... для системы локальной выработки электроэнергии в ЦТП... с использованием распределяемой тепловой энергии...»   Сложность данной работы заключается в том, что 8,5 тыс. московских ЦТП имеют присоединенную мощность в размере 365,4 МВА, потребляют 756,9 ГВт•час электроэнергии в год, что составляет около 10,5% от распределяемого ими объема тепловой энергии (по данным 2011 года).

    Поэтому, как было указано выше, классические решения выработки электроэнергии с использованием низкопотенциальных источников тепла оказались малоэффективными. Однако для обеспечения стабильной круглогодичной работы ЦТП был найден ряд решений, часть из которых находится на стадии патентования. К этим решениям можно отнести адаптивный термодинамический цикл и технологию прямого использования сетевой воды для производства электроэнергии, позволяющие обеспечить полностью автономное энергоснабжение в бесфреоновом цикле ЦТП с использованием распределяемой ими тепловой энергии путем установки небольших агрегатов электрической мощностью от 50 кВт.

    Оптимальная система теплоснабжения России

    Спрогнозируем, как будут выглядеть и как будут работать ЦТП после их реконструкции.

    Внешний вид ЦТП можно представить таким, как он показан на рис. 3 (справа) или на рис. 4.



Рис. 4. Внешний вид ЦТП после реконструкции. Проект выполнен ООО «АПМ-Сайт», Новосибирск [4]

    В ходе реконструкции ЦТП только в Москве будет создано около 720 тыс. м. коммерческих площадей, на которых будут расположены объекты шаговой доступности.

    Использование высвободившейся электроэнергии, ранее поставлявшейся на ЦТП, а также возможность производства дополнительных объемов энергии могут позволить осуществить реконструкцию и надстройку старого жилого фонда с увеличением его площади и повышением класса жилья. Примером такой надстройки может служить реконструкция старого жилого фонда, представленная на рис. 5 и 6. В середине квартала (рис. 6) расположена трансформаторная подстанция, реконструированная в кластерный энергокомплекс, обеспечивающий электро-, тепло- и холодоснабжение квартала (концепция энергокомплекса разработана автором данной статьи).



Рис. 5. Жилой дом до реконструкции, Сергиев Посад, фото: Фонд Байбакова


Рис. 6. Проект реконструкции 4 домов (рис. 5), образующих жилой квартал, Сергиев Посад, Проект реконструкции выполнен Фондом Байбакова

    В результате такой реконструкции, повторюсь, в Москве могут быть дополнительно сооружены несколько миллионов квадратных метров жилой и коммерческой недвижимости. При этом технология реконструкции, показанная на рис. 6, позволяет на 10 м. и более за счет расширения дома увеличить площадь существующих квартир, обеспечив повышение качества жилья, оснастив все квартиры в реконструированном доме приточно-вытяжной вентиляцией и централизованной климатизацией при параллельном снижении топливопотребления в масштабах города.

    Система электроснабжения, базирующаяся на использовании адаптивного термодинамического цикла или на прямом преобразовании энергии теплоносителя в электроэнергию с электрическим КПД на уровне 5–15% и тепловым КПД 84,5–94,5%, позволит обеспечить сооружаемые площади необходимыми объемами электроэнергии. Разработанные решения по использованию тепла для выработки электроэнергии в зависимости от стоимости электроэнергии в регионе имеют срок возврата инвестиций от 1 года до 2,5 лет с момента ввода в эксплуатацию при электрической мощности единичной установки от 50 кВт и выше.

    В случае реализации аналогичных решений в котельных снизится нагрузка на ТЭЦ, даже зимой работающих в конденсационном режиме, что позволит на 5% в год и более снизить объемы выбросов опасных веществ — оксидов азота (NO, NO2), образующихся при сжигании природного газа. При этом будет обеспечена высокая надежность системы теплоснабжения города за счет организации комбинированного производства электроэнергии и тепла на всех объектах теплоснабжающей инфраструктуры.

    Это позволит на примере Москвы показать возможность энергоэффективной и экологичной реконструкции устаревшего коммунального теплотехнического хозяйства, обеспечив кардинальное повышение его надежности и возврат средств за счет экономичной выработки электроэнергии непосредственно у ее потребителя. Параллельно будет решен вопрос недостатка природного газа в Москве, необходимого для ее развития.

    Литература

1. Без отопления в минус 40 // Дождь, 19.01.2015, URL: http://tvrain.ru/teleshow/here_and_now/bez_otoplenija_v_minus_40_zhitelej_goroda_dudinka_prosjat_ne_pisat_v_sotssetjah_o_posledstvijah_avarii_na_lep-380791/, дата обращения: 12 мая 2015 года
2. В заполярной Дудинке восстановят отопление // LENTA.RU, 14.01.2015, URL: http://lenta.ru/news/2015/01/14/dudinka/, дата обращения:  12 мая 2015 года
3. Велицко В.В. Ресурсосберегающая инфраструктура как условие сохранения населённых пунктов в условиях природных катаклизмов и террористических угроз // Новосибирск: Материалы II Всероссийской научной конференции с международным участием «Энерго- и ресурсоэффективность малоэтажных жилых зданий», Институт теплофизики СО РАН, 24–26.03.2015., с.419-428
4. На севере Москвы начинается реконструкция ЦТП // REALTO.RU, 10.04.2009, URL: http://www.realto.ru/journal/news/policeconomy/show/?id=7048, дата обращения: 27 декабря 2012 года
5. Миронов Н. В центральных тепловых пунктах откроют магазины и фитнес-клубы // Комсомольская Правда, ОАО МОЭК, 10.12.2008, URL: http://www.oaomoek.ru/ru/content/view/440/92/, дата обращения: 15 ноября 2012 года
6. Филькин В.И., Испытание холодом города Алчеевск // Новости теплоснабжения, №1 (77), 2007 год
7. Проект реконструкции ЦТП в административное здание // ООО АПМ-Сайт, URL: http://arx.novosibdom.ru/node/1714, дата обращения: 14 июня 2015 года


На главную страницу блога

Теория решения изобретательских задач в инфраструктурной безопасности

Все материалы данного блога предназначены для лиц старше 18 лет (18+)


Оригинал взят у samo_de1kin в Теория решения изобретательских задач в инфраструктурной безопасности


ТРИЗ в инфраструктурной безопасности

Велицко 1 В.В., Прохоров 2 А.И.
1 «ОЦР Технологии», г. Москва, 2 Российская Инженерная академия (РИА), г. Москва

Статья опубликована: М.: Материалы VII конференции «ТРИЗ: практика применения и проблемы развития», 20–21 ноября 2015 г., С.39–49

Аннотация

В работе рассмотрены угрозы инфраструктурной безопасности современных мегаполисов и городских агломераций. Показаны пути их парирования созданием кластерной ресурсоснабжающей инфраструктуры с использованием принципов Умных сетей (Smart Grid). Показана возможность производства электроэнергии и тепла с использованием горячей воды, тёплых стоков, солнечной энергии без использования низкокипящих рабочих тел (НРТ), а также показана технология производства технической воды и воды питьевого качества с использованием загрязнённых сред, в том числе и путём вакуумной переработки канализационных стоков.

Необходимое предисловие

Данная работа, в связи с ограниченностью статьи, включает в себя только два направления. Первое – анализ глобальных рисков и угроз существующей цивилизации, о которых можно говорить и решать их или которые можно замалчивать, пока они не станут не решаемыми проблемами, с учётом рационального использования доступных сил и средств. Второе – практические аспекты защиты инфраструктуры населённых пунктов, путём органичного преобразования её в Умные сети, созданные с учётом глубокой разработки первого направления работ.

Что делать со сказанным здесь? Это дело читателя. Можно игнорировать, как делает ряд специалистов, понять и испугаться или же понять и начать совместно совершенствовать инфраструктуру, обеспечивающую среду нашего обитания. Что бы было легче принять решение посмотрим на Рис. 1. Мысленно отключим в городе электроснабжение и водопровод, засорим канализацию и пустим из неё в квартиры биогаз (нечем смывать отходы), отключим подачу тепла и перенесём город с широты и долготы Лондона на место Москвы, Минска, Киева или Алма-Аты.

Отметим, что в данной статье не рассматриваются иные выявленные угрозы, кроме тех, которые известны профильным специалистам, а также ранее рассматривались в опубликованных работах (см. список литературы), но sapienti sat (умному достаточно, лат., Плавт Т.М.)



Рис. 1 Лондон [1]. 8,5 млн. чел., среднегодовая температура +10 °C.


Введение

[Читать дальше...]
Существующие общества, объединённые в государства современного типа, в которых преимущественно реализованы 3...5 и зачатки 6–го технологического уклада предъявляют высокие требования к стабильности ресурсоснабжения коммунальных и производственных потребителей. Учитывая, что города являются теми центрами жизнедеятельности общества, которые обеспечивают существующие уровень, тенденции и динамику его развития, а возможное поражение городов, в зависимости от его величины и интенсивности, может как ограничить, так и свернуть развитие общества и его существование на достигнутом уровне культуры, качество ресурсоснабжения городов является залогом существования обществ современного типа. В этой связи ключевым условием существования общества является сохранение городов и обеспечение их, в том числе, инфраструктурной безопасности. Высокая удельная концентрация в городах объектов человеческой культуры, к которым относятся коммунальные, производственные, административные и художественные объекты со своей стороны требует их бесперебойного функционирования, которое, в свою очередь, должно обеспечивается необходимыми ресурсами [2, с.419] (см. Рис. 2).



Рис. 2. Ресурсы города, необходимые для его жизнеобеспечения и самовосстановления [2, с.420].

Ключевой угрозой является то, что с ростом механизации армий прослеживается неуклонный рост доли нонкомбатантов, погибающих в военных конфликтах. Например, гибель гражданского населения с периода Наполеоновских войн, с уровня единиц процентов, возросла до 15% к I Мировой войне (МВ), после чего увеличилась до 50% во II МВ и, в настоящее время, при так называемых военных конфликтах низкой интенсивности, достигает уровня 90...99% от всех погибших [3]. Причиной этому послужило перемещение боевых действий в города, обусловленное, особенно со второй половины XX по настоящее время включительно, преимущественным отказом геополитических противников от ведения конвенциональных войн с использованием, для достижения собственных целей, местных сил, нацеленных на вооружённую антигосударственную борьбу. В роли таких сил обычно выступают различные партизанские движения, террористические группировки и иные «незаконные бандформирования» [4, с.455], которым противостоят регулярные силы. В результате соотношения сил, которое, в большинстве случаев, не в пользу иррегулярных формирований, боевые действия смещаются в населённые пункты и приобретают черты террористической войны, приводя к указанной доле гибели нонкомбатантов в пределах 90...99%.

Рассматривая боевые действия низкой интенсивности и гибридные войны как систему, требующую оптимизации по фактору потерь, результирующему человеческие, экономические, культурные и иные потери, приходим к выводу, что для данного вида конфликтов необходима приоритетная защита гражданского населения в местах его проживания. Такая защита, в значительной мере, может быть реализована путём гарантированного обеспечения коммунальных и производственных потребителей необходимыми ресурсами в условиях деструктивных воздействий, основными или вторичными целями которых являются инфраструктурные объекты, такие как газопроводы, нефтепроводы, электрогенерирующие мощности, системы теплоснабжения, водоснабжения и системы канализации. Это подтверждает исследование негативных эффектов военных конфликтов последних десятилетий на территории стран Европы и Ближнего востока с высоким уровнем материальной культуры, где значительный ущерб, сопоставимый с ущербом от применения оружия по мирному населению, наносили вторичные и третичные последствия прекращения ресурсоснабжения крупных населённых пунктов.

Постановка задачи

Задача минимизации ущерба гражданскому населению, проживающему в современных населённых пунктах была сформулирована следующим образом: обеспечить гарантированное коммунальное и производственное ресурсоснабжение населённых пунктов в условиях террористической активности, военных конфликтов низкой интенсивности и гибридных войн в условиях, целенаправленного разрушения воюющими сторонами объектов инфраструктуры. Ключевыми условиями при разработке данной темы являлись следующие требования:

устойчивость создаваемой системы ресурсоснабжения как к террористическим атакам, так и к разрушительным природным явлениям, в том числе геоклиматическим катастрофам локального и глобального характера;
использование местных, в том числе возобновляемых источников энергии (ВИЭ) при минимизации потребления поставляемых извне топливно–энергетических ресурсов (ТЭР) и электроэнергии;
возможность внедрения автономных и энергоэффективных технологий и оборудования путём их органичного встраивания в существующие системы ресурсоснабжения населённых пунктов;
экономическая эффективность автономных систем ресурсообеспечения, позволяющая обеспечить наличие рационального срока окупаемости в сравнении с существующими централизованными системами подачи ресурсов;
возможность широкого внедрения автономных систем ресурсоснабжения в условиях активного противодействия монопольных поставщиков ресурсов коммунальному и промышленному секторам хозяйства.

Дополнительным внешним условием является то, что Россия – самая холодная страна в мире со среднегодовой температурой – 5,5 °С. Большое население (9 место в мире) при низкой его плотности (181 место в мире) обуславливают наличие протяжённой инфраструктуры, а обладание крупнейшими производственными и ресурсными базами требуют обеспечения проживания населения и ведения им хозяйственной деятельности на всей территории страны [5]. В этой связи основополагающим условием является гарантированное теплоснабжение, т.к. при отсутствии теплоснабжения на протяжении нескольких часов при отрицательных температурах наружного воздуха, может произойти обширное размораживание систем теплоснабжения, разрушение производственного оборудования и вымораживание жилья, что приведёт к тому, что населённый пункт перестанет быть пригодным к проживанию и ведению полноценной хозяйственной деятельности.

Исходя из поставленных требований, в качестве одного из базовых направлений работ по выявлению угроз и определению методов их нейтрализации, была начата работа по разработке устойчивой перспективной системы ресурсоснабжения, способной обеспечить существование городов в условиях чрезвычайных ситуаций (ЧС).

Методология

Анализ комплекса потребляемых ресурсов, схематично приведённых на Рис. 2, был выполнен с использованием Теории ограничений (Theory of Constraints, далее – TOC), в частности – с привлечением инструментов барабан–буфер–верёвка для выявления «бутылочных горлышек» и безальтернативных видов ресурсов, с также применением «дерева перехода» для определения способов альтернативного резервирования ресурсов с использованием нетипичных систем их накопления («буфер»), а также альтернативных систем поставки («верёвка») и их способов потребления. В сокращённом виде, с учётом требований, указанных в части «Постановка задачи», данная работа описана в [2]. Результатом выявления «бутылочных горлышек» явилось такие ресурсы как ископаемый природный газ (ИПГ), тепловая энергия, коммунальное водоснабжение и коммунальное водоотведение [2, с.422]. Последующее применение инструмента «дерево перехода» позволило выявить ресурсы, приемлемая альтернатива которым отсутствует в рамках существующей в России системы ресурсоснабжения и технологий обеспечения жизнедеятельности населённых пунктов в условиях ЧС. Такими ресурсами являются тепловая энергия для нужд отопления [6; 7] и вода для нужд смыва канализационных стоков [8].

Отметим, что выявление критических ресурсов, само по себе, не отвечает на вопросы о том:

каким именно образом может быть прекращена подача данных ресурсов в рамках существующей системы ресурсоснабжения;
возможна ли такая модернизация системы теплоснабжения, при которой критический (безальтернативный) ресурс будет поставляться даже в случае ЧС, при которой данная или смежная система ресурсоснабжения будет целенаправленно выводиться из строя.

Для поиска ответов на поставленные вопросы были разработаны системы, демонстрирующие взаимовлияние прекращения поставки ресурсов. Пример такой системы, для случая прекращения электроснабжения населённого пункта, приведён на Рис. 3.
Как видим из Рис. 3, по эффекту домино, происходит поражение таких критических ресурсов, как тепловая энергия, водоснабжение, канализация. При этом подача электроэнергии как минимум на два порядка менее надёжна, чем подача горючего (ИПГ) в существующей системе производства, транспорта, распределения и потребления тепловой энергии [6; 7], электроэнергия, в существующей системе ресурсоснабжения, является лимитирующим ресурсом для нужд теплоснабжения.



Рис. 3. Причинно–следственные связи прекращения ресурсоснабжения населенного пункта при прекращении электроснабжения [7, с.32].

В соответствии с правилом Парето основные усилия были сконцентрированы на вопросах выявления уязвимостей существующей системы электроснабжения, способах её поражения, методах защиты системы электроснабжения и способах реконструкции как самой системы электроснабжения, так и системы теплоснабжения, для минимизации зависимости поставки тепла от наличия или отсутствия централизованно поставляемой электроэнергии [7]. В результате инструменты TOC: барабан–буфер–верёвка и «дерево перехода» были применены к системе электроснабжения, а общая методика поиска уязвимостей системы ресурсоснабжения и методик их парирования базировалась на встречном движении поиска как от анализа того, как и каким образом атакующая сторона может привести населённые пункты в нежизнеспособное состояние (сформулированные технические противоречия (ТП) и методика их решения в данной работе не рассматриваются), так и вёлся встречный поиск путей создания такой системы ресурсоснабжения, которая бы была устойчива в случае возникновения любых ЧС, физически не разрушающих населённый пункт (сформулированные ТП показаны на Рис. 4).
Необходимо отметить, что в ходе выполнения работ была проведена значительная работа по выявлению угроз современной нам цивилизации с высоким уровнем технического развития и достигнутым, даже в странах «третьего мира», достаточно высоким уровнем жизни и гражданских свобод, который никогда ранее не имел места в обозримой человеческой истории. В этой связи были проанализированы именно угрозы глобального характера позитивным достижениям современной цивилизации и пути их преодоления. Рассматриваемая здесь проблематика является частным случаем выполненных исследований применительно к безопасности населённых пунктов с учётом геоклиматических условий России.

Ветвь поиска путей защиты существующей инфраструктуры (Рис. 4). Главной полезной функцией (ГПФ) ТП №1 «Контроль за распределённой инфраструктурой» был выбран высокий контроль при низких затратах. При этом произошла конкретизация ТП №1, в результате чего было сформулировано ТП №2 «Приближение ключевых объектов распределенной инфраструктуры производства, транспорта и распределения ресурсов непосредственно к потребителю», а ГПФ ТП №2 – приближение ключевых объектов инфраструктуры к потребителям при низкой сложности подвода первичных ресурсов и отвода продуктов их переработки.

Для более глубокого понимания причин формулирования ТП №1 и №2, рассмотрим систему теплоснабжения населённого пункта, т.к. именно тепловая энергия для нужд отопления является производным ресурсом, зависящим от надёжности поставки первичных ресурсов, таких как ТЭР и электроэнергия (где электроэнергия также является производным ресурсом).

Система теплоснабжения населённого пункта, функционирующая в штатном режиме представлена на Рис. 5 (слева). При нарушении электроснабжения, вызванном происходит сбой в производстве и распределении тепла, показанный справа на этом же рисунке. Как видим из Рис. 5 (правая часть), теплоснабжение сохраняется только у тех потребителей, которые подключены напрямую к источникам тепла, одновременно обеспечивающим себя электроэнергией и способными работать в островном режиме (для теплоэлектроцентралей (ТЭЦ) такой режим работы обычно невозможен). Это приводит к необходимости защиты не только таких объектов, как воздушные линии электропередачи (ЛЭП), но и тепловых пунктов (ТП), таких как центральные ТП и индивидуальные ТП (ЦТП и ИТП).



Рис. 4. ТП №1 и ТП №2, задающие принципы поиска путей создания системы ресурсоснабжения, устойчивой к ЧС.



Рис. 5. Схематичная структура типовой системы теплоснабжения города (слева) и частичная работа типовой системы теплоснабжения города в условиях блэкаута (справа) [5].

Усилив ТП №2 получаем, что ключевой объект распределённой инфраструктуры должен сам себя обеспечивать необходимыми первичными ресурсами не выделяя отходов. Физическое противоречие (ФП) для ТП №2 заключается в том, что потребляемые ресурсы должны появляться в месте их потребления, при этом в процессе их использования (переработки) не должны появляться вредные отходы. Учитывая, что за прошедший год с написания статьи [9] были разработаны не только угрозы, но и пути их парирования (ТП №1 и №2), можем перейти к полученным результатам, рассматривающим способы гарантированного ресурсоснабжения населённых пунктов в части подачи тепла и воды для работы системы канализации.

При этом попутно рассмотрим вопрос целесообразности защиты непосредственно электросетей в их настоящем виде, т.к. может показаться, что именно на этой задаче необходимо сконцентрировать основные усилия. Только в России имеется более 3 млн. км. ЛЭП, большая часть из которых является ЛЭП воздушного типа, которые практически полностью беззащитны к актам вандализма, хищениям и терактам, что подтверждается многолетней практикой хищения километров высоковольтных проводов, а также периодическими разрушениями их опор, как для целей хищения металла, так и для целенаправленного нарушения электроснабжения [10].

Указанные уязвимости электросетевой инфраструктуры давно оценены военными, что привело к созданию с начала простейших боеприпасов, нацеленных на электрическое замыкание оголённых высоковольтных элементов электросетевой инфраструктуры, а в последующем – к созданию высокомощных излучателей электромагнитных импульсов, в габаритах, позволяющих устанавливать их в крылатые ракеты и нацеленных на поражение электрических и электронных устройств. Примером успешности применения такого оборудования явилось поражение более 70% электросетевой инфраструктуры на населённых сербами территориях экс–Югославии в 1999 году, где США успешно использовали кассетные графитовые бомбы CBU–94/102 «Blackout Bomb», оснащённые лёгкими и компактными суббоеприпасами BLU–114/B (Рис. 6) [5].



Рис. 6. Суббоеприпасы BLU–114/B, начинённые катушками с углеродным волокном [11].

Успешность применения данных боеприпасов против Ирака в 1991 году, где было уничтожено 85% электросетевого хозяйства [11] превратила графитовые бомбы и иные виды схожего оружия в штатное средство поражения любого противника а следовательно – риск его применения необходимо учитывать при планировании развития и реконструкции инфраструктуры и разработке планов парирования ЧС. Тем более, что после применения таких суббоеприпасов требуется тщательная и сложная очистка поражённой территории, т.к. до полного удаления их нитей невозможно безаварийное включение электросетевого оборудования [5]. Высочайшая результативность применения таких боеприпасов привела к их разработке в ряде стран и есть все основания полагать, что они будут освоены в производстве и приняты на вооружение ведущими террористическими группировками которые успешно освоили и применяют не только эрзац–химоружие, такое как хлор, но и достаточно сложное оружие, как иприт и, предположительно, люизит [12].

Сама концепция уничтожения инфраструктуры была сформулирована в автобиографической работе ЛеМэем К.Е., в тот период занимавшим должность начальника штаба ВВС США: «... вбомбить в каменный век.» [сказано применительно к Северному Вьетнаму] [13], однако практика ковровых бомбардировок Германии и Японии зажигательными бомбами, унёсшая жизни на уровне полумиллиона мирных жителей, а также командование им операциями по ядерным бомбардировкам Хиросимы и Нагасаки (ещё на уровне 250 тыс. человек гражданского населения) не позволяют относиться к такому высказыванию как к конъюнктурному, а не как к стратегическому подходу [5].

Указанная концепция: «вбомбить в каменный век» была принята на вооружение практически во всех военных конфликтах, где участвовали и участвуют армии развитых стран, в связи с чем должна быть признана де–факто международным стандартом ведения боевых действий. И если пока в России существует мощная система противовоздушной обороны (ПВО), эффективное применение авиационных средств поражения (ракеты, бомбы, тяжёлые беспилотные летательные аппараты (БПЛА)) против отечественных электросетевых объектов представляется отдалённой перспективой, необходимость защиты их от диверсий с использованием в первую очередь, подготовленных террористических группировок, и, например, гражданских БПЛА, выдвигается на передний план. Этот риск увеличивают два основных фактора: гражданская война, на территории соседней Украины которая, безусловно, перекинется на территорию России в виде атак как минимум отдельных терактов, а также начало участия России в конфликте в Сирии, где наиболее опасным противником является крупнейшая террористическая группировка – Исламское государство (ИГ, запрещена в России) [5].

Технологии гарантированного теплоснабжения населённых пунктов

Как видно из Рис. 7, подача электроэнергии необходима на теплогенерирующие объекты и на большинство ЦТП и ИТП. С учётом реализации в России количественного и качественного регулирования отпуска тепла данная задача являлась нетривиальной проблемой и была рассмотрена в работах [14–16]. На основе полученных данных удалось обосновать значимость данной работы перед профильными департаментами Правительства Москвы, в результате чего был объявлен конкурс на выполнение работ «Научное обоснование технических решений... для системы локальной выработки электроэнергии в ЦТП... с использованием распределяемой тепловой энергии...». В связи с организационными изменениями, произошедшими в ДепТЭХ (Департамент топливно–энергетического хозяйства города Москвы), данный конкурс был проведён Департаментом природопользования и охраны окружающей среды города Москвы [7, с.34–35].

Помимо этого был разработан комплекс технологий, позволяющих, даже без генерации электроэнергии сделать все существующие ЦТП (только в г. Москве их более 8 500 шт.) и крупные ИТП полностью энергонезависимыми и работоспособными при блэкаутах, проблема которых поднята в работах [17; 6 и 8] (Рис. 7).



Рис. 7. Примеры уязвимостей электросетей, не способные оказать негативного влияния на реконструированную систему теплоснабжения, [18, с.5].

Производство электроэнергии с использованием некипящих сред

Ключевой технологией гарантированного энергоснабжения является технология принудительного вскипания некипящих рабочих тел (РТ) в вакуумных энергоустановках. Разработанный вакуумный термодинамический цикл позволяет вырабатывать из горячего или тёплого энергоносителя, например из сетевой воды, подогретых стоков, с использованием солнечных коллекторов, электроэнергию и конденсат. Вакуумная энергетическая установка (Рис. 8) работает следующим образом: энергоноситель, поступает в испаритель (котёл), где, при необходимости, может осуществляться подвод энергии извне (ВИЭ: солнечный коллектор, биогаз и т.п. Рис. 9) [8].

В котле, над поверхностью стока, создаётся разряжение, вызывающее, при пониженном давлении, кипение энергоносителя. Образующийся водяной пар в смеси с выделяющимися растворёнными газами и иными летучими компонентами поступает в детандер (на Рис. 3 – турбогенератор), где он совершает работу по приводу нагрузки (электрогенератора). После детандера мятый пар поступает в сухую градирню, где он конденсируется. Полученный конденсат забирается насосом для дальнейшего использования, например для нужд водоснабжения.

Обогащёнными минерально–органический остаток, если в энергоустановку подаётся минерализованная вода, или же фильтрат на осушку, если для выработки энергии используются сточные воды или продукты их переработки, удаляются из установки. Отметим, что приведённая схема демонстрирует принцип работы энергоустановки, однако фактическая схема включает в себя ряд решений, охраняемых в режиме ноу–хау, а также патентуемых аппаратно–технологических аспектов, обеспечивающих выработку электроэнергии с КПД, указанным в Таблице 1. В этой связи на Рис. 8 представлена ранняя схема ТЭЦ, использовавшаяся для создания испытательного стенда.

Наличие конденсата позволяет решить вопрос как минимум гарантированного обеспечения работы системы канализации [2], а при его доочистке или при комбинации вакуумной энергоустановки со скоростным биогазовым комплексом (переработка стоков за 24 ч.) – решить вопрос питьевого водоснабжения [19].



Рис. 8. Сокращённая принципиальная схема вакуумной энергетической установки [8].


Таблица 1. Параметры вакуумной энергетической установки в зависимости от температуры подвода и отвода тепла [8].


*) Срабатываемый теплоперепад; **) Вырабатываемая электрическая мощность-нетто; ***) Электрический КПД-нетто установки; ****) Удельная выработка электрической мощности отнесённая к расходу теплоносителя.

Данная технология была апробирована на стендовой ТЭЦ при подаче горячей воды с температурой +80 °C при температуре в конденсаторе +30 °C. Образованный теплоперепад в 50 °C между температурами подвода и отвода тепла позволил получить перепад давлений до 43 кПа, использованный, посредством детандера, для привода нагрузки. Созданная стендовая установка не предусматривала проведения точных измерений, а предназначалась для проверки возможности опреснения загрязнённых вод с попутным производством электроэнергии без необходимости использования органического топлива. В этой связи рассмотрим расчетные параметры такой вакуумной энергоустановки (Таблица 1). Для сокращения объёма таблицы примем, что энергоноситель полностью состоит из воды, а его расход составляет 10 т./ч. [8].


Рис. 9. Схема вакуумной энергетической установки по Рис. 8 с внешним подогревом [8].

В настоящее время ведётся создание опытной вакуумной энергоустановки по Рис. 9, предназначенной для работы как с чистыми, так и с загрязнёнными жидкими энергоносителями в диапазоне начальных температур +50...200 °C.

Выводы

Комплекс разработанных технологий, на базе существующих электрических, тепловых сетей, водопровода и канализации позволяет создать Умные сети, обеспечивающие кластерное резервирование ресурсоснабжения как минимум коммунальных потребителей. Характерной особенностью разработанных и отчасти апробированных решений является их простота, невысокая стоимость, возможность создания с использованием полностью отечественных комплектующих и технологий без риска использования комплектующих, которые могут подпасть под действие санкций. Возможность встраивания описанных решений в существующие сети позволяет производить постепенную модернизацию систем ресурсоснабжения, переходя от очаговой модернизации к её системной реализации [20], обеспечив повышение эффективности и прозрачности коммунального хозяйства [2; 21].

Важным аспектом является содействие научных и общественных организаций в проведении реконструкции городов России, т.к. энергетика, в особенности отечественные энергетика и смежные области, являются чрезвычайно инерционными системами, практически любые изменения в которых происходя в соответствии с известной поговоркой об атмосферном явлении и верующем мужчине.

В этой связи данная работа является не решением описанных задач а прологом к большой работе, которую целесообразно выполнить силами инновационного сообщества, частью которого является сообщество специалистов по ТРИЗ.

Литература

1. Hawkes J. London at Night // London: Merrell Publishers Ltd, 2010, 160p.
2. Велицко В.В. Ресурсосберегающая инфраструктура как условие сохранения населённых пунктов в условиях природных катаклизмов и террористических угроз // Новосибирск: Материалы II Всероссийской научной конференции с международным участием «Энерго– и ресурсоэффективность малоэтажных жилых зданий», Институт теплофизики СО РАН, 24–26.03.2015., С.419–428
3. Степанова Е.А. Государство и человек в современных конфликтах // Международные Процессы, №1(16), январь–апрель 2008 г., C.29–40
4. Щагин Э.М. (ред.) Новейшая отечественная история. XX–начало ХХI в. Книга 2, в 2–х кн. (Изд. 2–е) // М.: Гуманитар, изд. центр ВЛАДОС, 2008, 560 с.
5. Велицко В.В. Сохранение систем теплоснабжения в случае зимнего блэкаута, на примере г. Москвы (Рукопись статьи. Находится в печати.) // 24.09.2015 г.
6. Велицко В.В. Надёжность обеспечения ресурсами системы теплоснабжения–условие выживания городов России // Проза.Ру, Свидетельство о публикации №215071501025, URL: http://www.proza.ru/2015/07/15/1025 (дата обращения: 15.07.2015)
7. Велицко В.В. Тепло–жизнь города, а его отсутствие… // Коммунальщик, №9, 2015. С.30–37.
8. Велицко В.В. Прямое использование некипящих термальных вод в вакуумных бесфреоновых энергоустановках // Материалы VI Международной конференции «Возобновляемая энергетика: проблемы и перспективы», Выпуск 5, Т. 2; Материалы VIII Школы молодых учёных «Актуальные проблемы освоения возобновляемых ресурсов», Махачкала: 2015, С.323–334
9. Велицко В.В. Выявление и нейтрализация угроз государственной безопасности с применением инструментария ТРИЗ на примере угроз инфраструктурного, технологического и юридического характера // Сборник докладов международной конференции «Инструменты создания инноваций для развития предпринимательства», М.: 14–15.11.2014, С.102–107
10. Власти Крыма назвали подрыв ЛЭП терактом // РИА – Новости, 20.10.2015, URL: http://ria.ru/incidents/20151020/1305220783.html (дата обращения: 22.10.2015)
11. CBU–94 «Blackout Bomb» BLU–114/B «Soft–Bomb» // Federation of American Scientists, 07.05.1999, URL: http://fas.org/man/dod–101/sys/dumb/blu–114.htm (дата обращения 20.05.2015)
12. ИГИЛ имеет производство химического оружия. Россия настаивает на расследовании – Запад противится // Moscow Every Day, 30.10.2015, URL: http://moscoweveryday.com/posts/5264/igil_imeet_proizvodstvo_khimicheskogo_oruzhiya_rossiya_nastaivaet_na_rassledovanii_zapad_protivitsya (дата обращения 20.05.2015)
13. LeMay C.E., Kantor M.K. Mission with LeMay: My Story // New York: Doubleday and Co., 1965, 565p.
14. Велицко В.В. Применение регулируемых термодинамических циклов для утилизации низкопотенциального тепла // М.: Сборник материалов V Конференции «ТРИЗ. Практика применения методических инструментов в бизнесе», 22–23.11.2013 г.
15. Велицко В.В. Нестабильные рабочие тела в высокоэффективных циклах тепловых двигателей, применяемых для нужд децентрализованного электроснабжения // доклад на V Конференции «ТРИЗ. Практика применения методических инструментов в бизнесе», 22–23.11.2013, URL: http://www.metodolog.ru/node/1786 (дата обращения: 14.04.2014)
16. Велицко В.В., Прохоров А.И. Автономные энергоустановки на местных видах горючих и возобновляемых источниках энергии, базирующиеся на адаптивном термодинамическом цикле и системе безнагнетательной циркуляции рабочего тела // Новосибирск: Материалы II Всероссийской научной конференции с международным участием «Энерго– и ресурсоэффективность малоэтажных жилых зданий», Институт теплофизики СО РАН, 24–26.03.2015, С.271–279
17. Велицко В.В. Концепция гарантированного энергоснабжения с использованием геотермальной энергии // Грозный: Сборник докладов Международной научно–практической конференции «GEOENERGY», 19–21.06.2015, С.32–45
18. Велицко В.В. Инфраструктурные уязвимости – угроза промышленности и населению России. Способы защиты электросетей, трубопроводной инфраструктуры и потребителей // М.: Презентация к докладу на Форуме–диалоге «Промышленная безопасность – ответственность государства, бизнеса и общества», Круглый стол №3 «Актуальные вопросы в области безопасности нефтегазового комплекса», 01–02.10.2015, 10с.
19. Чумаков А.Н., Велицко В.В. Система автономного функционирования экопоселений с использованием биоотходов // М.: Коммунальщик, №6, 2015 г., С.16–21
20. Прохоров А.И. Проблемы и перспективы государственной стратегии модернизации // Сборник научных докладов Конференции «Ломоносов 2012», М.: МГУ, 2012 г.
21. Чумаков А.Н. Альтернативная энергетика России на основе возобновляемых источников энергии. Аналитический отчет // М.: Autograff, 2008 г., 174 с.


На главную страницу блога

Автономные энергоустановки на местных видах горючих и возобновляемых источниках энергии...

Все материалы данного блога предназначены для лиц старше 18 лет (18+)


Оригинал взят у samo_de1kin в Автономные энергоустановки на местных видах горючих и возобновляемых источниках энергии...


Автономные энергоустановки на местных видах горючих и возобновляемых источниках энергии, базирующиеся на адаптивном термодинамическом цикле и системе безнагнетательной циркуляции рабочего тела

© Велицко В.В., Прохоров А.И.

ООО «ОЦР Технологии», г. Москва, Российская Инженерная академия, Москва.

Статья опубликована:
Новосибирск, Материалы II Всероссийской научной конференции с международным участием «Энерго– и ресурсоэффективность малоэтажных жилых зданий», Институт теплофизики СО РАН, 24–26.03.2015, с.271–279

Аннотация

В материале показана возможность создания автономных энергоустановок (мини-ТЭЦ), использующих местные виды топлив и возобновляемые источники энергии (ВИЭ), работающих по адаптивному термодинамическому циклу, позволяющему максимально полно использовать располагаемый переменный теплоперепад между источником тепла и внешней средой, зависящий как от условий подвода тепла, так и от переменных климатических условий. Указана возможность циркуляции рабочего тела (РТ) в конуре энергоустановки без использования классических насосов или компрессоров для обеспечения его циркуляции.

В настоящее время приоритетной задачей является обеспечение энергоснабжения жизнедеятельности с, по возможности, максимальным использованием ВИЭ, в том числе таких, как солнечная и геотермальная энергия. Вторым направлением развития мини-ТЭЦ является задействование для нужд энергоснабжения местных, в том числе возобновляемых видов горючих (топлив) [1, 2], что позволит как максимально сократить плечо транспортировки горючего к месту потребления, так и сократить дополнительную эмиссию диоксида углерода в атмосферу. Примером концепции такой комбинированной мини-ТЭЦ, использующей совместно ВИЭ и местные виды горючих является мини-ТЭЦ по технологии «Heat-El», базирующаяся на модифицированном цикле Ренкина с органическим РТ, разработанная ООО «ОЦР-Технологии» (Рис. 1)



Рис. 1. Комбинированная мини-ТЭЦ, использующая ископаемые горючие и ВИЭ.


[Читать дальше...]
Аналогично комбинированному использованию ВИЭ и органических, в том числе невозобновляемых горючих, в настоящее время рассматриваются и ОЦР-установки, использующие исключительно солнечную энергию для производства электроэнергии и тепла (см. Рис. 2).



Рис. 2. Теплофикационная ОЦР-установка [2].

Ключевым требованием при разработке ОЦР-установки по Рис. 1 являлась возможность выработки электроэнергии с использованием местных видов горючих и ВИЭ с себестоимостью не выше отпускной цены энергии, реализуемой потребителям посредством централизованных электрических сетей. Это должно позволить обеспечивать конкурентоспособное электроснабжение в районах с отсутствующими электрическими сетями или с дефицитом электрической мощности, а также обеспечить конкурентоспособное энергоснабжение потребителей в районах, куда осуществляется, периодически срываемый, северный завоз [3]. При этом в районах, с наличием централизованного электроснабжения, данная технология также может быть применима, т.к. в настоящее время на постсоветском пространстве и в частности – в России, наблюдается рост системных аварий в электрических сетях, вплоть до блэкаутов [4]. Это позволит экономически эффективно вырабатывая электроэнергию, используя внешние электрические сети в качестве резервного источника энергии на период проведения на ОЦР-установке планово-предупредительных ремонтов (ППР).

Ключевыми техническими аспектами, которые должны обеспечить высокую экономичность установки по технологии «Heat-El»являются:

·  применение адаптивного термодинамического цикла, обеспечивающего максимально полное использование располагаемого эксергетического потенциала, меняющегося в основном при изменении температуры окружающей среды;
·  использование бесклапанных регулируемых насоса и детандера, позволяющих варьировать степень повышения давления рабочего тела и степень его расширения;
·  использование в качестве РТ планово-деградирующего вещества или смеси веществ, например, сжиженного пропан-бутана технического (СПБТ), что позволяет при высокотемпературном подводе тепла обеспечивать высокий электрический коэффициент полезного действия (КПД) ОЦР-установки, планомерно замещая незначительную часть РТ подвергшуюся термолизу;
·  снижение энергозатрат на привод насоса путём применения технологии бескомпрессионного нагнетания рабочего тела, что особенно в ОЦР-установках, с низкой теплоёмкостью РТ, позволяет значительно повысить электрический КПД (КПДэ) и существенно снизить как допустимый утилизируемый температурный перепад, так и нижнюю границу экономически эффективно утилизируемого тепла.

Необходимость минимизации потерь на транспорт вырабатываемых энергоресурсов (электрическая, тепловая энергия, холод) налагают требование максимального приближения источника энергии к потребителю. Такие, зачастую взаимоисключающие требования, как: использование ВИЭ; использование местных видов горючих, зачастую имеющих переменное качество и являющихся неквалифицированными горючими; переменная нагрузка по времени суток и сезону, особенно в коммунальном секторе; сложность сжигания неквалифицированных горючих в топках малого объёма и с малым временем пребывания продуктов сгорания в котле; малая потребная единичная мощность мини-ТЭЦ, что особенно актуально для индивидуальной жилой застройки и т.п., налагают ряд взаимоисключающих требований к перспективным энергоустановкам.

Задача использования солнечной и геотермальной энергий, а также возможность сжигания местных видов горючих, таких как растительная биомасса, в том числе - древесные отходы, торф и т.п. может эффективно решаться с использованием мини-ТЭЦ с внешним подводом тепла работающих по циклам Ренкина, преимущественно по органическому циклу Ренкина (ОЦР), Стирлинга и Калины.

Не разбирая отдельно сильные и слабые стороны каждого из вышеуказанных термодинамических циклов следует отметить их общую слабую сторону – эти циклы обеспечивают максимальную экономичность только при фиксированном теплоперепаде между нагревателем и охладителем. Для примера возьмём ОЦР-установку, схема которой показана на Рис. 3.



Рис. 3. ОЦР-установка [5].

ОЦР-установка по Рис. 3 состоит из подогревателя (котла-утилизатора) Е-100, рекуперативного теплообменника Е-101, нагнетателя (насоса) Р-100, детандера К-100 и градирни АС-100. Жидкое РТ поступает потоками 1 и 2, частично или полностью парообразное или газообразное РТ – потоками 3 – 6. Мощность, подводимая к нагнетателю отмечена N1, а мощность, выдаваемая детандером – N2. Внешнее тепло подводится и, соответственно отводится от подогревателя потоками теплоносителя 7 и 8. Блоки t1 и t2 задают перепады температур и не являются физическими потоками [5].

При изменении условий подвода тепла, например, при изменении калорийности топлива или меньшей интенсивности нагрева солнечного коллектора может снизиться температура нагрева РТ в подогревателе (Е-100). Однако для обеспечения получения максимальной работы в энергоустановке, РТ в подогреватель (Е-100) оптимально подавать с максимальным давлением, при котором ещё будет обеспечиваться его вскипание (естественно, рост механического КПД энергоустановки не линеен от степени приближения фактического давления в подогревателе к теоретически-обоснованному). В результате, при проектировании энергоустановок в качестве базового условия учитывается требование работы энергоустановки при минимальной допустимой температуре в подогревателе (Е-100). Это означает, что при использовании более качественных видов топлив и более интенсивной солнечной радиации в достаточной мере не используется увеличивающийся эксергетический потенциал между подогревателем и охладителем, т.к. РТ подаётся в подогреватель (Е-100) с давление меньшим, чем оптимальное давление при фактически достижимой температуре подогрева.

Аналогичная ситуация складывается и при снижении температуры окружающего воздуха. При отсутствии необходимости полного использования вырабатываемой тепловой энергии на нужды теплофикации, тепловая энергия полностью или частично отводится во внешнюю среду с использованием холодильника, например, градирни (АС-100). Ключевым требованием для энергоустановки, использующей РТ в жидкой фазе, является полная конденсация РТ в холодильнике. При отсутствии конденсации РТ в холодильнике, РТ будет поступать на всас нагнетателя (Р-100) в виде, как минимум двухфазной среды, что может привести к неработоспособности нагнетателя, а также приведёт к увеличению его потребляемой мощности, затрачиваемой на компримирование паровой или газовой фазы РТ.

В этой связи термобарические условия полной конденсации РТ в градирне (АС-100) определяются самым жарким периодом года. Учитывая что среднегодовая температура на 20 – 30 ºС и более ниже максимальной годовой температуры, существующие энергоустановки и здесь работают с заниженным КПДэ, что обусловлено не полным использованием располагаемого эксергетического потенциала между фактическими температурами подвода тепла к РТ в подогревателе и овода от него тепла в холодильнике.

Данная задача может быть успешно решена с использованием разработанного адаптивного термодинамического цикла, позволяющего в реальном времени отслеживать температуру подвода тепла к РТ в подогревателе и температуру отвода тепла от РТ в охладителе и в зависимости от них изменять степень повышения давления нагнетателя (Р-100) и степень расширения РТ в детандере (К-100). Это позволяет максимально полно использовать располагаемый эксергетический потенциал и увеличить среднегодовую выработку электроэнергии. Например, для двухконтурной ОЦР-установки (Рис. 4), первый контур которой заполнен аммиаком, а второй – изопентаном (оба рабочих тела являются рекомендованными к применению природными хладагентами), максимальный КПДэ составит 39%, среднегодовой, в зависимости от климатической зоны – 35 – 36%, тогда как без применения адаптивного цикла КПДэ составит 32% [5].



Рис. 4. Двухконтурная ОЦР-установка [5].

На основе созданного адаптивного ОЦР-цикла разработана проектная документация на ОЦР-установку для энергоснабжения коттеджей (Рис. 5).



Рис. 5. Двухконтурная ОЦР-установка «Heat-El Micro» электрической мощностью 10 кВт, тепловая мощность 15 кВт.

На базе ОЦР-установки по Рис. 5 ООО «ОЦР Технологии» совместно с ООО «МАЭН» разработана схема подключения ОЦР-установок, являющихся блочными теплоутилизационными энергетическими комплексами (БУТЭК), предназначенными для энергоснабжения промышленных потребителей, в частности – газоперекачивающих агрегатов (ГПА). БУТЭК и схема его  включения в состав ГПА представлены на Рис. 6.



Рис. 6. БУТЭК на базе ОЦР-установки, предназначенный для обеспечения собственных нужд (СН) линейного ГПА.

Одной из сфер применения ОЦР-установок, использующих в своей работе адаптивный цикл является работа в составе водогрейных котельных, центральных и индивидуальных тепловых пунктов (ЦТП и ИТП). Особенностью функционирования системы теплоснабжения в России является количественное и качественное регулирование отпуска тепла. Если количественное регулирование при фиксированной температуре теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах теплотрассы не представляет сложности для работы ОЦР-установки, то качественное регулирование определяется тепловым графиком, по которому существенно изменяется температура как минимум в подающем трубопроводе теплотрассы. При этом величина изменений температуры такова, что ОЦР-установка нерегулируемого типа, не всегда будет работоспособна. Пример встраивания ОЦР-установки в состав ЦТП показан на Рис. 7.



Рис. 7. Схема включение ОЦР-установки в состав ЦТП [7].

Применение данных решений позволит повысить надёжность фукционирования системы энергоснабжения России и повысить энергетическую безопасность, снизить выбросы вредных веществ при неэффективном производстве электроэнергии (только для г. Москвы снижение выбросов NOx составит не менее 250 тонн в год) и повысит инфраструктурную безопасность населённых пунктов, которая, в настоящее время, имеет крайне низкую степень защиты [6].

В основу ОЦР-установок положены бесклапанные объёмные детандеры и насосы, обеспечивающие возможность регулирования рабочих фаз (впуск, нагнетание или сжатие, расширение) [5, 8].

Важной ключевой технологией, позволяющей создавать высокоэффективные локальные энергоустановки, использующие неквалифицированные горючие и ВИЭ является технология применения планово-деградирующего, в процессе эксплуатации энергоустановки, РТ [7]. Это связано с необходимостью использовать максимально высокую начальную температуру подвода тепла, тогда как применение высокостабильных РТ зачастую ограничивается либо их высокой стоимостью, либо –опасностью, либо – сложностью применения, обусловленной их агрессивностью и/или высокими рабочими давлениями (аммиак, диоксид углерода и т.п.). Например, применяемые органических РТ в простом цикле при начальной температуре (НТ) до +300 °С обеспечивают КПДэ не более 29% (см. Рис. 8).



Рис. 8. Значения максимального КПДэ ОЦР с регенеративными ТО в зависимости от применяемого РТ [9].

Интенсивное разложение наблюдается у углеводородов, таких как С3 – С6, которые могли бы, исходя из своих теплофизических характеристик, применяться в качестве высокотемпературных РТ, т.к. дегидрирование алканов интенсифицируется, например, на хромсодержащих и никельсодержащих катализаторах, а это означает, что прекрасным катализатором для разложения РТ будет являться трубопроводный контур, выполненный из жаропрочных хромоникелевых сплавов.

Применение планово-деградирующего РТ позволяет обойти данное ограничение тем, что РТ вырабатывается непосредственно в энергоустановке из компонента горючего (например пропан или бутан, получаемые из СПБТ), дёшево, доступно и, после разложения, утилизируется в качестве компонента горючего при работе энергоустановки. Это позволяет существенно, как минимум до +500...550 °С поднять температуру подвода тепла к РТ в подогревателе, а при реализации дополнительных мероприятий ещё более поднять данную температуру. В результате реальная ОЦР-установка, в конденсационном режиме может обеспечивать КПДэ на уровне 45%, а в теплофикационном – на уровне 38...40%.

Значительную сложность при повышении КПДэ ОЦР-установок представляет из себя относительно низкая (в сравнении с водой) теплоёмкость используемых РТ (см. Рис. 9). Это приводит к тому, что, при аналогичных условиях подвода и отвода тепла для производства того же количества работы, как и в паросиловой установке, работающей по классическому циклу Ренкина, в ОЦР приходится прокачивать гораздо большее количество РТ. В результате, затраты энергии на работу нагнетателя в ОЦР-установке с единиц процентов (цикл Ренкина) возрастают до десятков процентов (ОЦР).



Рис. 9. T-S диаграмма для органического РТ и воды [10].

Эта задача может быть решена применением технологии безкомпрессионного нагнетания РТ, позволяющей на десятки процентов, вплоть до более, чем 50% снизить работу, потребную для привода нагнетателя РТ ОЦР-установки. Данное решение является компонентом разработанного нового термодинамического цикла [4, 11-14], в настоящее время являющегося ноу-нау разработчика, позволяющего экономически эффективно использовать как сверхмалые перепады температур (в десятки градусов Цельсия), так и уменьшить нижний порог утилизируемых температур менее +70 °С.

Выводы

С применение вышеописанного комплекса технологий имеется возможность создать высокоэффективные энергоустановки, работающие как с использованием ВИЭ, так и с использованием местных видов горючих, а также квалифицированных горючих (ископаемый природный газ, СПБТ, мазут и т.п.). Все вышеуказанные технологии могут реализовываться и по отдельности, однако совместно они позволяют получить синергетический эффект в виде технологии создания мини-ТЭЦ, работающих с использованием солнечной, геотермальной энергий, низкосортных местных топлив (сланцы, торф, биомасса и т.п.), обеспечивающей КПДэ на уровне не менее 50%.

Это позволит обеспечить создание комфортных условий жизни и работы населения в зонах современного северного завоза, Дальнего востока, а также в районах крайнего севера, обеспечив стабильное энергоснабжение не зависящее от условий навигации, а также осуществлять разработку, обогащение и переработку неиспользуемых минерально-сырьевых ресурсов, использование которых в настоящее время ограничивается сложностью логистики энергоносителей. В более широко смысле предлагаемая технология может являться одним из ключевых элементов ввода в активный оборот неиспользуемых территорий России, активизации на них хозяйственной деятельности, оживления сельского хозяйства в депрессивных регионах и обеспечение ввода под коттеджное строительство территорий не имеющих энергетической инфраструктуры.

Дополнительными эффектами будет являться создание новых рабочих мест в промышленности, т.к. потенциальный спрос на микро-ТЭЦ бюджетного уровня в ближайшие годы может составить десятки тысяч штук в год, а также, с использованием мультипликативного эффекта, создание новых рабочих мест в смежных хозяйственных отраслях.

Литература

1.     Кукушкин С.А., Велицко В.В., Краснов А.Г. Организация производства концентраторных солнечных электростанций, комбинированных с паросиловым циклом // Содействуя экономическому развитию России. Проекты международного общественного фонда «Фонд содействия экономическому развитию им. Байбакова Н.К.» за 1996-2011 гг., М., Нефть и газ, 2011, с.144-146.
2.     Navarro-Esbrí J., Peris1 B., Collado R., Molés F. Micro-generation and micro combined heat and power generation using «free» low temperature heat sources through Organic Rankine Cycles // International Conference on Renewable Energies and Power Quality (ICREPQ’13) Bilbao (Spain), 20-22.03.2013, Renewable Energy and Power Quality Journal (RE&PQJ), №11, 03.2013.
3.     Таюрский В. Улусы спасает тушенка. Якутские чиновники сорвали северный завоз // М., Российская газета, №6302 от 11.02.2014 г.
4.     Велицко В.В. Реконструкция котельных в мини-ТЭЦ и снижение потребления электроэнергии на транспорт тепла в водогрейных котельных // Содействуя экономическому развитию России. Проекты международного общественного фонда «Фонд содействия экономическому развитию им. Байбакова Н.К.» за 1996-2011 гг., М., Нефть и газ, 2011, с.124.
5.     Велицко В.В. Применение регулируемых термодинамических циклов для утилизации низкопотенциального тепла // Сборник материалов V Конференции "ТРИЗ. Практика применения методических инструментов в бизнесе", М., 22-23.11.2013 г.
6.     Велицко В.В. Выявление и нейтрализация угроз государственной безопасности с применением инструментария ТРИЗ на примере угроз инфраструктурного, технологического и юридического характера // Сборник докладов международной конференции «Инструменты создания инноваций для развития предпринимательства», М., 14-15.11.2014, с.102-107.
7.     Велицко В.В. Нестабильные рабочие тела в высокоэффективных циклах тепловых двигателей, применяемых для нужд децентрализованного электроснабжения // Интернет: http://www.metodolog.ru/node/1786
8.     Краснов А.Г., Велицко В.В. Системы накопления энергии как элемент инфраструктуры эко-полиса // Сборник материалов ХI Международной конференции «Государственное управление: Российская Федерация в современном мире» 30.05-01.06.2013, Секция «Урбанизация – «Экополис XXI века»: теория, практика, сценарии, модели», МГУ им. М.В. Ломоносова, Факультет государственного управления.
9.     Vankeirsbilck I, Vanslambrouck B., Gusev S, Michel De Paepe Energetical, Technical and Economical considerations by choosing between a Steam and an Organic Rankine Cycle for Small Scale Power Generation // ORC 2011, First International Seminar on ORC Power Systems In memory of Prof. G. Angelino, Delft, 23.09.2011, Интернет: http://www.readbag.com/orc2011-nl-uploads-file-presentations1-energetical-technical-and-economical-consideration-by-choosing-between-a-steam-and-orc-for-small-scale-power-generation
10.  Karellas S., Schuster A., Supercritical Fluid Parameters in Organic Rankine Cycle Applications // International Journal of Thermodynamics, Vol.11 (№3), 08.2008, pp.101-108.
11.  Велицко В.В. Тепловой двигатель с термодинамическим циклом без предварительного сжатия и КПД более 50% // Содействуя экономическому развитию России. Проекты международного общественного фонда «Фонд содействия экономическому развитию им. Байбакова Н.К.» за 1996-2011 гг., М., Нефть и газ, 2011, с.128-129.
12.  Велицко В.В. Реконструкция котельных в мини-ТЭЦ и снижение потребления электроэнергии на транспорт тепла в водогрейных котельных // Содействуя экономическому развитию России. Проекты международного общественного фонда «Фонд содействия экономическому развитию им. Байбакова Н.К.» за 1996-2011 гг., М., Нефть и газ, 2011, с.130.
13.  Велицко В.В. Высокоэкономичные мини-ТЭЦ для работы на местных топливах // Содействуя экономическому развитию России. Проекты международного общественного фонда «Фонд содействия экономическому развитию им. Байбакова Н.К.» за 1996-2011 гг., М., Нефть и газ, 2011, с.137.
14.  Велицко В.В. Бескомпрессионный трубопроводный транспорт природного газа, нефти и нефтепродуктов // Содействуя экономическому развитию России. Проекты международного общественного фонда «Фонд содействия экономическому развитию им. Байбакова Н.К.» за 1996-2011 гг., М., Нефть и газ, 2011, с.131-132.


На главную страницу блога

Волга

Все материалы данного блога предназначены для лиц старше 18 лет (18+)


В случае разрушения плотин на волжских водохранилищах, по руслу реки пойдет огромная волна шириной до 100 км.

Вообще с утилизацией своих отходов люди пошли по неправильному, губительному и преступному пути – сливать отходы в реки, служащие им источником питьевой воды. Настало время придумать иную схему утилизации стоков – без сброса их в реки. Например, после очистки стоков направлять их на обширные фильтрационно-испарительные биологические поля, куда высаживать специальные плавающие водоросли, способные на 99% очищать сточные воды (например, эйхорнию – речной гиацинт), а очищенную таким образом воду направлять на выращивание лесов. В результате и стоки будут утилизированы, и леса зашумят вокруг городов.

«Рекомендации Общественной палаты России» от 26.09.2012г.: «Правительству России: 4.3. Разработать и принять программу поэтапного спуска водохранилищ, приведения русел рек после спуска водохранилищ в естественное состояние рекультивации и восстановления земель дна спущенных водохранилищ».


Волгу надо вернуть России


Январь 14, 2016

Великая русская река Волга подошла сегодня к краю своей гибели. Пришла пора заняться ликвидацией плотин и возвратом Волги в её первоначальное состояние, считает Александр Сулименко, старший преподаватель Астраханского технического университета. Свои доводы он изложил в статье, написанной специально для сайта «Плотина.Нет!».

[Читать дальше...]
Волжская экосистема в связи со строительством Волго-Камского каскада ГЭС за 50 лет превращена в цепь заболоченных водохранилищ. Гидроэлектростанции, создание которых на Волге началось в первой половине XX века, имели тогда решающее значение в подъёме индустриализации нашей страны. Но сегодня обстоятельства кардинальным образом изменились – энергетика страны шагнула далеко вперёд. Мощность всего волжского каскада ГЭС составляет всего 3% генерируемой мощности в стране.

Второй целью строительства плотин было создание глубоководных путей для волжского речного флота. Но и эта их функция сегодня утратила своё значение. В настоящее время объём речных перевозок составляет менее 1% от транспортного перемещения грузов по всей стране, если считать по всем рекам России. По Волге – значительно меньше. Кроме того, согласно расчетам руководителя НП «Национальный центр водных проблем», доктора технических наук В.Н.Кривошея, себестоимость речных перевозок сегодня на 30-35% выше себестоимости перевозок по железной дороге. Так что грузовой речной флот в конкурентной борьбе окончательно проиграл сухопутному транспорту, и его значение для экономики страны будет теперь только уменьшаться.

Надо сказать, что с ликвидацией плотин речной грузовой и пассажирский флот не исчезнут. Просто суда надо будет строить такие, какие позволяет река в своём естественном состоянии. И уж как-нибудь свой 1% грузов такой флот перевезёт. Ведь и до возведения плотин по Волге ходили грузовые баржи и большие двухпалубные пассажирские пароходы. Такие пароходы можно будет строить и сейчас для перевозки туристов и пассажиров. Туристам ещё комфортнее будет на небольших теплоходах. Один только возрожденный круизный туризм по Волге будет приносить миллиардные доходы. Уверен, круиз по восстановленной красивейшей реке будет пользоваться величайшим спросом!

Гидроэнергетики утверждают, что плотины-де защищают Поволжье от «губительных наводнений». Это утверждение – миф для непосвящённых людей. На самом деле, перегородив Волгу каскадом плотин, их создатели устроили постоянные искусственные наводнения гораздо большего масштаба, чем природные. Из-за этого пришлось переселить в степь тысячи береговых поселений и городов, а оставшиеся на месте города испытывают постоянное «губительное» подтопление. Для защиты городов от волжсктх паводков достаточно было возвести ограждающие дамбы, как это сделано, к примеру, в Астрахани. А прибрежные сёла на Волге всегда стояли на берегу поймы в таких местах, куда паводок никогда не доставал.

В то же время сегодня для поддержания судоходных глубин для умирающего речного флота водохранилища на Волге держатся постоянно максимально наполненными, и если случится большой паводок, то воде будет некуда деваться – и вот тогда водохранилища действительно могут выйти из берегов и затопить города и поселения, как это случилось на Амуре в 2013 году.

Гидроэнергетики также утверждают, что ГЭС на Волге выполняют компенсационные функции в Единой энергетической системе страны. То есть гидроагрегаты на ГЭС можно быстро остановить , закрыв гидрозатворы, когда потребление электроэнергии уменьшается, и быстро их открыть, когда, наоборот, потребление возрастёт. Да, ГЭС выполняли такую роль, когда общий объём электроэнергии в стране был значительно меньше. Но сегодня этих 3% электроэнергии, генерируемых на волжском каскаде ГЭС, всё равно не хватает для компенсации, доходящей до 25%, всё равно приходится останавливать или запускать агрегаты на многочисленных ТЭЦ по стране. Сегодня в России всё больше внедряются газотурбинные электростанции, энергоагрегаты которых можно так же быстро остановить или запустить при необходимости.

Утверждается также, что водохранилища якобы необходимы для водоснабжения крупных городов Поволжья. Это тоже миф гидроэнергетиков. Такие города, как Астрахань, да и Волгоград, берут воду не из водохранилищ, а из Волги. Подсчитано, что водопотребление всех жителей Поволжья – это 67 миллионов человек при норме 160 литров в сутки на человека – составляет всего 4 куб.км. Руководитель Федерального агентства водных ресурсов М.В. Селивёрстова называет другую цифру: 10% - это 25куб.км волжского стока, но всё равно Волга несёт в Каспий ежегодно 251 куб.км. Так что воды в Волге хватит и без водохранилищ.

Что касается городских водозаборов, то при ликвидации водохранилищ достаточно трубу водозабора 800 мм продлить до основного русла Волги – и проблема решена. Такие водозаборы существуют в Астрахани и в Волгограде: там забор воды идёт не из водохранилища, а из реки.

Волжане веками жили по берегам Волги, и у них сложился определённый гармоничный уклад жизни, тесно связанный с рекой. Волга каждый год весной разливалась в паводок, затапливала обширные пойменные луга, оставляя после паводка на этих лугах природное удобрение - так называемый «наилок». А когда паводок сходил, в лугах бурно произрастал густой сочный травостой – прекрасный корм для домашних животных. Урожайность сена в среднем была 30-60 центнеров с гектара луга. Таким образом, 1 гектар обеспечивал на год кормом одну голову крупного рогатого скота. Площадь затопленных водохранилищами пойменных лугов учёные называют в 25 тысяч квадратных километров (это территория Крыма) – это 2,5 миллиона гектаров. На этих лугах можно содержать 2,5 миллиона коров – это ли не существенный вклад в продовольственную безопасность и импортозамещение России?

То, что плотины уничтожили всю волжскую рыбу, которой Волга давала до плотин (20% от всей речной рыбы в России) - это уже всем ясно, даже не нужно никаких доказательств. До строительства волжских плотин (в 1930-е годы) в Волге добывалось 614 тысяч тонн рыбы, в том числе 40 тыс.т. осетровых; 200 тыс.т. волжской сельди (кстати, крупнейшей в мире) и 374 тыс.т. прочего частика. Сегодня эти уловы составляит всего 40 тыс.т., причём осетровых и сельди практически ноль. Плотины наглухо перекрыли нерестовые пути и уничтожили естественные нерестилища волжским проходным рыбам. Если эти уловы в Волге восстановить (а для этого надо ликвидировать все плотины), то стоимость одной только рыбы вдвое превысит стоимость получаемой сегодня на ГЭС электроэнергии, не говоря уже всё о тех же продовольственной безопасности и импортозамещении России.

Гидроэнергетики, правда, ссылаются на то, что в плотинах существуют так называемые «рыбопропускные устройства». Дескать, эти устройства пропускают рыбу через плотины в водохранилища, и она там нерестится. Это тоже миф, чтобы не сказать – наглая ложь. Никакой рыбоподъёмник не поднимет рыбу на 24 метра вверх. Её можно только поймать сетью в нижнем бьефе перед плотиной и пересадить в водохранилище (были и такие попытки). Но рыба там нереститься не сможет никак. Для нереста проходной рыбе необходимы: быстрое течение чистой, насыщенной кислородом воды и чистое каменисто-галечное дно, чего в водохранилищах давно нет. Дно там зарастает илом, а стоячая тухлая вода заросла синезелёными водорослями, которые съели в ней кислород.

И, наконец, качество воды. Практически стоячая вода в водохранилищах – это мертвая вода. В ней бурно развиваются ядовитые синезелёные водоросли. Вода, что называется, «цветёт», покрывая всю поверхность водохранилища сплошным слоем зелёной каши. Эта каша с волжских водохранилищ доплывает, между прочим, уже до самой Астрахани (за 500 километров). Эта зелёная каша съедает в воде последний кислород и отравляет воду продуктами своего разложения. От этого всё чаще в водохранилищах случаются массовые рыбные «заморы», рыба попросту гибнет. А мы, замечу, пьём эту самую воду – другой у нас нет. Всё труднее становится очищать эту воду до питьевого качества, и дело идёт к тому, что скоро её вообще невозможно будет очистить. А 50 лет назад волжане пили воду прямо из реки.

Третьей проблемой Волги (и не меньшей, чем ликвидация плотин) является необходимость прекращения сброса в Волгу канализационных бытовых и промышленных стоков. Дело в том, что количество воды в Волге относительно постоянно, а количество стоков, сбрасываемых в Волгу, постоянно растёт (растут города, появляются всё новые предприятия, улучшается инженерное обустройство жилья). И рано или поздно настанет такой момент, когда даже такая река, как Волга, перестанет справляться с разбавлением этих стоков. С полным основанием можно сказать, что сегодня такой момент уже настал. Дальше будет только ещё хуже. Действительно, ведь никому в голову не придёт, чтобы в селе, где берут воду из колодца, сливать в эти колодцы свои помои. Так почему же мы именно это делаем с Волгой?

Вообще с утилизацией своих отходов люди пошли по неправильному, губительному и преступному пути – сливать отходы в реки, служащие им источником питьевой воды. Настало время придумать иную схему утилизации стоков – без сброса их в реки. Например, после очистки стоков направлять их на обширные фильтрационно-испарительные биологические поля, куда высаживать специальные плавающие водоросли, способные на 99% очищать сточные воды (например, эйхорнию – речной гиацинт), а очищенную таким образом воду направлять на выращивание лесов. В результате и стоки будут утилизированы, и леса зашумят вокруг городов.

Последний аргумент у создателей плотин и водохранилищ – дескать, нужен запас речной воды для стабильного водоснабжения промышленности и сельского хозяйства. Создавать такие запасы можно и не перегораживая реку плотинами. Река Волга – равнинная река, и у нас за левым берегом – обширнейшие заволжские степи. Отгородите любой кусок степи дамбами и заполняйте в паводок эту ёмкость водой из Волги. Хватит до следующего паводка, а там повторите заполнение.

Все перечисленные меры по возрождению Волги, конечно, потребуют огромных капитальных вложений, но они не одномоментны, средства можно вкладывать постепенно столько, насколько способна экономика страны. Но начинать эту работу совершенно необходимо – иного пути просто нет. Тем более необходимо начать возрождать Волгу в преддверии 2017 года – года экологии.

Сегодня, напомню, уже существуют «Рекомендации Общественной палаты России» от 26.09.2012г., где конкретно сказано:


«Правительству России: 4.3. Разработать и принять программу поэтапного спуска водохранилищ, приведения русел рек после спуска водохранилищ в естественное состояние рекультивации и восстановления земель дна спущенных водохранилищ».


Чего ещё конкретнее? Почему не выполняются эти рекомендации? Мы для чего выбирали Общественную палату РФ?

Таким образом, настала пора освобождать Волгу от плотин, возвращать её России в первозданном виде. И тогда возрождённое былое рыболовство, возвращённые в сельхозоборот плодороднейшие земли волжской поймы, развитие туристического бизнеса, использование адаптированного водного транспорта, потребление чистой волжской воды для питья - всё это многократно перевесит получение 3% электроэнергии и перевозку 1% грузов глубокосидящими судами.

А самое главное и самое ценное: ликвидация плотин на Волге позволит восстановить жителям Поволжья отобранный у них тысячелетний уклад жизни.


На главную страницу блога

Зимний блэкаут: как сохранить системы теплоснабжения мегаполисов, Часть 1

Оригинал взят у samo_de1kin в Зимний блэкаут: как сохранить системы теплоснабжения мегаполисов, Часть 1


Зимний блэкаут:
как сохранить системы теплоснабжения мегаполисов


Часть 1 из 2

© В.В. Велицко, генеральный директор ООО «ОЦР Технологии»
Статья опубликована: журнал Коммунальщик, №1, 2016. С.9–21


В статье рассмотрены вопросы гарантированного функционирования систем теплоснабжения населенных пунктов при зимних блэкаутах природного или террористического характера. Отмечены фундаментальные риски, упускаемые специалистами-энергетиками, разрабатывающими как методики защиты систем теплоснабжения, так и методики осуществления таких терактов на электросетевых и генерирующих мощностях, и распространяющих их через сети Интернет и I2P. Даны рекомендации, актуальные как для России, так и для других развитых стран со сложной энергетической инфраструктурой, по комплексной защите системы теплоснабжения и последующей ее трансформации в Умные сети (Smart Grid) не только применительно к электросетям, но и к тепловым, газовым сетям, к системе водоснабжения и водоотведения. Данная работа выполнена на примере Москвы.

Ключевые слова: инфраструктурная безопасность, теплоснабжение, блэкауты, последствия терактов, энергетическая инфраструктура, Умные сети, пилотный проект.



Рис. 2. Частичная работа типовой системы теплоснабжения города в условиях блэкаута, где: ИПГ — ископаемый природный газ, ТЭ — тепловая энергия, ЭЭ — электроэнергия


Под угрозой
Одной из самых холодных стран в мире является Россия. В нашей стране среднегодовая температура составляет –5,5 °С. Большое население (9-е место в мире) при его низкой плотности (181-е место в мире) обусловливают наличие протяженной коммунальной инфраструктуры, а обладание крупнейшими распределенными производственными и ресурсными базами требует обеспечения проживания населения и ведения им хозяйственной деятельности на всей территории страны. Учитывая, что низкие среднегодовые температуры характерны для многих крупных городов и агломераций, таких, например, как Красноярск, Новосибирск, Пермь, Челябинск, население которых превышает 1 млн человек (рис. 1), задача сохранения функциональности населенных пунктов при чрезвычайных ситуациях (ЧС), угрожающих системам отопления, является условием национальной безопасности страны.

[Читать дальше...]
При прекращении теплоснабжения в отопительный сезон, длящийся в России от 5...7 и до 11...12 месяцев в году в наиболее холодных регионах, города (особенно при отрицательных температурах) перестанут быть приспособленными для жизни, а спектр негативных эффектов может варьироваться от крупного материального ущерба до гуманитарной катастрофы. Например, в ценах 2005 года, по предварительным оценкам Ростехнадзора, бюджетам Москвы и Московской области, а также ОАО «РЖД» был нанесен ущерб в размере 7,86 млрд руб. [17] от блэкаута, в результате которого 25 мая 2005 года остались без электроснабжения всего около 26 % потребителей [10]. Учитывая индексацию цен, а также вероятность того, что один из блэкаутов на территории Московского региона случится в ближайшую зиму, средневзвешенный комплексный ущерб от него может составить от сотен миллиардов до триллионов рублей в день при первом же блэкауте. При последующих зимних блэкаутах ежедневный ущерб может быть и менее 1 трлн руб. в день, так как основная часть теплоснабжающей инфраструктуры уже будет уничтожена. В этой связи практически любые затраты на минимизацию последствий блэкаутов, так как их полное предотвращение практически невозможно при сохранении существующей системы ресурсоснабжения населенных пунктов [8] на фоне последствий коллапса коммунальной и производственной инфраструктур, являются минимальными.

Достигнутый на 23 декабря 2015 года трехлетний антирекорд по одновременному выводу в ремонт во время отопительного сезона 7,2 ГВт (на уровне 3 % установленной мощности) генерирующих мощностей в Единой энергосистеме [6] свидетельствует о недостаточных или несвоевременных планово-предупредительных ремонтах (ППР), выполнявшихся в неотопительный сезон. Это также снижает надежность энергосистемы при разрушении внутрисетевых связей.



Рис. 1. Карта основной части России с указанием линий равного числа дней в году со среднесуточной температурой ниже –30 °С [19]

Данная проблема постепенно осознается региональными властями. Например, Правительство Москвы поставило задачу резервного энергоснабжения коммунальных потребителей с использованием мобильных электрогенераторов, приобретаемых управляющими организациями [11]. Хотя данное решение вызывает нарекания своим несоответствием действующему законодательству [9], а также является практически бессмысленным с технической точки зрения защиты при зимнем блэкауте, его можно только приветствовать: руководство столицы хотя бы обратило внимание на данную проблему, являющуюся, с учетом климата, реальной угрозой существованию города.

Есть ли на территории России крупные города, которым не угрожают последствия зимних блэкаутов? Даже в таких традиционно считающихся теплыми городах, как Краснодар, Симферополь или Калининград, температура самой холодной пятидневки составляет от –18 °С до –23 °С. А учитывая, что вероятность, как будет показано далее, попадания блэкаута именно на этот период предельно высока, получаем, что в России полностью отсутствуют крупные города, для которых допустим зимний блэкаут.

Болевые точки системы теплоснабжения
Теплоснабжение коммунальных потребителей (рис. 2, для упрощения представлен только жилой сектор) может осуществляться с использованием теплоэлектроцентралей (ТЭЦ), котельных, локальных, например, крышных котельных и мини-ТЭЦ. Распределение тепла осуществляется с использованием тепловых пунктов (ТП), а именно центральных и индивидуальных ТП (ЦТП и ИТП). Также часть потребителей получает тепло непосредственно от теплогенерирующих объектов. Топливоснабжение теплогенерирующих объектов обычно осуществляется посредством магистральных газопроводов, и иногда — с использованием резервного топлива. Электроснабжение — преимущественно от внешних электрических сетей. Для более точного понимания сути процесса на рис. 2 не показаны прочие инфраструктурные элементы, такие как водопроводные сети, силовые подстанции и т. п.

Как показано на рис. 2, при масштабном прекращении электроснабжения происходит как минимум частичное прекращение выработки или отпуска электроэнергии (пораженные коммуникации показаны прерывистыми линиями). Частичное теплоснабжение может сохраниться только на объектах, снабжаемых теплом напрямую от мини-ТЭЦ или ТЭЦ, которым удастся сохранить относительно стабильную работу турбогенераторов (газотурбинные (ГТУ) и паротурбинные (ПТУ) установки) в условиях неприемлемо-низких нагрузок и в условиях отсутствия внешней электрической сети, стабилизирующей частоту вырабатываемой ими электроэнергии. Все остальные объекты, практически со стопроцентной вероятностью, особенно снабжаемые теплом посредством ЦТП и ИТП с разделенными тепловыми контурами, вымерзнут.

Такая ситуация является неприемлемой, в связи с чем необходимо, выявив основные риски и механизмы прекращения теплоснабжения, разработать алгоритм их предупреждения. Для этого рассмотрим основные группы причин, которые могут привести к вымораживанию потребителей (рис. 3). К ним относятся:
• внешние (относительно системы теплоснабжения) факторы природного и техногенного характера, которые ограничивают подачу первичных ресурсов, таких как горючее, электроэнергия и теплоноситель — вода;
• внутренние техногенные факторы, связанные с отказами любых компонентов системы теплоснабжения;
• человеческий фактор, который может относиться как к внешним, так и к внутренним факторам или же к их комбинации;
• военные действия и саботаж.

Какие же из указанных факторов необходимо рассматривать в качестве критических, способных нанести сильный ущерб при невозможности на них повлиять традиционными методами?


Рис. 3. Причины аварий в системе теплоснабжения

Внутренние техногенные факторы
Сразу же отбросим внутренние техногенные факторы, так как они практически всегда могут быть устранены привлечением необходимых инвестиций, участвовать в которых существующая законодательная база вполне успешно обязывает потребителей.
При этом на постсоветском пространстве обеспечение рентабельности ресурсоснабжения даже не требуется, так как оно является социально значимым направлением бизнеса. То есть поставщики ресурсов, осуществляя планово-убыточную деятельность, успешно получают дотации в различных формах и прекращать ее не собираются. Там где отсутствуют дотации — законодательство бывших советских республик, например, в Прибалтике, практически исключает возможность законным образом отказаться от внешнего снабжения тепловой энергией, и, допустим, перейти на энергоэффективные технологии или же предлагает использовать возобновляемые источники энергии (ВИЭ).

Внешние факторы
Из рассмотрения внешних факторов исключим перебои с поставками горючего, так как основные объемы производства тепла, по крайне мере в России, осуществляются с использованием ИПГ или угля. Как показано в [8], поставка ИПГ является наиболее надежной, а угля — инвариантной, позволяя осуществлять его логистику различными видами транспорта, а при необходимости — переходить на иные виды жидкого или твердого горючего топлива. Также отбросим проблемы с поставкой воды, потому что первичная вода для нужд производства тепла может быть практически любого качества, а при умеренных утечках в теплотрассах ее поставка возможна автотранспортом.

Внешним фактором, непосредственно на который мы не можем влиять, являются природные катаклизмы — следствие экстремального глобального изменения климата, сопровождающегося ростом амплитуды природных явлений и увеличившейся частотой ее проявлений:
• переход дождя в ледяной дождь или ураган, ветра — в бурю;
• переход метели в буран при параллельном распространении таких природных явлений на регионы, где ранее они отсутствовали или были редки.

В этой связи существующая электросетевая инфраструктура, а в особенности — воздушные линии электропередачи (ВЛЭП), во всем мире подвергаются воздействию негативных природных факторов, выходящих за рамки проектных решений, заложенных при сооружении указанной инфраструктуры.

Ледяные дожди, увеличивая нагрузку на провода и опоры ЛЭП, приводят к обрывам проводов и обрушению опор, а в сочетании с увеличившейся парусностью — к разрушению ЛЭП приводит и ветер с проектными значениями скорости.
Увеличивающееся число ураганов с параллельным ростом их категорийности по шкале Саффира-Симпсона приводит к росту вероятностей попадания высоковольтных воздушных ЛЭП в зону ураганов с их последующим разрушением. При этом даже в случае неразрушения надповерхностной электросетевой инфраструктуры происходит ускоренная выработка ее механического ресурса.


Рис. 4. Примеры актов вандализма на воздушных ЛЭП и применяемые подручные средства в качестве замыкателей

Человеческий фактор
Человеческий фактор мы можем разделить на две категории: случайные, незлонамеренные действия или бездействие людей, приводящие к авариям или росту вероятности их возникновения; целенаправленные деструктивные воздействия, прямо или косвенно приводящие к нарушениям в работе системы теплоснабжения. Учитывая, что факторы первой категории могут быть минимизированы посредством обучения персонала, информирования третьих лиц, усиления контроля за работой, а также посредством мотивации к качественному выполнению персоналом своих должностных и контрактных обязанностей, остановимся на целенаправленных деструктивных воздействиях, к которым можно отнести хищения, вандализм и терроризм.

Хищения
Похищенными могут оказаться компоненты оборудования, горючее, финансовые средства, предназначенные для обеспечения функционирования предприятий системы теплоснабжения и связанной с ней инфраструктуры. Для предотвращения хищений могут успешно использоваться различные меры: от совершенствования законодательной базы и обеспечения финансового контроля до использования средств удаленного мониторинга, например, с использованием различных роботизированных платформ (беспилотные летательные аппараты (БПЛА), подповерхностные механизмы и т. п.).
Ключевым отличием хищений от вандализма и терроризма является периодичность — например, при финансовых хищениях, или продолжительность процесса — необходимость демонтажа, вывоза, хранения и реализации похищенных материальных объектов. В этой связи, при желании, ущерб от них может быть эффективно минимизирован.

Вандализм и терроризм
Значительно хуже обстоит ситуация с вандализмом и терроризмом, так как их целью является вывод оборудования из штатного режима работы или же его разрушение. Эти действия производятся в сжатые сроки или удаленно. Следовательно, даже будучи выявленными, действия террористов и вандалов обычно не могут быть предотвращены. В результате персоналу предприятий остается только купировать последствия таких атак.


Рис. 5. Взаимозависимость элементов энергетической, водоснабжающей, транспортной, информационной и телекоммуникационной инфраструктуры и экстренных служб [4]

Например, в настоящее время, рядом лиц, в том числе специалистами-энергетиками, разрабатываются методики поражения электрических сетей и генерирующих мощностей для обеспечения ядерного шантажа — вывод из строя атомных электростанций (АЭС) или экологического шантажа — взрывы на опасных химических производствах непрерывного цикла. При этом ошибочно отмечается, что «для общества последствия развала энергосистемы практически не ощутимы. Так, например, функционирование московской энергосистемы после “блэкаута” 25 мая 2005 года было полностью восстановлено уже к обеду 26 мая. Исходя из имеющегося опыта, можно уверено говорить о том, что даже после серьезных системных аварий удается довольно быстро восстановить энергоснабжение» [18]. К сожалению, вывод в работе [18] полностью ошибочен и основывается на непонимании автором эффекта домино, по которому будет обрушена коммунальная и промышленная инфраструктура в условиях зимнего блэкаута. Мнение о том, что раз блэкаут 25 мая 2005 года был успешно парирован, то также будет и в отопительный сезон, тоже является ошибочным. Такую ошибку автора указанной работы можно объяснить его недостаточной информированностью, например, незнанием последствий ледяного дождя 25–26 декабря 2010 года, потребовавших для их ликвидации привлечения более 7 500 специалистов и нескольких недель работы. При этом в условиях мягкой зимы 2010/11 годов за прекращением электроснабжения не последовало размораживания тепловых сетей.

Недостаточное планирование и/или неквалифицированная разработка мероприятий по обеспечению работы системы теплоснабжения в условиях ЧС
Наиболее подвержены атакам в силу своей протяженности воздушные ЛЭП,составляющие основную массу среди более, чем
3 млн км ЛЭП, находящихся на территории России. При этом ЛЭП сверхвысокого (от 330 кВ)и ультравысокого (от 750 кВ и выше)
напряжения, обеспечивающие единство энергосистемы, полностью являются воздушными, а следовательно — практически незащищенными от атак. Примером таких атак могут служить хулиганские действия по искусственному замыканию проводов воздушных ЛЭП, видеозаписи с которыми периодически выкладываются в сеть Интернет (рис. 4).

Сами по себе обозначенные на рис. 4 хулиганские действия, выполняемые несистемно, не могут привести к необратимым последствиям. Это связано с тем, что замыкания от перехлеста проводов ЛЭП — кратковременные нарушения электроснабжения (КНЭ) или так называемые «мигания», являются штатным режимом работы воздушных ЛЭП и происходят постоянно при интенсивных порывах ветра. Искусственные замыкания не отличаются от КНЭ по причине того, что применяемые замыкатели — проволока, палки и т. п. разрушаются при значениях тока и на временных промежутках, характерных для КНЭ.

Большую опасность представляет собой переход таких действий из практики вандализма в плоскость террора, что, например, было продемонстрировано рядом подрывов опор ЛЭП, как на территории России,так и на Украине, в результате которых, например, был успешно обесточен Крым. Результатом КНЭ периодически являются взрывы котлов при их повторном розжиге неквалифицированным или уставшим персоналом. При импорте данной практики в сферу деятельности террористов могут осуществляться масштабные теракты, приводящие к серьезным сбоям в работе энергосистем или к блэкаутам, приводящим к эффекту домино в системах, зависимых от электроснабжения.

При этом данные риски, с учетом внутренней напряженности и внешнеполитической нестабильности, являются постоянно нарастающей угрозой практически для всех постсоветских стран и стран ЕС.

Для иллюстрации недостаточного планирования и подготовки к ЧС можно привести пример: летние учения 2015 года по автономному энергоснабжению ключевых коммунальных объектов в Крыму. Хотя учения показали, что энергоснабжение успешно обеспечено, диверсии на сопредельной территории показали фактическую ситуацию с подготовкой к ЧС — Крым остался без «света». Только не иначе, как счастливая поспешность диверсантов в подрыве опор ЛЭП привела не к полному размораживанию систем теплоснабжения городов Крыма, а к интенсификации работ по сооружению энергомоста и новых объектов локальной электрогенерации.

При этом успешное решение вопроса энергоснабжения Крыма не может быть импортировано при решении задач энергоснабжения других регионов России, так как проложить энергомост в Московский регион или город Санкт-Петербург неоткуда, в связи с чем гарантировать их энергоснабжение необходимо исключительно с привлечением располагаемых ресурсов при детальном планировании широкого спектра возможных ЧС.


Окончание ЗДЕСЬ.


Технология локальной вакуумной переработки стоков и соленых вод

Оригинал взят у samo_de1kin в Технология локальной вакуумной переработки стоков и соленых вод


Технология локальной вакуумной переработки стоков и соленых вод с производством технической воды и электроэнергии

© В.В. Велицко, генеральный директор ООО «ОЦР Технологии»

Опубликована в журнале Эффективные технологии утилизации отходов, №5–6, 2015 г., С.17–25


Задача эффективной переработки канализационных стоков является ключевой для обеспечения функционирования населенных пунктов как по причине повышения экологической и энергетической эффективности, так и по причине устойчивости систем жизнеобеспечения мегаполисов к природным катастрофам и целенаправленным деструктивным воздействиям. В статье рассмотрены технологии первичной переработки канализационных стоков как коммунально-бытового, так и промышленного происхождения, позволяющие экономически эффективно утилизировать их тепло для производства технической воды и электроэнергии. Также показана возможность производства обезвоженного осадка сточных вод с использованием тепломассобменного оборудования вместо флокулянтов и сепарационных систем. Показана технология тепломассобменного опреснения морской воды, геотермальных вод и рассолов с параллельным производством электроэнергии.

[Читать дальше...]
Ключевые слова: утилизация канализационных стоков, обезвоженный осадок сточных вод, технология локальной вакуумной переработки, биогазовые установки, жизнеобеспечение городов, отечественные исследования.

Стоки: «неприятный» отход или полезное сырье?
Канализационные стоки, к которым относятся стоки коммунально-бытового, промышленного и ливневого происхождения, принято рассматривать как «неприятный» отход, который желательно как можно быстрее удалить, подав его по существующей канализационной системе на очистные сооружения местного водоканала. Если вдруг это невозможно, тогда коммунальные и производственные потребители начинают решать задачу по локальному сбору стоков (септики в коммунальном секторе) или по их локальной переработке на собственных очистных сооружениях(в промышленности). При необходимости сооружаются локальные биогазовые, флотационные установки, системы вакуумной канализации и т. п. Переработчики при этом понимают, что данные сооружения практически никогда не окупятся.

Однако, помимо того что сточные воды являются отходом, который необходимо быстро утилизировать, затратив минимальное количество средств, они являются сырьем, с помощью которого можно получать:
низкопотенциальное тепло (с использованием тепловых насосов);
техническую воду;
биогаз.




1. Раздача питьевой воды в зоне катастрофы [9]


Из сточных вод также (преимущественно в промышленности) получают минеральные концентраты, являющиеся сырьем для дальнейшей переработки, и некоторое количество нефтепродуктов за счет отделения от них углеводородных фракций. В результате переработки стоков с использованием биогазовых установок могут получаться метан, диоксид углерода и ценные биогумусы, которые, в зависимости от происхождения сточных вод, могут направляться как на использование в сельскохозяйственном секторе, так и для озеленения населенных пунктов или для выращивания непищевых растений.

Внедрение современных технологий в условиях отсутствия в России господдержки не является привлекательным для основной массы потребителей, так как, например, использование тепловых насосов только для утилизации тепла стоков при наличии ввода ископаемого природного газа (ИПГ) не оправданно экономически. Это связано с тем, что производя относительно недорогое тепло, тепловой насос потребляет электроэнергию. Поэтому его окупаемость возможна только при условии обеспечения круглогодичной климатизации здания или же при отсутствии подвода к потребителю относительно недорогого органического горючего, такого как ИПГ.

Аналогичная ситуация складывается и с биогазовой переработкой стоков. Существующие биогазовые установки чрезвычайно габаритны, так как цикл переработки в них стоков занимает около 25–30 суток. Метантенки должны иметь объем, достаточный для накопления месячного стока потребителя. В результате биогазовые установки классического типа не могут быть встроены в большинство существующих коммунальных объектов и требуют обогрева в зимние месяцы.

Проблема габаритов биогазовых установок решена в установках, базирующихся на скоростных биореакторах, позволяющих перерабатывать стоки в течение 24 ч [10]. Это позволяет за счет накапливания в биореакторе только суточного стока потребителя создать компактную установку, которая может быть встроена в подвал жилого дома. Такая установка обеспечит утилизацию как минимум части коммунально-бытовых стоков конкретного объекта.

Стабильная работа канализации — залог безопасности города
В работе [5] показано, что канализация является безальтернативной системой жизнеобеспечения города. Это связано с рисками развития эпидемической ситуации при ее неработоспособности и с риском отравления людей биогазом, образующимся в канализационной системе при недостатке воды для смыва твердых коммунально-бытовых отходов [6]. Если задача снабжения городского населения водой питьевого назначения достаточно успешно решается при возникновении чрезвычайных ситуаций (рис. 1), то задача подвоза воды в объемах, достаточных для обеспечения необходимой концентрации твердой фазы в канализационных стоках, сложно решаема: тут и вопросы логистики, и вопросы, связанные со сложностью подъема воды в квартиры и ее накопления.

Действительно, осредненная потребность городского жителя в воде непосредственно в жилище еще на середину XX в. составляла 150 л/сут. Этот объем включал в себя трехкратное пользование туалетом (18 л/сут.), ежедневный душ (25 л/сут.), еженедельную ванну (250 л/нед.), а также иные хозяйственные потребности. Рост уровня жизни населения привел к увеличению удельного водопотребления на начало XXI в. до 400 и более литров в сутки [8, с.107].

Нижняя граница потребления для жителей, пользующихся локальными водозаборами, находится на уровне 30–40 л/сут. [8, с.108], так как у них отсутствуют возможности пользования ватерклозетом, принятия ванны, а также ограничено принятие душа. В этой связи норму в 30 л/сут. на одного жителя можно принять минимально необходимой для доставки воды автотранспортом, добавив к ней не менее 18 л (объем спуска однорежимного туалетного бачка — 6 л) в сутки для обеспечения работы канализации.





Рис. 2. Ресурсы города, необходимые для его жизнеобеспечения и самовосстановления [5]
Хотя жители, безусловно, будут обеспечивать смыв с использованием накапливающейся грязной воды, ее количества, как показывает практика, недостаточно для полноценного смыва отходов жизнедеятельности. Это подтверждают жители европейских городов, оказавшиеся в зонах боевых действий (экс-Югославия, Украина) и столкнувшиеся с прекращением водоснабжения населенных пунктов. Алгоритм прекращения работы канализации с последующим созданием эпидемической угрозы был следующим:
• прекращается холодное водоснабжение;
• для канализационного смыва начинает «экономично» использоваться загрязненная вода;
• в стоках растет доля твердых фракций;
• твердые фракции оседают в точках канализационной системы с низкой скоростью потока;
• канализация локально забивается;
• в условиях чрезвычайной ситуации коммунальные службы работают в нештатном режиме, с перегрузками, поэтому не всегда имеют возможность своевременно восстановить работы канализационной системы;
• забивание канализации происходит на отрезках труб значительной протяженности;
• начинается биологическое разложение фекалий, сопровождающееся поступлением биогаза по стоякам через гидрозатворы в жилье.

В результате описанной выше ситуации фекалии, как было в европейских столицах XVIII–XIX вв., начинают накапливаться совместно с бытовыми отходами, стимулируя увеличение популяций бытовых насекомых, создавая риски эпидемий, от которых до воссоздания в Европе системы канализации умирало от 30 до 50% населения.

Может показаться, что описанная ситуация в настоящее время невозможна. Не будем спорить, а обратимся к опыту Югославии и современной Украины. В этой связи чрезвычайно важным становится исследование функционирования систем жизнеобеспечения украинских городов в 2014–2015 годах, проектировавшихся во времена СССР и полностью идентичных по проектным решениям, составу оборудования, климатическим условиям и жилому фонду городам России. Это исследование позволит спрогнозировать особенности прекращения ресурсоснабжения российских городов, а также выработать наиболее эффективный порядок восстановления их жизнеобеспечения.

Стабильная работа канализации, а именно, автономное обеспечение коммунальных потребителей водой технического качества для смыва канализационных стоков, наравне с гарантированной подачей тепла, является одним из ключевых условий функционирования города в случае чрезвычайных ситуаций. Учитывая требуемую масштабность внедрения данных систем в населенных пунктах, необходимо обеспечить экономическую эффективность их работы и рациональный срок окупаемости.

Населенные пункты (в особенности мегаполисы и городские агломерации) представляют собой высококонцентрированное скопление потребителей ресурсов и производителей отходов (рис. 2). Для их нормального функционирования необходима в режиме реального времени поставка ресурсов и удаление образующихся отходов.

Возможно ли единовременное прекращение поставки ресурсов любому населенному пункту? Поставит ли это его на грань выживания? Сделает ли практически непригодным для жизни? Ответы просты — возможно, поставит, сделает. Такая ситуация может возникнуть очень легко вне зависимости от того, какие классические меры предосторожности были приняты для защиты систем ресурсоснабжения в соответствии с действующей нормативно-технической документацией.

Для примера можем привести линии электропередачи (ЛЭП), протяженность которых в России составляет более 3 млн км. Учитывая, что подавляющее количество ЛЭП — воздушные ЛЭП — практически полностью беззащитны перед климатическими угрозами и террористическими атаками [2; 6], подача электроэнергии в любой населенный пункт может быть прекращена легко и просто. И в результате эффекта домино системы отопления, водоснабжения и работа канализации будут выведены из строя [2]. Аналогично при использовании легального простейшего оборудования может быть на долгое время прекращено водоснабжение и водоотведение в любом населенном пункте. В этой связи создание локальных систем рекуперации воды решает задачу ресурсной безопасности и выживания населенного пункта.

Но если проблема гарантированного электроснабжения ключевых объектов инфраструктуры может быть достаточно быстро (хоть и с высокими затратами) решена [3; 2], то обеспечение гарантированного функционирования городской канализации является нетривиальной задачей. Например, в городах Могадишо (Сомали) и Йоханнесбург (ЮАР) жители небоскребов нашли инновационное применение шахтам лифтов в условиях неработающей канализации. Однако такая эрзац-канализация неприменима в условиях России не только в связи с пока более высокими стандартами коммунального обслуживания, но и в связи с тем, что путем естественной вентиляции удаление поступающего в дома биогаза не может быть так же эффективно решено, например, в Москве со среднегодовой температурой +4,9 °C, как в Могадишо (+27°C) или в Йоханнесбурге (+16 °C).
Технология вакуумной переработки сточных вод
Как мы знаем, температура кипения воды при атмосферном давлении составляет +100 °C. Также известно, что при пониженном давлении снижается температура кипения жидкостей. Например, высоко в горах варка пищи занимает больше времени, чем на уровне моря, только потому, что в связи с пониженным атмосферным давлением температура кипения воды снижается до +85…90 °C.

Понижая давление, можно обеспечить кипение воды как при +20 °C, так и при более низких температурах. На этом принципе базируются системы вакуумной перегонки и сушки. Основным отличием разработанного автором процесса является то, что для создания вакуума используется теплоперепад между стоками и окружающей средой. При его недостатке или для увеличения производительности установки может осуществляться подогрев стоков, например с использованием солнечной энергии, ИПГ или биогаза. Рассмотрим более подробно принцип работы установки вакуумной переработки стоков, упрощенная схема которой представлена на рис. 3.



Рис. 3. Установка вакуумной переработки стоков
Канализационный сток или подлежащие осушке продукты его переработки — (1), поступают в подогреватель (котел) — (2), где при необходимости может осуществляться подвод энергии — (3) извне (солнечный коллектор, биогаз и т. п.). В котле, над поверхностью стока, создается разряжение, вызывающее при пониженном давлении кипение перерабатываемых стоков. Образующийся водяной пар смеси с выделяющимися воздушными газами и иными летучими компонентами (нефтяные фракции и т. п.) поступает в детандер — (4), где он совершает работу по приводу нагрузки (электрогенератора) — (5). После детандера мятый пар поступает в градирню — (6), где он конденсируется. Полученный конденсат забирается насосом для дальнейшего использования — (7).

Обогащенный минерально-органический остаток или же осушенный фильтрат удаляются — (8) — из установки (условно показана откачка насосом).

Данная технология была апробирована на стендовой установке при подаче горячей воды с температурой +80 °C при температуре в конденсаторе +30 °C. Образованный теплоперепад в 50 °C между температурой подвода и отвода тепла позволил получить перепад давлений в 43 кПа, использованный посредством детандера для привода нагрузки.

Созданная стендовая установка не предусматривала проведения точных измерений, а предназначалась для проверки возможности опреснения загрязненных вод с попутным производством электроэнергии без использования органического топлива. В этой связи рассмотрим расчетные параметры такой установки для переработки стоков (табл. 1). Для упрощения примем, что стоки полностью состоят из воды, а их расход составляет 10 т/ч.

Как видно из табл. 1, нижней границей температуры перерабатываемых стоков является температура +30 °C. Это позволяет осуществлять переработку стоков только в холодное время года. При этом температура в +30 °C для канализационных стоков достаточно высока, что подразумевает необходимость их подогрева с использованием солнечных коллекторов или иного, например, низкопотенциального источника энергии.

Более эффективно процесс проходит при подогреве стоков до температуры +50…80 °C. Это в зависимости от времени суток и сезона позволяет за один проход через установку получать от 3,4% до 11% воды в виде конденсата, а также вырабатывать электроэнергию, необходимую для электроснабжения самой установки и электроснабжения близлежащих потребителей.

При создании технологии и компонентов установки были решены вопросы максимально полного использования располагаемого теплоперепада. Технология позволяет обеспечить работоспособность процесса при наличии перепада температур начиная с 30 °C [4; 7]. Применение простых тепломассобменных устройств, работающих при отрицательных давлениях, вместо классических теплообменников позволяет кардинально снизить потребность оборудования в сервисе, а также минимизировать его себестоимость. Также параллельно были решены иные конструкторские и научные задачи, возникшие при разработке и создании указанного оборудования. Важно, что оборудование разработано без применения зарубежных комплектующих или технологий.
Таблица 1 Характеристики вакуумной установки переработки стоков в конденсат и электроэнергию



Осушка фильтратов и флотация
В случае использования данной технологии для обезвоживания органоминеральных фильтратов доля выхода содержащейся в них воды может быть доведена до 90 % (об.) и более, что связано с тем, что остающаяся сухая масса фильтрата охлаждается испарением воды при пониженном давлении.

Кипение перерабатываемого стока позволяет совместить процесс очистки и выработки электроэнергии с процессом флотации. Это позволяет заменить энергозатратную флотацию на энерогэффективное вакуумное испарение стоков за счет располагаемого теплоперепада.

Полученный конденсат с использованием компактных систем механической и биологической очистки может подготавливаться до качества технической воды, предназначенной для смыва унитазов в жилом секторе. При необходимости данная вода может быть очищена и до питьевого качества, однако установка таких систем финишной очистки должна определяться исходя из конкретных условий. Например, ступень по финишной очистке полученного конденсата до качества питьевой воды может использоваться только в случае чрезвычайных ситуаций.

Опреснение соленой морской воды и геотермальных рассолов
По аналогичному алгоритму может быть осуществлено опреснение морской воды с использованием, например, только солнечной энергии (рис. 4). Не детализируя в рамках данной статьи этот процесс, отметим, что выработка конденсата при нагреве воды в солнечном коллекторе до +95 °C зимой составит 13% при одном проходе, а летом — 10…11 % при параллельном производстве электроэнергии.

Учитывая возможность нагрева опресняемых вод и до более высоких температур, даже с использованием только вакуумных солнечных коллекторов можно получать перегретую воду с температурами около +150 °C и более. Это позволит осуществить опреснение воды с более высоким удельным выходом конденсата и большим КПД генерации электроэнергии (табл. 2).

Приведенная на рис. 4 вакуумная опреснительная установка принципиально аналогична установке переработки стоков, представленной на рис. 3. Отличие заключается в том, что вода, содержащая повышенное количество солей, после испарительной камеры — (9) может направляться на повторный нагрев в подогревателе — (2), в роли которого может выступать вакуумный солнечный коллектор.




Рис. 4. Вакуумная опреснительная установка
Таблица 2 Характеристики солнечной вакуумной опреснительно-электрогенерирующей установки




Аналогично могут опресняться с параллельным производством электроэнергии и концентратов солей ценных и редкоземельных металлов термальные воды и рассолы. Это позволяет, используя линейку конструкционно близких установок, обеспечивать как переработку стоков, так и опреснение с параллельной выработкой электроэнергии [2].

Учитывая достаточно невысокие значения срабатываемого теплоперепада, составляющие на уровне 80...150 °C и колеблющиеся в зависимости от времени суток и сезона, обеспечение производства энергии с учетом располагаемого теплоперепада явилось нетривиальной задачей. Она была решена путем разработки специального адаптивного термодинамического цикла [4].

Подводя итоги, отметим, что разработанная технология использования возобновляемых и низкопотенциальных источников энергии, в том числе геотермальных вод и рассолов, позволяет обеспечить гарантированное функционирование систем канализации населенных пунктов в условиях чрезвычайных ситуаций и снизить затраты потребителей на электроэнергию и используемую воду. Параллельно будет снижаться нагрузка на городскую канализацию, производительность которой, зачастую на фоне перегрузки, ограничивается проросшими в нее корнями деревьев (рис. 5), отложениями и общим износом. В результате внедрения данного оборудования может быть обеспечено не только повышение устойчивости населенных пунктов к чрезвычайным ситуациям, но и положительный экономический эффект от внедрения данного решения.




Рис. 5. Заросший корнями канализационный сток [1]
В регионах с недостаточным водоснабжением технология позволяет осуществлять опреснение воды, что, особенно в условиях Крыма, может обеспечить гарантированное водоснабжение коммунальных, промышленных и сельскохозяйственных потребителей с применением исключительно возобновляемой энергии — энергии Солнца.
Литература
1. Phoenix Water Leak Detection, URL: http://phoenixwaterleaks.com/contractors/ (дата обращения: 18.08.2015 г.).
2. Велицко В.В. Концепция гарантированного энергоснабжения с использованием геотермальной энергии // Грозный: Сборник докладов Международной научно-практической конференции «GEOENERGY», 19–21.06.2015 г., с. 32–45.
3. Велицко В.В. Надежность обеспечения ресурсами системы теплоснабжения — усло вие выживания городов России // Проза.Ру, 15.07.2015 г., URL: http://www.proza.ru/2015/07/15/1025 (дата обращения:
15.07.2015 г.).
4. Велицко В.В. Применение регулируемых термодинамических циклов для утилизации низкопотенциального тепла // М.: Сборник материалов V Конференции «ТРИЗ. Практика применения методических инструментов в бизнесе», 22–23.11.2013 г.
5. Велицко В.В. Ресурсосберегающая инфраструктура как условие сохранения населенных пунктов в условиях природных катаклизмов и террористических угроз // Новосибирск: Материалы II Всероссийской научной конференции с международным участием «Энерго- и ресурсоэффективность малоэтажных жилых зданий», Институт теплофизики СО РАН, 24–26.03.2015 г., с. 419–428.
6. Велицко В.В. Тепло — жизнь города, а его отсутствие… // М.: Коммунальщик, №9, 2015 г.
7. Велицко В.В., прохоров А.И. Автономные энергоустановки на местных видах горючих и возобновляемых источниках энергии, базирующиеся на адаптивном термодинамическом цикле и системе безнагнетательной циркуляции рабочего тела // Новосибирск: Материалы II Всероссийской научной конференции с международным участием «Энерго- и ресурсоэффективность малоэтажных жилых зданий», Институт теплофизики СО РАН, 24–26.03.2015 г., с. 271–279.
8. Гончарук Е.И. (ред.) Коммунальная гигиена // Киев: Здоров’я, 2006, 792 с.
9. Российские спасатели на Гаити // BIG Picture, 18.01.2010 г., URL: http://bigpicture.ru/?p=29090 (дата обращения: 20.08.2015 г.).
10. Чумаков А.Н., Велицко В.В. Система автономного функционирования экопоселений с использованием биоотходов // Новосибирск: Материалы II Всероссийской научной конференции с международным участием «Энерго- и ресурсоэффективность малоэтажных жилых зданий», Институт теплофизики СО РАН, 24–26.03.2015 г., с. 405–412.


Умные сети или бездумное централизованное ресурсоснабжение

Оригинал взят у samo_de1kin в Умные сети или бездумное централизованное ресурсоснабжение, Часть 1



Умные сети или бездумное централизованное ресурсоснабжение


В.В. Велицко, генеральный директор ООО «ОЦР Технологии»

Возобновляемая энергетика, низкопотенциальная теплоутилизация и использование низкосортных местных горючих для нужд производства электроэнергии позволяют создать кластерную систему ресурсоснабжения, устойчивую к чрезвычайным ситуациям различного характера. В свою очередь преобразование существующей энергетической инфраструктуры в умные сети позволит, повышая энергобезопасность, решить широкий спектр экономических и социальных проблем в стране, обеспечив решение многих актуальных задач не только в энергетике и безопасности, но и в экономике и промышленности.

Ключевые слова: умные сети, энергобезопасность, энергетическая инфраструктура, возобновляемая энергетика, вакуумная энергоустановка.


Возобновляемая генерация — неактуальная для России мировая тенденция?

В российской энергетике в настоящее время противоборствуют две тенденции, с одной стороны — необходимость повышения энергобезопасности, и, отчасти, энергетической эффективности, а с другой — фактический отказ от использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ) [21] при параллельном наращивании объемов инвестиций в крупную генерацию с использованием ископаемого горючего и в высоковольтное электросетевое хозяйство.
Может сложиться впечатление, что данные вопросы имеют узкоотраслевое значение и не способны кардинальным образом влиять на экономические и социальные процессы в России, определяющие спектр конструктивных возможностей во внутренней и внешней политике, а также возможность сохранения страны в качестве единого государства.

В это время ведущие промышленно-развитые страны опережающими темпами, в сравнении с генерацией на ископаемом органическом горючем, наращивают «чистую генерацию» (см. рис. 1), в которую также включают и атомную энергетику.





Рис. 1. Ежегодный мировой прирост генерирующих мощностей, ГВт, с использованием ископаемого горючего и «чистой» энергии [5]


[Читать дальше...]
Хотя атомная энергетика и не является чистой, она в материале [5], по критерию углеродного следа, меньшему, чем у энергетики с использованием ископаемого органического горючего, отнесена к чистой генерации. Также не является абсолютно чистой генерация с использованием фотовольтаики. При этом тенденции развития технологий, особенно в сфере фотоэлементов, позволяют как параллельно снижать негативный экологический след по их жизненному циклу, так и повышать их экономическую эффективность. Аналогичные процессы происходят и в других сферах повышения эффективности преобразования возобновляемых энергоресурсов, таких как энергия ветра, приливов или энергия недр земли. Данный прогресс демонстрирует сравнение себестоимости генерации 1 МВт•ч с использованием как ВИЭ, так и ископаемого горючего (см. Рис. 2).





Рис. 2. Себестоимость выработки электроэнергии с использованием различных энергоресурсов [16]


Приведенные на рис. 2 данные имеют достаточно широкий диапазон себестоимости генерации, нижняя граница которого соответствует преимущественно новым крупномасштабным проектам с использованием ВИЭ, тогда как верхняя характерна для ранее введенных мощностей с использованием устаревших технологий, а также на пилотных проектах, для сооружения которых требовалось создание искусственных условий по поддержке возобновляемой генерации.

К настоящему времени развитие технологий ВИЭ пришло к тому, что в ряде стран обеспечивается не поддержка ВИЭ, а наоборот, введение так называемого «солнечного налога» [6].
По действующему курсу рубля к доллару США, взяв для сравнения низшую себестоимость генерации электроэнергии с использованием энергии ветра (33 $/МВт•ч) и энергии солнца (54 $/МВт•ч), получим себестоимость производства электроэнергии в размере 2,40 и 3,95 руб./кВт•ч соответственно. Нижняя граница себестоимости взята в связи с тем, что развитие, как промышленных технологий, так и технологий индивидуального производства в сфере ВИЭ, снижение удельной себестоимости установленной мощности и рост их энергетической рентабельности (EROI) при параллельном увеличении доступности ВИЭ в производстве, например, путем индивидуальной печати потребителями фотоэлементов, ветроэнергоустановок и двигателей Стирлинга (рис. 3) постоянно снижает нижнюю границу себестоимости производства энергии. Это приводит к внедрению ВИЭ «явочным порядком» даже без поддержки государственных институтов.




Рис. 3. Гелиоконцентраторная Стирлинг–установка, ветрогенератор и элементы низкооборотных электрогенераторов, выполненные с использованием трехмерной печати [3]


Отметим, что существующая тенденция делегирования потребителю функции самостоятельного удовлетворения его потребностей с использованием высокотехнологичного оборудования, доступного для использования широким слоям потребителей, находит продолжение в создании малых перерабатывающих установок с себестоимостью индивидуального изготовления на уровне 150…1000$, позволяющих перерабатывать бытовые отходы в сырье для аддитивных технологий (3D печать и т.п.), что, в свою очередь, еще более повысит EROI ВИЭ и их доступность.

В этой связи высказанное предположение, что «…ставить ветроэлектрические установки взамен традиционной генерации станет выгодно, когда стоимость ее энергии сравняется с традиционной — на уровне 1,5–2 руб. за 1 кВт•ч…» [21] соответствует исключительно интересам крупных игроков российского энергорынка. Но это не соответствует предпосылкам внедрения ВИЭ непосредственно потребителями. Например, нижняя граница себестоимости выработки с использованием ВИЭ в размере 2,40…3,95 руб./кВт•ч уже находится в пределах отпускной цены сетевой электроэнергии на территории России при средневзвешенном тарифе в размере 3,54 руб./кВт•ч [23]. Это позволяет ожидать роста использования возобновляемой локальной генерации в сфере малых и средних промышленных и сельскохозяйственных предприятий, а также в сфере коммунального, преимущественно коттеджного энергоснабжения.

Стимулы к разработке и локальному внедрению ВИЭ
Безусловно, себестоимость производства энергии на небольших локальных энергоустановках с использованием ВИЭ в сравнении со стоимостью сетевой электроэнергии, пока не позволяет обосновать их установку прямой экономической эффективностью. Однако, учитывая что во многих районах полностью отсутствует централизованное электроснабжение и затруднено присоединение к электрическим сетям по организационным или по экономическим причинам, ВИЭ будут пробивать себе дорогу к потребителю по пути, который ранее прошли мини-ТЭЦ. Их установка стимулируется не только экономическими причинами, но и ограниченностью доступности электроснабжения (Рис. 4).




Рис. 4. Предпосылки к внедрению ВИЭ в России


Новым аспектом, характеризующим важность использования ВИЭ, является рост числа электромобилей (для России пока только потенциальный фактор спроса), требующих для заряда достаточно большого количества электроэнергии. Это позволяет использовать их аккумуляторы в качестве накопителей избытков электроэнергии, замещая выработанной энергией не сетевую электроэнергию, а дорогое моторное горючее, тем самым решая вопрос нецелесообразности локального накопления электроэнергии для обеспечения только коммунальных нужд [4].

Помимо указанных аспектов, характерных практически для всех зарубежных стран, в России, самой холодной стране мира, действует и иной фактор, перевешивающий большую часть контраргументов противников внедрения ВИЭ. Этим фактором является крайняя уязвимость российской энергетической инфраструктуры, такой как электросетевое хозяйство, газо-, и неф тепроводы, системы водоснабжения и водоотведения [13; 8].

При этом целенаправленно не будем акцентировать внимание на традиционных для внедрения ВИЭ экологических аспектах, таких как углеродный след и т. п. Международные и национальные программы поддержки, безусловно, для развития ВИЭ сделали достаточно много, но начало расцвета ВИЭ пришлось именно на период дорогой нефти, когда в 2014 году при росте валового мирового продукта (ВМП) на 3 % выбросы CO2 уменьшились по отношению к 2013 году. Это позволило Международному энергетическому агентству спрогнозировать, что к 2030 году рост ВМП составит 88 % к 2013 году при росте выбросов CO2 на 8 % [2, с. 12].

Макроэкономический аспект внедрения ВИЭ в российскую энергетику основан на том, что помимо повышения энергетической безопасности, являющейся одним из основных элементов стабильного функционирования государства, внедрение ВИЭ обеспечивает развитие науки, образования, технологий, в том числе интенсификацию исследований и внедрение в практику нано-, и аддитивных технологий, микроэлектроники, информатизации, точной механики и микромеханики, робототехники и других передовых научных направлений, обеспечивающих государству, развивающему, а главное — внедряющему в массовое производство данные направления, лидирующие позиции на мировой арене.

Снижение стоимости топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) на мировом рынке при параллельном росте энергоэффективности и уровня технологий использования низкосортных ТЭР и ВИЭ позволяет прогнозировать долговременный период спада цен на ТЭР, полностью лишающий бюджет России нефтегазовых сверхдоходов, что исключит возможность массового импорта широкого спектра продукции. На это налагается необходимость создания неспекулятивных сфер приложения капитала, возврату которого содействуют как руководство страны, так и правоприменительная практика в ряде стран Евросоюза, начавших в 2010-х годах внесудебную конфискацию финансовых активов российского происхождения. Указанные задачи в полной мере могут быть решены путем создания кластерных энергокомплексов с использованием ВИЭ, обеспечивающих высокостабильное энергоснабжение широкого спектра импортозамещающих производств.

ВИЭ и/или централизованная генерация

Ждать ли государственной помощи на начальном этапе широкого внедрения ВИЭ?
Привычная нам централизованная генерация, в которой ВИЭ, за исключением гидроэлектростанций (ГЭС), занимают менее 1 % установленной мощности (УМ) и не оказывают существенного влияния на надежность энергосистемы, в целом близка большинству промышленно развитых стран. Отличие заключается в том, что промышленно развитые страны, страны БРИКС, а также страны, традиционно относимые к странам третьего мира, в отличие от России, активно внедряют возобновляемую энергетику. Например, в США, по состоянию на 2013 годом доля ВИЭ в энергетике составляет 8 % УМ и, по прогнозам министерства энергетики, продолжит расти вне зависимости от состояния экономики США [1]. Так, Индия с 2015 по 2022 годы намерена ввести в строй 100 ГВт солнечных электростанций (СЭС), 6 ГВт ветровых электростанций (ВЭС) и 10 ГВт тепловых электростанций (ТЭС), работающих на биомассе [18].

В отличие от жаркого климата Индии и преимущественно теплого климата в США, где ВИЭ играют роль многофакторных стимуляторов экономики, задача ВИЭ в России будет заключаться в обеспечении, по началу, гарантированного аварийного локального энергоснабжения потребителей на случай чрезвычайных ситуаций (ЧС) как природного, так и террористического характера, в ходе которых могут быть долговременно поражены магистральные линии электропередачи (ЛЭП) и магистральные системы трубопроводного транспорта [13; 8; 9]. В перспективе, для парирования возникающих угроз, необходимо создание энергосистемы, устойчивой к ЧС любого характера, в том числе к управляемым экологическим катастрофам. Это позволит обеспечить полноценное функционирование коммунального и промышленного сектора России в случае системных аварий без модернизации системы ресурсоснабжения, грозящих вымораживаниями населенных пунктов, поражением систем трубопроводного транспорта, вплоть до систем канализации, и созданием гуманитарных катастроф в мегаполисах и городских агломерациях и к возникновению масштабных зон депривации [9].

Отметим, что профильные ведомства, такие как Ростехнадзор, не проявляют активного интереса к указанным выше проблемам, например, подтверждая их важность [20] только после официального уведомления [19]. К сожалению, даже при подтверждении Ростехнадзором важности поднятых проблем: «вопросы, поднятые в письме, актуальны и важны для повышения безопасности и качества работы ресурсоснабжающей инфраструктуры и зависимых от нее объектов», решение поднятых вопросов перекладывается на ресурсоснабжающие компании. «Для решения поставленных вопросов считаем целесообразным направить информационные материалы в энерго-, и ресурсоснабжающие компании» [20], не обладающие необходимыми организационными, административными и тем более финансовыми ресурсами для решения поставленных вопросов [13; 8].

Это позволяет предположить, особенно в условиях концентрации российской экономики в руках государства и крупного бизнеса [15], что руководство компаний и профильных ведомств, по возможности, будет максимально долго игнорировать указанные риски, полагая, что энергосистема, имеющая высокий запас прочности, скорее всего не будет фундаментально поражена в период их каденции. А это позволяет сохранять отработанный механизм освоения выделяемых средств по привычным направлениям, не проводя работы, результатом которых может стать выявление фундаментальных проблем, требующих немедленного реагирования [8, с. 18].

Система ресурсоснабжения энергосистемы, устойчивой к ЧС
Учитывая, что российские города на 2015 год газифицированы на 70,3 %, а сельская местность — на 54,6 % [14], система газоснабжения должна являться если не основным, то как минимум равным по важности контуром передачи энергии в виде горючего наравне с магистральными ЛЭП на случай их масштабного поражения, например путем организации синхронных коротких замыканий или в случае природных ЧС.

Помимо ТЭС, ископаемый природный газ (ИПГ) используется большинством из 6,5 тыс. котельных мощностью более 20 Гкал/час, более чем 100 тысячами мелких котельных и около 600 тысяч автономных индивидуальных теплогенераторов [17, с. 7]. Учитывая, что среднегодовая температура в России составляет минус 5 °С, требуется повсеместное наличие котельных рядом с коммунальными и промышленными потребителями. При этом установленная тепловая мощность за редким исключением превышает потребную электрическую мощность, что позволяет отопительные и производственно-отопительные котельные, как уже существующие энергокомплексы, задействовать для собственного гарантированного энергоснабжения и нужд в электроэнергии близлежащих потребителей.

Учитывая необходимость гарантированного, на случай ЧС, энергоснабжения миллионов объектов на территории России, задачу оптимально разбить на несколько этапов:

1. Гарантированные минимальное теплоснабжение и/ или электроснабжение исключающее размораживание систем теплоснабжения или технологического оборудования в отопительный сезон при температуре воздуха наиболее холодных суток. При этом не требуется поддержание комфортной температуры внутри помещений.

2. Обеспечение минимально допустимой температуры в коммунальных и производственных помещениях для обеспечения комфортных условий проживания и возможности ведения ограниченной хозяйственной деятельности. Подача электроэнергии должна обеспечиваться как минимум для полноценного функционирования систем теплоснабжения.

3. Теплоснабжение аналогично этапу 2. Электроснабжение обеспечивает ведение полноценной хозяйственной деятельности и нормальное функционирование коммунальных потребителей.
В указанный перечень намеренно не включены требования по гарантированному водоснабжению и водоотведению, так как данная тема как минимум не проще задачи гарантированного теплоснабжения в условиях России и требует отдельного глубокого анализа, будучи только отчасти затронутой в работах [22; 12].

Локальная генерация в водогрейных котельных
Локальная электрогенерация на теплоснабжающих объектах должна быть применима как на крупных котельных, так и совместно с коттеджными отопительными котлами. Этому требованию не соответствуют привычные электростанции на базе газопоршневых (ГПД) и газотурбинных (ГТД) двигателей как по причине высокой капиталоемкости, потребности в квалифицированном сервисе, так и по причине того, что они не могут быть установлены в котельные, не имеющие подвода ИПГ, сжиженного природного газа (СПГ) или жидкого моторного горючего. А учитывая, что средняя газификация в России на 2015 год составляет 65,4 % [14], значительная часть объектов будет требовать применения электрогенерирующего оборудования, работающего без применения квалифицированных моторных топлив. Именно в ограниченная газификация России при недопустимой уязвимости ЛЭП является одним из ключевых факторов широкого использования ресурсов, которые есть здесь и сейчас, а именно — ВИЭ и всего спектра местных ТЭР.

Отметим, что подавляющее большинство теплогенерирующих установок, находящихся на территории России, оснащено водогрейными котлами, вырабатывающими горячую или перегретую воду. А учитывая тенденцию перевода даже той небольшой доли отопительных паровых котлов, которая была ранее, в водогрейный или пароводогрейный режим, мы не можем рассматривать в качестве универсального решения паротурбинные установки (ПТУ) любых типов или классические паропоршневые машины.

В этой связи ТЭС, способная круглогодично работать как минимум в составе малой отопительной водогрейной котельной, работающей на твердом топливе и отпускающей тепло в режиме количественного (путем регулирования расхода теплоносителя) и качественного (путем регулирования температуры теплоносителя) регулирования отпуска тепла, была бы универсальна для условий России.

Универсальность такой энергоустановки диктуется тем, что необходимость оперативного широкого внедрения малой генерации и требует максимального удешевления используемого оборудования по всему жизненному циклу, что полностью перекрывает возможность массового импорта разнотипных энергоустановок и требует организации производства и сервиса энергоустановок во всех территориальных субъектах России.

Это может быть достигнуто применением в изготовлении доступных отечественных конструкционных материалов и комплектующих, обработка и сборка которых может осуществляться на широком спектре производственных предприятий.

Этим требованиям, не исключая, где это обосновано, применения ТЭС на баз ГПД, ГТД и ПТУ, позволяющих конвертировать теплогенерирующие объекты в теплоэлектроцентрали (ТЭЦ), также соответствуют вакуумные энергоустановки. Они позволяют обеспечивать принудительное вскипание под вакуумом некипящих энергоносителей (например горячей воды) для производства электроэнергии и тепла, используемого для отопления потребителей.

Вакуумная энергоустановка: принцип работы
Понижая давление над некипящей жидкостью (здесь и далее будем рассматривать горячую, то есть с температурой менее плюс 100 °C воду), мы можем обеспечить ее вскипание при необходимых нам термобарических условиях. Это позволяет вырабатывать пар с давлением ниже атмосферного, но выше давления конденсации в конденсаторе. Конденсируя пар аналогично тому, как он конденсируется в конденсаторе паросиловой ТЭС, обеспечиваем перепад давлений между выработанным в вакуумном котле паром и давлением конденсации пара. Данный перепад давлений, составлявший в пилотной энергоустановке 43 кПа на теплоперепаде 50 °C (температура подачи горячей воды плюс 80 °C и температура конденсации плюс 30 °C), позволил обеспечить принудительное вскипание энергоносителя и подтвердить работоспособность вакуумной энергоустановки. В настоящее время при поддержке Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере создается пилотная вакуумная энергоустановка, предназначенная для глубокой утилизации переменных теплоперепадов с высокой эксергетической эффективностью (рис. 5).




Рис. 5. Вакуумная энергоустановка Вакуумная энергоустановка на рис. 5 включает в себя:
энергоноситель (воду) — 1; вакуумный котел — 2; подвод тепловой энергии / топлива (при необходимости) — 3; детандер — 4; электрогенератор — 5; калорифер или жидкостный конденсатор — 6, конденсатный насос 7 и насос охлажденного энергоносителя — 8, обеспечивающий подачу охлажденного энергоносителя на отопление.

Способы повышения энергетической эффективности вакуумных энергоустановок
Одним из основных решений, используемых для повышения коэффициента полезного действия (КПД) вакуумных энергоустановок, является применение адаптивного термодинамического цикла, обеспечивающего на 20–30 % большую среднегодовую выработку электроэнергии, чем классические циклы Ренкина, например, органический цикл Ренкина (ОЦР) или цикл Калины (принцип работы адаптивного термодинамического цикла показан на рис. 6 и 7). Также для увеличения КПД-нетто таких энергоустановок может использоваться бескомпрессионное нагнетание рабочего тела, позволяющее в несколько раз снизить затраты электроэнергии на прокачку рабочего тела или энергоносителя.




Рис. 6. Иллюстрация необходимости адаптивного цикла при работе вакуумной энергоустановки [10]





Рис. 7. Принцип работы адаптивного термодинамического цикла [10]


Как видим из рис. 6, для экономичной работы вакуумной энергоустановки при неизменных внешних условиях по аналогии с автомобилем, не требуется изменение режима ее работы.

Однако, как только изменяются условия окружающей среды, для увеличения производства электроэнергии энергоустановкой требуется изменение параметров ее работы (см. рис. 7). Что позволит при сохранении расхода энергии увеличить выработку электроэнергии в холодное время суток или в холодное время года. Это обеспечивается динамическим изменением степени расширения и иных параметров цикла для максимального приближения к фактически располагаемому теплоперепаду, изменяющемуся как в течение суток, так и в зависимости от времени года, при отводе тепла мятого пара к атмосферному воздуху или при регулировании графика отпуска тепла потребителю.

Использование фактического экзегетического потенциала позволяет, изменяя степень расширения рабочего тела в детандере (турбине), обеспечивать увеличение электрического КПД энергоустановки [10].

Снижение себестоимости изготовления вакуумных энергоустановок и упрощение конструкции обеспечивается применением тепломассобменных устройств, работающих при отрицательных давлениях, вместо классических теплообменников, что позволяет кардинально снизить потребность оборудования в сервисе, а также минимизировать себестоимость, отливая установки из полимера, реактопласта или делая их из композита.

Также параллельно были решены иные конструкторские задачи, возникшие при разработке и создании указанного оборудования, которые позволяют изготавливать его без использования зарубежных комплектующих.

Сферы применения вакуумных энергоустановок

К сферам применения вакуумных энергоустановок относятся (рис. 8):


  • Надстройка теплоэнергетических объектов и установок, таких как котельные отопительного и производственно-отопительного назначения, тепловые пункты (ТП), такие как центральные и индивидуальные ТП (ЦТП и ИТП), индивидуальные котлы, установленные в коттеджах и т. п.

  • Надстройку мини-ТЭЦ и мини-ТЭС на базе двигателей внутреннего сгорания (ДВС), таких как ГПД, дизельные двигатели и ГТД с целью использования для нужд производства электроэнергии тепла, отводимого как от отходящих газов, так и от систем охлаждения двигателя, масла и от интеркулера.

  • Надстройка гелиоэнергоустановок фотовольтаического и гелиоконцентраторного типов, а также надстройка солнечных коллекторов.

  • Использование геотермальной энергии в любых ее формах.

  • Промышленная теплоутилизация.






Рис. 8. Сферы применения вакуумных энергоустановок


Структура перспективных систем Ресурсоснабжения
Перспективные системы ресурсоснабжения должны включать в себя как существующую энергетическую инфраструктуру, такую как ЛЭП, системы трубопроводного транспорта ТЭР, воды и стоков, а также в обязательном порядке возобновляемые ресурсы, такие как энергия солнца, ветра, воды (бесплотинные, приливные гидроэлектростанции (ГЭС), малые ГЭС), а также энергию биомассы и возобновляемых ископаемых ресурсов, например, торфа, которого на территории России образуется на уровне 100 млн тонн в год, но не относимого, например, в отличие от Финляндии, к возобновляемым ресурсам.

Такая поэтапная надстройка существующей энергоинфраструктуры локальными генерирующими комплексами малой мощности позволит:

 Разгрузить магистральные ЛЭП и снизить зависимость от поставок ИПГ по газопроводам, там самым обеспечив устойчивость системы к ЧС различного характера.

 Использование широкого спектра источников первичной энергии, таких как квалифицированные топлива, ВИЭ, местные низкосортные горючие, позволяет обеспечить устойчивость работы системы ресурсоснабжения за счет инвариантности поставки ТЭР в следствие гарантированной поставки какого либо вида ТЭР потребителю и используя ресурсы, непосредственно присутствующие в окружающей среде (ВИЭ).

 Применение малых энергоустановок, таких как мини–ТЭЦ на базе поршневых ДВС, вакуумных энергоустановок, аккумуляторов энергии, конвертеров постоянного тока в переменный ток, позволяет сформировать систему генерации электроэнергии, устойчивую к разрывам внутрисетевых связей, установленных магистральными ЛЭП. Что позволит обеспечить стабильное поддержание показателей качества электроэнергии, вырабатываемой турбоустановками и их безаварийную работу при выходе из строя ЛЭП напряжением 110…750 кВ.

Рассмотренный комплекс мероприятий позволит создать Умные сети: первоначально на базе электросетей всех типов от 0,4 до 750 кВ включительно с последующей интеграцией в указанные Умные электросети систем теплоснабжения, водоснабжения и водоотведения [12], а также систем топливоснабжения с использованием газотранспортной инфраструктуры, транспортирующей как ИПГ, так и синтетический метан, выработанный с использованием, например, синтеза Фишера–Тропша (СФТ) и технологии газогидратной очистки и складирования полученного метана [11].

Актуальность необходимости глубокой взаимоинтеграции всех систем производства, транспорта и потребления перерабатываемых ресурсов обусловлена не только потребностью экономии, но и реалиями современного общества, одной из которых стало целенаправленное разрушение систем ресурсоснабжения деструктивными элементами. Например, произошедший 3 марта 2016 года блэкаут на всей территории Сирии [7] сложно объяснить конвенциональными военными действиями, а не целенаправленной диверсии, в основном затронувшей коммунальные объекты и энергозависимую инфраструктуру. То, что на территории России, особенно в наиболее холодное время года, такие блэкауты пока не происходили, не может гарантировать их дальнейшее отсутствие, как и отсутствие управляемых экологических катастроф, способных нанести значительный вред инфраструктуре и лишь дает некоторую отсрочку для экстренной модернизации системы электроснабжения и связанных с ней систем.

Последовательность создания Умных сетей такова:
1. Надстройка объектов системы теплоснабжения, включая объекты производства, транспорта и распределения тепла, таких как котельные всех типов, ЦТП и ИТП, коттеджные котлы, системами электрогенерации, обеспечивающими покрытие как минимум собственных нужд.
2. Увеличение вырабатываемой электрической мощности на объектах системы теплоснабжения до необходимого потребителям или технически обоснованного максимума с выделением резерва мощности, способного покрыть недостаток мощности на них в период проведения планово-предупредительных ремонтов (ППР).
3. Развитие межкластерных связей ЛЭП напряжением 6,3…10 кВ, обеспечивающих необходимое маневрирование мощностью как по зонам суток, так и на период проведения ППР или в случае ЧС.
4. Интеграция созданных кластеров в электрические сети напряжением 35…330 кВ с целью поддержания стабильности работы ТЭС и атомных электростанций в период масштабных ЧС и обеспечения электроснабжения потребителей в удаленных районах, например, при нарушении подачи ИПГ.
5. Интеграция в систему теплоснабжения вакуумных солнечных коллекторов, гелиоконцетраторных электростанций, геотермальных и петротермальных ТЭЦ (ГеоТЭЦ) и электростанций (ГеоТЭС) с целью максимального обеспечения местными видами энергоресурсов.
6. Установка резервных котлов (или модификация газовых или жидкотопливных котлов), предназначенных для работы на местных горючих таких как торф, щепа, твердые бытовые отходы (ТБО) и т. п., предназначенных для решения двоякой функции: гарантированного теплоснабжения с использованием любого доступного горючего и для утилизации (инсенерации) отходов на случай ЧС, когда вывоз отходов из населенных пунктов может быть затруднен, но необходим для предотвращения рисков развития эпидемических ситуаций.
7. Активное использование геотермальной энергии возможно на фоне высвобождения буровых мощностей в нефтегазовой отрасли при возможном снижении объемов добычи, рассматриваемом в России, так и при вводе в эксплуатацию обширного фонда законсервированных скважин, обладающих необходимым тепловым потенциалом.
8. Интеграция в энергосистему фотовольтаики, ветрогенераторов, разнотипных ГЭС для увеличения доступной ресурсной базы с целью увеличения стабильности энергосистемы.
9. Интеграция систем как минимум частичного снабжения потребителей технической водой для работы систем канализации и как минимум частичной переработки стоков в единую Умную сеть ресурсоснабжения.
10. Интеграция в Умные сети систем климатизации, накопления энергии, снабжения потребителей ТЭР с использованием местных энергоресурсов и низкосортных топлив, перерабатываемых в квалифицированные ТЭР и транспортируемые по единой системе топливоснабжения.
Рассмотренные выше этапы реализации оптимально развивать параллельно в зависимости от местных условий, доступности ресурсов в регионе, а также с целью накопления опыта по внедрению и интеграции технологий в различных климатических условиях.

Выводы
По прогнозу 2009 года только в странах ЕС возобновляемая энергетика должна создать к 2020 году 2,8 млн рабочих мест. Аналогичные прогнозы подтверждаются динамикой создания квалифицированных рабочих мест не только в странах ЕС, но и в США, где за 2015 год в секторе ВИЭ было создано больше рабочих мест, чем в нефтегазовом секторе с учетом сектора трубопроводного транспорта добытых углеводородов. Спрос в ВИЭ именно на квалифицированный персонал, т. к. рутинные сервисные операции рассматриваются зоной применения робототехники, позволяет решать как проблемы депрессивных регионов, в том числе — моногородов, зависящих от работы устаревших стагнирующих производств, так и поставит потенциальную проблему недостатка в высококвалифицированных специалистах, способных выполнить все функции от производства энергоустановок до перепроектирования большого числа энергообъектов, их реконструкции и обеспечения качественного сервисного обслуживания.

Реализация такого масштабного проекта локального энергоснабжения с параллельным развитием местных импортозамещающих производств способна стать драйвером как возрождения и увеличения среднего класса, существенно сократившегося в последние годы, так и минимизировать негативное влияние действующих санкций, которые, за последний век были скорей нормой для нашей страны, чем непродолжительным исключением. В этой связи своевременное решение «локальной» задачи надежности энергоснабжения имеет потенциал оказания глубокого позитивного изменения в экономике как регионов, так и страны в целом, позволяя ускоренно развивать как существующую энергетику, так и научный, промышленный и экономический потенциалы.

БН - 800: историческое событие для мировой атомной отрасли




Все материалы данного блога предназначены для лиц старше 18 лет (18+)


К меню блога


Оригинал взят у masterok в БН - 800: историческое событие для мировой атомной отрасли


Историческое событие не только для российской, но и для всей мировой атомной отрасли произошло в четверг на Белоярской АЭС: в энергосистему России выдал свои первые киловатт-часы электроэнергии четвертый блок станции с реактором на быстрых нейтронах БН-800 — прототипом более мощных коммерческих «быстрых» реакторов, которые, как считается, дадут большие преимущества для развития атомной энергетики.


[Читать дальше...]

«10 декабря 2015 г., в 21:21 по местному времени (19:21 мск) энергоблок № 4 Белоярской АЭС с реактором БН-800 был включен в сеть и выработал первую электроэнергию в энергосистему Урала», — говорится в сообщении концерна «Росэнергоатом».


По словам генерального директора Концерна «Росэнергоатом» Андрея Петрова, энергопуск БН-800 является выдающимся событием для всей атомной энергетики России.


«Предыдущий энергоблок с реактором такого типа БН-600 был пущен 35 лет назад, в прошлом столетии. БН-800 сооружён в принципиально изменившихся условиях, поэтому его пуск я по праву считаю трудовым подвигом проектировщиков, конструкторов, строителей, монтажников, изготовителей, наладчиков оборудования, и, конечно, эксплуатационного персонала», — сказал Петров, слова которого цитируются в сообщении.


«Это действительно значимая для нас победа. БН-800 дался нам нелегко, но главное, благодаря этому энергоблоку мы восстановили свои компетенции в области проектирования и сооружения «быстрых» реакторов. Сегодня сделан еще один важный шаг на пути перехода атомной энергетики России к новой технологической платформе», — отметил Петров.


Интересно, что история мировой атомной энергетики началась именно с реактора на быстрых нейтронах. 20 декабря 1951 года в Айдахо заработал первый в мире энергетический реактор на быстрых нейтронах EBR-I (Experimental Breeder Reactor) электрической мощностью всего 0,2 МВт. Позднее, в 1963 году, недалеко от Детройта была запущена АЭС с реактором на быстрых нейтронах Fermi – уже мощностью около 100 МВт (в 1966 году там произошла серьезная авария с расплавлением части активной зоны, но без каких-либо последствий для окружающей среды или людей).


А вот что было потом …


Collapse )


Еще немного про энергетику:  вот посмотрите на Мобильные атомные станции для армии, а вот такая бывает Гидроаккумулирующая электростанция. Посмотрите на Самый большой в мире морской ветрогенератор и как использовалась Отвертка как предохранитель от ядерного взрыва. Посмотрите на Башни Тесла, скрывающиеся в дебрях лесов Подмосковья и узнайте Что такое синхрофазотрон ?


Оригинал статьи находится на сайте ИнфоГлаз.рф Ссылка на статью, с которой сделана эта копия - http://infoglaz.ru/?p=85112








К меню блога