Гибридные электрические станции на территории острова Сахалин

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Институт ЭНИН

Направление подготовки Производство и транспортировка электрической энергии

Кафедра ЭПП

ОТЧЕТ

Гибридные электрические станции на территории острова Сахалин

по дисциплине Научно-исследовательская работа

Выполнил _________

(Подпись)

Дата сдачи задания преподавателю _____ _____________ 20__г.

Проверил

Дата проверки _____ __________ 20__г.

Оценка ___________

Подпись ___________

Томск 2015г.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение	3
Расчет нагрузки	11
Энергия ветра	11
Применение гибридных установок	17
Автономное электроснабжение месторождения путем утилизации пнг	18
Заключение	22

ВВЕДЕНИЕ

Основные виды возобновляемых природных энергетических ресурсов (ВПЭР) Сахалинской области — это геотермальные, ветроэнергетические и приливные. Наличие значительных ресурсовветра и приливной энергии обусловлено уникальностью островного расположения области, а при-сутствие ресурсов термальных вод и парогидротерм, перспективных для освоения, — активной вулканической деятельностью на Курильских островах. Территориальные особенности Сахалинской области также предопределяют специфику энергоснабжения: изолированность от крупных энергосистем, наличие отдельных энергоузлов и большого количества труднодоступных потребителей.

Основная проблема энергоснабжения — сложность, дальность и сезонность транспортировки топлива и, как следствие, его значительное удорожание. В решении этой важной для большей части населения проблемы существенное место занимает использование возобновляемых природных энергоресурсов, способных вытеснить часть дорогостоящего дальнепривозного (особенно для Курильских островов) органического топлива, улучшить надежность и качество обеспечения электроэнергией и теплом.

ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ РЕСУРСЫ

Суммарный валовой ветропотенциал Сахалинской области оценивается в 3800 млрд кВт ч, технический — в 227 млрд кВт ч [1, 2]. Распределение ветропотенциала по территории области крайне неравномерно вследствие особенностей ее положения относительно моря, перепада высот и конфигурации горных образований. В связи с этим выделяются локальные зоны, где величина потенциала существенно выше средних по району значений ветроэнергетических ресурсов. Территорию области условно можно поделить на четыре ветровые зоны.

Рисунок 1 - Распределение среднегодовой скорости ветра в зонах 1–4 на высоте 9–12 м по данным метеостанций Сахалинской области.

Среднегодовая скорость ветра, м/с: 1 — 2–5; 2 — 4–6; 3 — 6–8; 4 — более 8. 5 — государственная граница.

Западное и восточное побережья Сахалина различаются не только уровнем средних скоростейветра, но и их распределением в годовом ходе. Максимальные значения на западе острова приходятся на ноябрь–декабрь, а на восточном побережье — на январь [3]. Наибольшим ветроэнергетическим потенциалом обладают северная оконечность Сахалина (Охинский район), где среднегодовая скорость ветра составляет 6–8 м/с, и юго-западная (мыс Крильон), где этот показатель выше 8 м/с. На Курильских островах выделяются две ветровые зоны: острова Шикотан, Кунашир и Итуруп со среднегодовой скоростью ветра 6–8 м/с и все остальные, включая Парамушир, — более 8 м/с.Особенность проявления ветропотенциала области, в отличие от материковых территорий, заключается в том, что в годовом разрезе наибольшие среднемесячные скорости ветра наблюдаются восенне-зимний период. Этот фактор способствует более эффективному использованию ветропотенциала. С другой стороны, порывы ветра, особенно на Курильских островах, могут достигать 60 м/с, что, в свою очередь, затрудняет преобразование ветровой энергии, учитывая аварийное отключение ветроэнергетических установок при 25 м/с. В настоящее время энергия ветра на территории области не используется. В с. Головнино нао. Кунашир сооружена ветроэнергетическая установка (ВЭУ) VESTAS V27–225 мощностью 225 кВт, которая находится в нерабочем состоянии вследствие недостаточной проработанности вопросов ее эксплуатации совместно с существующим энергоисточником.

ГЕОТЕРМАЛЬНЫЕ РЕСУРСЫ

В качестве геотермальных ресурсов на территории области выделяются термальные воды о. Сахалин и парогидротермы Курильских островов [4]. Температура воды в недрах острова обусловлена величиной геотермического градиента, который составляет в среднем 3,3 °С на 100 м. Основные запасы термальных вод Сахалина сосредоточены в Северо-Сахалинском, Поронайском, Сусунайском и Татарском артезианских бассейнах. Наиболее изучен в гидрогеологическом отношении самый крупный на острове Северо-Сахалинский бассейн, где термальные воды имеют температуру от 40 до 80–90 °С и залегают на глубинах 1500–3500 м. Запасы термальных вод, которые могут быть включены в освоение, составляют при фонтанной эксплуатации скважин 9 тыс. м3/сут, что эквивалентно тепловой энергии 84 тыс. Гкал/год, при насосной эксплуатации — 335 тыс. м3/сут с тепловым потенциалом 3,5 млн Гкал/год [5]. Низкотемпературные воды с использованием тепловых насосов и тепловых панелей можно применять для горячего водоснабжения, обогрева теплиц, парников и ферм. Северо-Западное отделение Всесоюзного научно-исследовательского проектного института энергетической промышленности в 1984 г. в структуре «Схемы теплоснабжения г. Южно-Сахалинска» рассматривало вариант строительства геотермальной циркуляционной системы мощностью 220–230 Гкал/ч для теплоснабжения города на основе термальных вод, обнаруженных вблизи г. Южно-Сахалинска. Вариант в то время не был принят к осуществлению как дорогостоящий.

Наличие геотермальных ресурсов на Курильских островах связано с проявлением вулканизма и сопутствующей ему фумарольно-гидротермальной деятельностью. По состоянию на 01.01.2006 г. Здесь разведано два месторождения парогидротерм: Горячий Пляж (о. Кунашир) и Океанское (о. Итуруп). В настоящее время на разведанных участках месторождений построены две геотермальные электростанции (ГеоТЭС) — Менделеевская и Океанская мощностью по 3,6 МВт. Запасы пароводяной смеси на этих участках месторождений, утвержденные Государственной комиссией по запасам (ГКЗ), составляют 14,7 тыс. т/сут (табл. 1). Месторождение Горячий Пляж находится в сложных гидрогеологических условиях и характеризуется высокими температурами (>250 °С). Наиболее изучена северо-восточная площадь месторождения, в пределах которой по результатам площадных геофизических исследований выделено три перспективных участка — Нижнеменделеевский, Прибрежный и Нижнедокторский [6]. Нижнеменделеевский и Прибрежный участки наиболее освоены и доступны для практического использования с целью обеспечения электрической и тепловой энергией населенных пунктов центральной части о. Кунашир. На участке Нижнеменделеевский пробурено четыре скважины, ныне задействованные в работе Менделеевской ГеоТЭС. По заключению ГКЗ России, в 2006 г. участок рекомендовано считать подготовленным к продолжению опытно-промышленной эксплуатации в течение пяти лет на базе запасов категории С1 [6].Участок Нижнедокторский глубоким бурением не опробован, но имеются все предпосылки его перспективности, подтвержденные геологическим строением, гидрогеологическими условиями и площадными геофизическими работами [7]. ГКЗ РФ этот участок рекомендован в качестве первоочередного для наращивания запасов пара при увеличении мощности Менделеевской ГеоТЭС. Месторождение парогидротерм Океанское на о. Итуруп относится к числу наиболее высокотемпературных в Курило-Камчатском регионе [4]. Пароводяная смесь месторождения характеризуется температурой до 320 °С, глубина залегания — от 200 до 1200 м. В настоящее время на месторождении находятся под давлением шесть скважин участка Кипящий для эксплуатации Океанской ГеоТЭС. Запасы участка утверждены на 30-летний срок и, по мнению специалистов ОАО «Востокгеология», достаточны для обеспечения мощности существующей электростанции и возможного ее увеличения до 12–15 МВт. Кроме того, в районе г. Курильска обнаружены геотермальные проявления (до 200 °С), которые можно использовать для теплоснабжения города, в том числе с помощью тепловых насосов.

К числу перспективных относится гидротермальная система вулкана Эбеко на о. Парамушир, степень изученности которой низка, что не позволяет пока приступить к освоению. В результате поисково-оценочных работ, проведенных ОАО «Сахалинская гидрогеологическая экспедиция» в период 2002–2004 гг., определены три геотермальных участка, перспективных для энергоснабжения населенных пунктов о. Парамушир: на месторождениях вулкана Эбеко (1 км от г. Северо-Курильска); на водоразделе рек Матросская и Снежная (2 км от г. Северо-Курильска); в долине ручья Юрьев (10 км от г. Северо-Курильска) [6]. Энергетическая мощность каждого из первых двух участков оценивается в 5 МВт, третьего — более 20 МВт. В настоящее время ОАО «Востокгеология» разработана программа работ на выполнение детальных исследований Северо-Парамуширской гидротермальной системы с целью вывода на поверхность теплоэнергетических вод. Также на острове, в 1,3 км от г. Северо-Курильска, существует заброшенная скважина с фонтанирующей горячей водой. Глубина скважины около 600 м, температура термальной воды 60–85 °С. Использование ее для теплоснабжения города затруднено вследствие высокого содержания солей.

ГЕЛИОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ РЕСУРСЫ

На территории Сахалинской области среднегодовой приход солнечной радиации на горизонтальную поверхность в северной части составляет менее 1150 кВт ч/м2, в южной — до 1250 кВт ч/м2.Число часов солнечного сияния на территории области не превышает 1800 ч/год [8]. Использование солнечной энергии для получения тепла и электроэнергии целесообразно при годовой продолжительности солнечного сияния более 2000 ч и приходе солнечной радиации на горизонтальную поверхность не менее 1300 кВт ч/м2.Значения потенциала солнечной энергии на территории Сахалинской области ниже вышеуказанных величин, вследствие чего использование этого вида ресурса малоэффективно. Однако в южныхрайонах области вполне возможно точечное использование энергии солнца для горячего водоснабжения в пансионатах, турбазах, санаториях и т. д.

ГИДРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ РЕСУРСЫ

Суммарный валовой гидроэнергетический потенциал речного стока, озер, водохранилищ и приливов Сахалинской области оценивается в 20 млрд кВтч [2]. Энергия рек. На территории области насчитывается более 65 тыс. водотоков протяженностью около 106 тыс. км, из которых около 4 тыс. небольших водотоков протекают на Курильских островах.

Валовой гидроэнергетический потенциал речного стока области оценивается в 15,5 млрд кВтч [2]. Больших рек в области мало, что обусловлено близостью основных водоразделов к морскому побережью. К наиболее крупным рекам относятся Тымь и Поронай. В табл. 2 приведены характеристики гидроэнергоресурсов бассейнов крупнейших рек Сахалинской области [9]. Реки области характеризуются неравномерным распределением стока в течение года. Для них свойственно наличие двух многоводных (весна и осень) и двух маловодных (лето и зима) сезонов. Наиболее многоводный сезон — весна, а самый маловодный — зима (для Северо-Сахалинской равнины — лето). На время весеннего половодья приходится от 35 до 65 % годового стока. Дождевые паводки отмечаются преимущественно в осенний период, но по объему стока они значительно уступают половодью. На большинстве рек в теплый период года проходит 90–96 % годового стока, тогда как в зимний — всего лишь 4–10 %. Исключение составляют реки Курильских островов и северной части о. Сахалин, для которых характерен повышенный зимний сток, составляющий 15–25 % годового объема. Пересыхание рек на территории области не наблюдается, а промерзание отмечено лишь в 1954 г. на двух реках — Гастелловке и Матросовке Нижней на о. Парамушир. Неравномерность в распределении стока внутри года создает значительные затруднения при хозяйственном использовании рек и регулировании их стока. Около 98 % общего числа рек области относится к категории малых и самых малых, и почти все они имеют рыбохозяйственное значение, что также играет роль ограничения при их использовании в целях энергоснабжения. Так, на Курильских островах, по данным Сахалинского филиала Тихоокеанского НИИ рыбного хозяйства и океанографии, возможно использование гидропотенциала рек на цели энергетики в районах наименьшей продуктивности воспроизводства лососей — в южной части о. Итуруп и на севере о. Парамушир. На р. Матросской (о. Парамушир) в опытно-промышленной эксплуатации находится минигидроэлектростанция (МГЭС) установленной мощностью 1,66 МВт. В настоящее время работу МГЭС нельзя назвать удовлетворительной: выработка электроэнергии составляет 0,3 млн кВтч, что объясняется техническими проблемами синхронизации работы МГЭС и дизельной электростанции, а также сезонными колебаниями уровня воды в реке. В 2001 г. ОАО «Красноярскгидропроект» выполнен проект реконструкции МГЭС, которым предусмотрено восстановление второй очереди минигидроэлектростанции на р. Снежной. Кроме того, представлено предварительное технико-экономическое обоснование сооружения МГЭС на реках Серная (Птичья), Наседкина, Савушкина.

Энергия приливов. Природная особенность строения морского побережья Сахалинской области — это большое количество заливов закрытого типа (лагун), обладающих потенциалом приливной энергии, который оценивается в 4,4 млрд кВтч [2]. Приливно-отливные амплитуды уровня моря составляют в среднем 1,0 м, достигая с учетом ветро-волновых нагонов до 1,5–2,0 м. Общая площадь лагун у побережья о. Сахалин — около 2200 км2. Каждые сутки через проливы в лагуны втекает и вытекает не менее 1,1 км3 воды из Охотского моря, что в 16 раз превосходит суммарный сток всех рек острова. Скорость протекания воды в проливах лагун переменна в различные приливо-отливные фазы и, по имеющимся оценкам, колеблется от 0 до 2,5 м/с. В конце 1980-х гг. ассоциацией «Геотехнология» выполнен проект создания промышленного гидроэнергетического комплекса (ГЭК) мощностью около 100 МВт для организации производства водорода и титана. Местом размещения ГЭК был выбран пролив Екатерины между островами Кунашир и Итуруп. Но дальнейшего развития проект не получил. Значительны гидроресурсы и Второго Курильского пролива между островами Парамушир и Шумшу. Ширина пролива 1,8 км, минимальная глубина 10 м, скорость приливных течений 0,6–3,3 м/с. Для данных условий возможно применение наплавных или ортогональных гидроагрегатов для приливных электростанций (ПЭС). Аналогичные проекты подводных ПЭС разрабатываются в различных странах, но пока еще находятся на теоретической стадии. Например, в Норвегии в проливе Квалсундет, где скорость приливной волны достигает 2,5 м/с, на глубине 17 м установлена опытная подводная ПЭС мощностью 320 кВт. Следует отметить, что сооружение ПЭС требует значительных капиталовложений. Так, сооруже-ние блока ПЭС Малая Мезенская с ортогональным гидроагрегатом мощностью 1,5 МВт, который установлен в 2007 г. на Кислогубской ПЭС для испытания проектов Мезенской и Тугурской ПЭС, оценивается в настоящее время в сумму около 500 млн руб.

ВЫВОДЫ

Сахалинская область располагает большим спектром возобновляемых природных энергоресурсов, однако их потенциал используется незначительно, хотя проблемы энергоснабжения потребителей создают предпосылки для более широкого его применения. Приоритетные виды ВПЭР для использования в энергетике — это геотермальные и ветровые ресурсы, причем освоение ветроэнергетического потенциала наиболее перспективно в северо-восточной и юго-западной частях Сахалина, а

также на всей территории Курильских островов, а предпосылки более масштабного применения геотермального потенциала имеются на островах Кунашир, Итуруп и Парамушир. Использование гелиопотенциала целесообразно лишь локально в южной части Сахалина при создании гелиоустановок с приемлемыми технико-экономическими показателями. Гидроэнергетическое освоение рек затруднено вследствие их большого рыбохозяйственного значения, внутригодовой неравномерности распределения стока и удаленности от населенных пунктов. Значительная величина энергетического потенциала приливов позволяет говорить о перспективности его использования в случае достижения экономической эффективности.

ГИБРИДНЫЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

Целью данной работы является проектирование гибридной станции для электроснабжения нефтяного месторождения на о. Сахалин. Ниже ознакомимся с гибридными электростанциями.

«Зеленые» электростанции - это электростанции на базе возобновляемых источников энергии (ВИЭ), таких как солнце, ветер, гидроэнергия, производящие экологически чистую электроэнергию.

Оптимальной является комбинированная схема работы «зеленой» электростанции на основе ВИЭ и дизель-генератора или газогенератора в качестве резерва. Таким образом, "зеленая" или по другому гибридная электростанция (ГЭС) работает при наличии ясной погоды и/или ветра, заряжая аккумуляторные батареи или выдавая мощность потребителю. Как только гибридная энергоустановка перестает выдавать необходимую мощность, включается дизель-генератор или газовый-генератор восполняет недостаток. Такая схема электроснабжения имеет следующие преимущества: надежность системы электроснабжения, экономия топлива, увеличение ресурса работы дизель-генератора, экологичность.

В нашем случае, мы проектируем ГЭС состоящую из ветростанции и газогенератора работающего на ПНГ.

Так же, немаловажную роль играет добываемый вместе с нефтью попутный газ. При разработке нефтяных месторождений на морских шельфах по мере их освоения имеют место: нехватка генерирующих мощностей на одних платформах ( распределительных устройствах), избыток - в др.узлах ЭТС; удаленность групп потребителей; повышенная стоимость генерации отдельных узлов; разная мощность и характер нагрузки для центральных технологических пунктов. Освоение новых нефтедобывающих районов на начальном этапе возможно только на основе автономных систем электроснабжения (АСЭС), мощность которых с учетом перспектив развития нефтедобычи постоянно растет и может превышать 40 МВт. При этом наблюдается разброс агрегатов СЭСН по мощности ( от 1 до 10 МВт), типу (дизель-электростанция, газо-поршневая электростанция, газотурбинная установка) и производителю, а значит и по техническим характеристикам, которые требуют согласования режимов их работы на этапах проектирования, эксплуатации, реконструкции и модернизации.[10]

Попутный нефтяной газ (ПНГ) — смесь различных газообразных углеводородов, растворенных в нефти; они выделяются в процессе добычи и перегонки (это так называемые попутные газы, главным образом состоят из пропана и изомеров бутана). К нефтяным газам также относят газы крекинга нефти, состоящие из предельных и непредельных (метана, этилена) углеводородов.

РАСЧЕТ НАГРУЗКИ

Месторождение Северное Чайво, географически расположено в заливе Охотского моря Чайво, у северного берега острова Сахалин.

Залив Чайво вытянут с севера на юг, от моря отделён косой. Сообщается с Охотским морем посредством пролива Клейе.

В целом суммарные извлекаемые запасы месторождения Чайво-море по категориям С1+С2 российской классификации составляют 17,1 млн т нефти и конденсата и 9,9 млрд м3 газа.
Запасы северной части оконечности Чайво составляют по категории С1 9,356 млн тонн нефти, С2 - 5,482 млн тонн нефти.

Участок Чайво-море является северной оконечностью месторождения Чайво и прилегает к месторождениям проекта Сахалин-1.
Сахалин-1- это 1-й проект с момента заключения СРП по нему в 1996 г.

Роснефть в октябре 2012 г в презентации для иностранных инвесторов называла северное Чайво одним из основных новых проектов, обеспечивающих в будущем рост добычи нефти.

Компания хочет начать добычу на этом месторождении в 2014 г, при этом пик добычи составит 32 тыс барр/сутки.

Рисунок 2- График нагрузки по месяцам

ЭНЕРГИЯ ВЕТРА

Особенность проявления ветропотенциала области, в отличие от материковых территорий, заключается в том, что в годовом разрезе наибольшие среднемесячные скорости ветра наблюдаются в осенне-зимний период. Этот фактор способствует более эффективному использованию ветропотенциала. С другой стороны, порывы ветра, особенно на Курильских островах, могут достигать 60 м/с, что, в свою очередь, затрудняет преобразование ветровой энергии, учитывая аварийное отключение ветроэнергетических установок при 25 м/с.

ОЦЕНКА ВЕТРОВОГО ПОТЕНЦИАЛА В ВЫБРАННОЙ МЕСТНОСТИ

Таблица 1. Средние значения скорости ветра за каждый месяц

Месяц	Скорость ветра, м/с
январь	7
февраль	6,1
март	5,8
апрель	5,7
май	5,3
июнь	5,1
июль	4,9
август	4,4
сентябрь	5,3
октябрь	6,6
ноябрь	7,1
декабрь	6,2
год	6

Далее построена диаграмма скорости ветра относительно количества дней в году, когда было зафиксировано данное значение ветра (рис. 2).

Рисунок 3 – Диаграмма скорости ветра относительно количества дней в году

ВЫБОР ВЕТРОГЕНЕРАТОРА

Выбор количества и мощности ветрогенераторов осуществляем с учетом графика нагрузки, данных метеостанций, топологии местности.

Выбираем вертикально-осевые генераторы.

Преимущества вертикально-осевого ветрогенератора:

почти бесшумный при самых сильных порывах ветра;
обеспечивает оптимальный КПД при любых ветрах;
ловит любые направления движения воздуха;
неприхотлив;
отсутствие токосъёмных щёток не требует их замены;
стартовая скорость ветра до 1 м/сек;
в его конструкции используется лишь один подшипник за счёт левитации оси;
его можно располагать вблизи дома, или на крыше;
не требует дополнительных приборов для запуска;
совершенно безобиден для птиц, пчёл, окружающей среды;
не боится мокрых снегопадов и обледенений.

Недостатки вертикально-осевого ветрогенератора:

не эффективно используют ветровую энергию по сравнению с горизонтально-осевыми;
требуется большее количество материала для сборки;
высокая стоимость.

Устанавливаем 2 вертикально-осевых ветрогенератора мощностью 15 кВт.

Модель ветрогенератора "Sokol Air Vertical - 15 кВт"