Энергообеспечение геологоразведочных работ с помощью автономных комплексов с ветроэлектрическими установками

Бельский Алексей Анатольевич,

кандидат технических наук, ассистент кафедры электротехники, электроэнергетики, электромеханики Национального минерально-сырьевого университета «Горный».

Введение

Поддержание и увеличение балансовых (доказанных) запасов полезных ископаемых Российской Федерации требует значительных финансовых затрат со стороны государства и частных компаний на проведение геологоразведочных работ (ГРР) по освоению месторождений в удаленных и труднодоступных районах РФ, большинство из которых расположены в регионах с суровыми климатическими условиями – Сибирь, Дальний Восток, Арктическое побережье и относятся к зонам децентрализованного электроснабжения.

В настоящее время при проведении геологоразведочных работ (ГРР) в качестве автономных источников электропитания наибольшее распространение получили дизельные электростанции (ДЭС). Доля затрат на электроснабжение ГРР в этих условиях может достигать 20 % от общего финансирования [1]. При этом учитывая энергетический баланс буровых установок, анализ которого показывает, что при использовании колонкового и ударно-канатного бурения 60÷70 % энергозатрат приходится на теплоснабжение, остальная часть на электроснабжение [2]. Таким образом затраты на энергообеспечение ГРР могут достигать половины всех затрат на их проведение.

 Анализ карт ветров России показывает, что около половины территории страны, не охваченной централизованной системой электроснабжения, расположено в регионах с высоким ветропотенциалом. Таким образом, альтернативой ДЭС является применение возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Включение в схему энергоснабжения ГРР в качестве основного или дополнительного источника питания, собственной ветроэнергетической электростанции (ВЭС), позволяет снизить топливную составляющую в себестоимости вырабатываемой электроэнергии, тем самым существенно снизить затраты на электроснабжение и повысить безопасность жизнедеятельности на объектах ГРР, включая рабочие поселки для геологов и их семей. Однако недостаточная разработанность методов обоснования экономической эффективности ветровых установок и выбора их основных параметров активно препятствует использованию ветровой энергии.

Таким образом, оценка и последующий выбор параметров ветроэлектрической установки (ВЭУ), обеспечивающих максимальную эффективность работы ВЭУ в заданных ветровых условиях в составе систем энергообеспечения ГРР, представляет собой актуальную задачу.

Основная часть

Гибридные комплексы на базе ВЭУ с комплектом аккумуляторных батарей и ДЭС позволяют повысить эффективность энергоисточника в целом и существенно снизить расход топлива [3, 4]. При этом в районах с благоприятными ветровыми условиями при передвижном характере работ для электроснабжения ручных (переносных) буровых станков и комплексов (см. таблицу 1) возможно полностью отказаться от ДЭС, обеспечив резервирование выработки электроэнергии за счет использования фотоэлектрических станций.

Существует несколько вариантов расположения ВЭУ при передвижном характере работ: наземное без устройства фундамента (рисунок 1) и контейнерное/автомобильное (рисунок 2).

Таблица 1.

Технические характеристики буровых станков и комплексов.

Рис. 1. Наземное размещение ВЭУ без устройства фундамента: а) схема размещения ВЭУ ВТН8-10 на опорной плите; б) ВЭУ ВТН8-10 в период испытаний; в) ВЭУ на треноге.

Подготовка ВЭУ ВТН8-10 (номинальная мощность ветроагрегата 10 кВт, высота мачты 8÷10 м) к монтажу выполняется в течение одного дня, подъем ВЭУ осуществляется с помощью лебедки силами двух человек. Прочностные расчеты, выполненные в НИИ-ЭМ, показали, что используемая конструкция фундаментных устройств обеспечивает прочность и устойчивость ветроагрегата в широком диапазоне скоростей ветра при грунтах различного типа [5]. ВЭУ на треноге (номинальная мощность ветроагрегата 0,2÷1,0 кВт, высота мачты до 4 м) могут устанавливаться одним человеком.

Рис. 2. а) контейнерное размещение ВЭУ; б) размещение ВЭУ с использованием автомобиля.

ВЭУ номинальной мощность 0,5÷10 кВт могут размещаться как на технических контейнерах, так и на жилых блоках, осуществляя электроснабжение не только технических средств и комплексов при проведении работ, но и вырабатывать электроэнергию для бытовых нужд.

Количество ВЭУ, необходимое для обеспечения электроэнергией одной буровой установки (БУ) можно рассчитать по формуле:

где W_БУ — годовой расход электроэнергии одной БУ во время ГРР, кВт∙ч; Р_ном — номинальная мощность ВЭУ, указанная в паспорте установки, кВт; К_ИУМ — коэффициент использования установленной мощности ВЭУ с учетом её номинальных параметров; 0,85 — коэффициент, учитывающий КПД аккумуляторных батарей.

Заключение

Таким образом, для энергообеспечения двух буровых станков или комплексов Э1Р, КМБ1-10 или КМБ1-10У при организации работ в одну 8 часовую смену и при высокой интенсивности работ (коэффициент использования установленной мощности БУ 0,75) потребуется три ВЭУ номинальной мощностью 1 кВт при КИУМ равном 0,3, а при использовании ВЭУ с малой расчетной скоростью 8-9 м/с их количество можно снизить до 2. В благоприятных ветровых условиях (среднегодовая скорость ветра свыше 7 м/с) возможно использовать только одну ВЭУ номинальной мощностью 1,5 кВт при расчетной скорости ветра 8-9 м/с.

При этом использование ВЭУ не только влияет на снижение топливо потребление, но повышает комплексный показатель надежности электроснабжения потребителей, коэффициентов готовности электротехнического комплекса. Согласно расчетам при коэффициенте совпадения графиков нагрузки и выработки электроэнергии ВЭУ равном К_гр.н=0,5 в течение длительного промежутка времени (месяц и более) коэффициент готовности гибридного ЭТК, включающего в себя две ДЭС и ВЭУ, составляет 0,99, что позволяет отнести его к источникам гарантированного электроснабжения. При К_гр.н=0,8 коэффициент готовности гибридного ЭТК равен 0,996. Использование ВЭУ влияет на календарный срок службы и межремонтный период ДЭС, которые при вариации значений коэффициента совпадения графиков нагрузок и выработки электроэнергии ВЭУ от 0,5 до 0,8 увеличиваются на 40÷70 %.

Литература

1.                  Энергообеспечение технологических потребителей геологоразведочных работ / А.М. Лимитовский, М.В. Меркулов, В.А. Косьянов, М.: Российский государственный геологоразведочный университет им. С. Орджоникидзе, 2008г., - 135 с.

2.                  Ивченко, И.А. Повышение эффективности бурения геологоразведочных скважин путем оптимизации параметров работы ветро-дизельных энергетических комплексов: автореф. дис. … докт. тех. наук: 25.00.14 / Ивченко Иван Александрович. – М., 2012. – 22 с.

3.                  Бельский А.А., Абрамович Б.Н. Оценка перспектив использования ветроэлектрических установок для энергообеспечения геологоразведочных работ на территории обской губы (тезисы), XLI Неделя науки СПБГПУ 2012, 44-46 с.

4.                  Косьянов В.А., Лимитовский А.М. Перспектива и область использования возобновляемых энергоресурсов при ведении геологоразведочных работ. Материалы X международной конференции «Новые идеи в науках о Земле». Том 2. М.: РГГРУ, 2011.

5.                  Харитонов В.П. Автономные ветроэлектрические установки. — М.: ГНУ ВИЭСХ, 2006. с. 181-184.

Поступила в редакцию 22.05.2014 г.