ro en

Электронный журнал №3(44)2019

"ПРОБЛЕМЫ РЕГИОНАЛЬНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ"

СОДЕРЖАНИЕ

0	ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКА
1	Анализ колебаний напряжения в системах электроснабжения с потребителями с резкопеременной нагрузкой Авторы: Бакшаева Н.С., Вальц И.А. Вятский государственный университет Киров, Российская Федерация
	Аннотация: Целью работы является разработка методики расчета колебаний напряжения при подключении оборудования с резкопеременным характером нагрузки, использующей математические модели работы характерных потребителей лесоперерабатывающих предприятий. Актуальность исследования обусловлена необходимостью дать методическую основу для принятия обоснованного решения о возможности подключения нового потребителя с резкопеременной нагрузкой к существующей схеме. Поставленная цель достигается решением задач, наиболее значимой из которых является: найти способ вычисления колебаний напряжения и дозы фликера при моделировании подключения нового оборудования. Объектом исследования являются системы электроснабжения лесоперерабатывающих предприятий с источниками колебаний напряжения небольшой мощности. Для решения поставленных задач использовались методы экспериментальных и теоретических исследований. Обработка экспериментальных данных осуществляется на базе методов математической статистики, теории вероятностей. Наиболее значимыми результатами являются: методика определения возможности совместного питания коммунально-бытовых потребителей и резкопеременной нагрузки на основе анализа графиков электрических нагрузок и расчета колебаний напряжения; математические модели работы характерных для лесоперерабатывающих предприятий потребителей электрической энергии, являющихся источниками колебаний напряжения. В основу разработанной методики положены анализ графиков электрических нагрузок, математическое моделирование совместной работы оборудования и анализ спектра размахов изменения напряжения. Практическая значимость результатов состоит в том, что полученные математические модели позволяют выполнять численные исследования режимов электропотребления при подключении нового оборудования, рассчитывать показатели качества электрической энергии. Разработанную методику рекомендуется использовать при расчете колебаний напряжения как для существующих объектов электроснабжения, так и при моделировании подключения нового оборудования. В результате исследований сделан вывод, что предложенная методика дает критерии для принятия обоснованного решения о возможности подключения потребителя с резкопеременной нагрузкой к электрической сети и позволяет снизить субъективность при принятии решения.
	Ключевые слова: колебания напряжения; резкопеременная нагрузка; качество электрической энергии; графики электрических нагрузок, математическая модель, источник колебаний. DOI: https://doi.org/10.5281/zenodo.3562179
2	Способ построения безопасных траекторий движения беспилотного летательного аппарата при мониторинге линий электропередач в условиях влияния электромагнитных полей Авторы: Шабанова А.Р., Толстой И.М., Лебедев И.В. Санкт-Петербургский институт информатики и автоматизации Российской академии наук Санкт-Петербург, Российская Федерация
	Аннотация: Целью данной работы является повышение безопасности полета беспилотного летательного аппарата, осуществляющего мониторинг линий электропередачи в условиях негативного влияния электромагнитных полей на работу бортового оборудования. Поставленная задача была решена путем разработки алгоритмов фото- и видеосъемки, и определения стрелы провеса провода как основного конструктивного параметра линии. Наиболее важным результатом исследования является уточнение специфики проведения фото- и видеосъемки при мониторинге воздушных линий, а также автоматизация процесса определения стрелы провеса по изображению. Значимость результатов работы заключается в повышении безопасности функционирования летательного аппарата в процессе мониторинга, а также отказоустойчивости электроэнергетических сетей и сокращении потерь электроэнергии за счет своевременного выявления и реагирования на неисправности элементов воздушных линий, что, в свою очередь, позволит уменьшить экономические издержки обслуживания линий электропередачи. Разработка алгоритмов проведения мониторинга при помощи беспилотного летательного аппарата была нацелена на преодоление недостатков существующих решений. В частности, для многих систем характерно неоптимальное построение траекторий движения летательного аппарата, а также введение неуниверсальных ограничений области полета. Предложен способ устранить недостатки рассмотренных в работе подходов, так как они не учитывают специфику проведения фото- и видеосъемки и конструктивные особенности элементов воздушных линий, что приводит к снижению эффективности обработки изображений и возникновению дополнительных ошибок. С целью повышения точности оценки конструктивных параметров линии алгоритм проведения фото- и видеосъемки предусматривает корректировку положения летательного аппарата относительно провода для двух случаев съемки: сверху и сбоку провода. Для обеспечения безопасной работы бортовой аппаратуры разработана методика расчета карты распределения электромагнитного поля вблизи линий электропередачи, которая позволяет определить минимальное предельное расстояние от провода до летательного аппарата. По результатам тестирования, проведенного в виртуальной среде, точность предложенной методики определения стрелы провеса была оценена на уровне 90,22%.
	Ключевые слова: воздушные линии электропередачи, мониторинг, алгоритмы аэросъемки, стрела провеса, электромагнитное поле линий электропередачи. DOI: https://doi.org/10.5281/zenodo.3562201
3	Модель потребления электрической энергии для энергосистем Украины различного уровня локальности Авторы: Кузнецов Н. П. Институт возобновляемой энергетики национальной академии наук Украины Киев, Украина Лысенко О.В., Чебанов А.Б. Таврический государственный агротехнологический университет имени Дмитрия Моторного Мелитополь, Украина
	Аннотация: Статья посвящена исследованию случайных параметров, описывающих процессы потребления электрической энергии в энергосистемах разного уровня локальности. Целью данной работы является построение математической модели, адекватно описывающей режимы потребления как случайные процессы, а предметом исследования - влияния стохастичности таких параметров математической модели, как показатели сноса и волатильности, на точность представления энергетического баланса в локальной энергосистеме, с учетом реального изменения режимов потребления во времени и различных уровней интеграции потребителей или групп потребителей. В качестве экспериментальных исследований были собраны и статистически обработаны исходные данные о энергопотреблении нескольких населенных пунктов, региональной и объединенной энергосистемы Украины за 2015-2017 годы, по результатам которых разработаны и апробированы математические модели. Для достижения поставленной цели использовались представления параметров модели как переменных (в данном случае случайных) величин, а результаты имитационного моделирования сравнивались с экспериментальными данными. Отмечено, что разброс значений сноса в целом больше, чем волатильности. При объединении группы потребителей или увеличении размера локальной энергосистемы разброс параметров ожидаемо уменьшается. Наиболее существенным результатом работы является установление законов распределения вероятности для параметров процесса потребления электрической энергии. Для показателя волатильности его можно считать Гауссовым. Показатель сноса достаточно точно описывается распределением Вейбулла. Характер распределения случайных значений параметров модели потребления для крупной энергосистемы аналогичен тому, который наблюдался для отдельных населенных пунктов. Оценен размер случайной выборки экспериментальных данных, необходимый для получения статистически устойчивых результатов, он составляет не меньше двадцати последовательно взятых суток. Значимость полученных результатов состоит в установлении степени соответствия фактических данных и случайных реализаций имитационной модели по методу Монте-Карло, что свидетельствует об адекватности предложенной математической модели и дает возможность оценить реальную неопределенность процесса балансирования энергосистемы.
	Ключевые слова: локальная энергосистема, математическое моделирование потребления электрической энергии, волатильность, снос. DOI: https://doi.org/10.5281/zenodo.3562195
4	ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКА
5	Моделирование сопряженного теплообмена во вращающейся каверне микротурбины Авторы: Волков К.Н.1, Левихин А.А.2, Волобуев И. А.3, Мельникова А. И.2,3 1Университет Кингстона, Лондон, Великобритания 2Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова, Санкт-Петербург, Российская Федерация 3Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики (Университет ИТМО), Санкт-Петербург, Российская Федерация
	Аннотация: . Работа посвящена совершенствованию методов расчета системы охлаждения микротурбины с рото-ром на воздушных подшипниках. Целью является разработка усовершенствованного численного мето-да, учитывающего сопряженный теплообмен. Поставленная цель достигается выполнением с помощью разработанного метода расчетов течения в каверне газовой турбины, в процессе которых изучается вли-яние на результаты расчета выбранной модели турбулентности и модели теплообмена. Турбина с рото-ром на воздушных подшипниках является удобной моделью для отработки численного метода. Подача воздуха под избыточным давлением в смазочный слой подшипников увеличивает их несущую способ-ность. Рационально использовать подаваемый воздух для охлаждения статора и ротора турбины. Про-никновение холодного и горячего газов приводит к определенным потерям. Холодный газ, попадая из каверны в основной поток, приводит к понижению температуры рабочей среды в межлопаточном кана-ле, что ведёт к потерям показателей эффективности турбины. Горячий газ, попадая в каверну, приводит к потерям эффективности охлаждения. При проектировании газовых турбин важным является интеграция газодинамических расчетов с тепловыми конечно-элементными расчетами. Существует несколько мето-дов сопряжения температурных полей в жидкости и твердом теле, и передачи тепловых нагрузок между средами, которые и рассмотрены в данной статье: прямой, несопряженный и последовательно сопря-женный. Выполнено сравнение с экспериментальными данными и данными эталонных численных рас-четов прямым методом. Численные эксперименты показали, что в типичных случаях течение в каверне носит турбулентный характер, эффективность охлаждения имеет предел по расходу охладителя, а рас-пределение температуры ротора по длине каверны имеет выраженный минимум в районе середины дли-ны. Наиболее значимыми результатами работы являются выводы о том, что выбор модели турбулент-ности сравнительно слабо влияет на результаты расчета, а учет сопряженного характера теплообмена наоборот строго необходим.
	Ключевые слова: турбина, компрессор, ротор, статор, теплообмен, численное моделирование. DOI: https://doi.org/10.5281/zenodo.3562185
6	Двухконтурный термодинамический цикл с однонаправленным теплообменом между холодильным и энергетическим циклами Авторы: Горпинко Ю.И.1, Сенецкий А.В.1, Сарапин В.П.1, Шубенко А.Л.1, Маляренко В.А.2 1Институт проблем машиностроения им. А.Н. Подгорного НАН Украины, Харьков, Украина 2Харьковский Национальный университет городского хозяйства им. А.Н. Бекетова, Харьков, Украина
	Аннотация: Рассмотрен способ усовершенствования термотрансформаторов охлаждения путем реализации прямого и обратного циклов, связанных тепловым взаимодействием. Теплота, полученная от сжатия хладагента в обратном (холодильном) цикле используется для частичного подогрева рабочего тела прямого (энергетического) цикла, для которого дополнительная теплота подводится извне. Такой подход может дать возможность достижения характеристик термотрансформатора Карно-Карно. Цель исследования состояла в разработке эффективного двухконтурного цикла для охлаждения технологических объектов и сравнение его характеристик с традиционными охладителями. Поставленная цель достигается разработкой комбинированного цикла с минимальным количеством контуров, подбором пары рабочих тел для этих циклов, использование которых позволяет обеспечить эффективную работу цикла при изменениях температуры источника теплоты, исследование расчетным путем режимов работы охладителя при изменениях температуры источника низкопотенциальной теплоты в интервале 130 – 250 ºС, сравнением характеристик предложенного охладителя и теплоиспользующих охладителей традиционного построения, а также исследованиями изменения режима работы регенеративного теплообменника. Наиболее важными результатами являются следующие: определена область параметров сбросной теплоты низкого потенциала, при которых теплообменные аппараты предложенного теплоиспользующего охладителя будут функционировать более эффективно по сравнению с охладителями традиционного построения (при одинаковой эффективности элементной базы). Значимость полученных результатов состоит в том, что при совершенствовании теплоиспользующих охлаждения минимизация потребления механической мощности холодильным циклом не всегда является оправданной. Выявлено, что за счет комплексного использования энергетического и холодильного циклов, на основе передачи теплоты от хладагента после компрессора рабочему телу перед испарителем, повышается эффективность термодинамической системы по сравнению с существующими термотрансформаторами охлаждения. Установлено, что значительное изменение режима работы регенеративного теплообменника происходит при изменении температуры источника теплоты.
	Ключевые слова: энергосбережение, охлаждение, низкокипящее рабочее тело, силовой и холодильный циклы, вторичные энергетические ресурсы, тепловое взаимодействие, термотрансформатор, регенеративный теплообменник. DOI: https://doi.org/10.5281/zenodo.3562197
7	Плазменное горение в проточной камере сгорания Авторы: Есаков И.И.1, Раваев А.А.1, Грачев Л.П.1, Волобуев И.А.3 1Московский радиотехнический институт российской академии наук, Москва, Российская Федерация, 2Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ», Санкт-Петербург, Российская Федерация, 3 Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики (Университет ИТМО), Санкт-Петербург, Российская Федерация
	Аннотация: Работа посвящена проблеме поджигания в скоростном потоке топливной смеси при помощи подкритических стримерных СВЧ разрядов. Проблема актуальна для двигателей, использующих горение при постоянном объеме, в скоростном дозвуковом и сверхзвуковом потоке топливной смеси, а также в детонационных двигателях с принудительным поджиганием. Цель - исследовать возможность зажигания присоединенных подкритических СВЧ разрядов в скоростном потоке вблизи металлического или диэлектрического экрана, а также исследовать способность этих разрядов поджигать топливную смесь. Поставленная цель достигается тем, что выполняются численные расчеты СВЧ разрядов вблизи экрана при скорости потока от 5 м/с до 500 м/с. В расчетах вычисляется концентрация электронов, температура газа и электронная температура. Определяется сдувается разряд или нет. Затем расчеты повторяются для топливной смеси с коэффициентом избытка горючего η от 0,55 до 1,5. Смесь керосина с воздухом заменяется модельной смесью, также исследуется смесь пропана с воздухом. Результаты расчетов смеси пропана с воздухом сравниваются с экспериментами, которые проводились на установке с длиной волны λ = 12,3 см при мощности СВЧ пучка P = 1 кВт и длительности СВЧ импульсов τ = 0,2 сек. Наиболее существенный научный результат состоит в том, что глубокоподкритический разряд, присоединенный к инициатору, расположенному на диэлектрическом экране, не сдувается скоростным потоком и уверенно поджигает смесь. Значимость - показано, что разряд, зажженный на резонаторе вблизи диэлектрического или металлического экрана не сдувается потоком со скоростью в пределах от 50 м/с до 500 м/с. Разряд при этих скоростях уверенно поджигает как богатую, так и бедную топливную смесь. Вблизи «бедного» концентрационного предела горения поджигается и горит только топливо, непосредственно прошедшее через разряд. Результаты расчетов подтверждены экспериментом.
	Ключевые слова: камера сгорания, детонационный двигатель, горение при постоянном объеме, плазменное горение, горение в сверхзвуковом потоке, СВЧ-разряд, стримерный разряд, неравновесная плазма. DOI: https://doi.org/10.5281/zenodo.3562187
8	Исследование расходных и мощностных характеристик последних отсеков теплофикационных паровых турбин Авторы: Татаринова Н.В., Сущих В.М. Вятский государственный университет, Киров, Российская Федерация
	Аннотация: В статье анализируются подходы к описанию расходных и энергетических характеристик последних ступеней и отсеков теплофикационных турбин, имеющих определяющее значение при оценке экономичности работы турбоагрегатов. Актуальность ее обусловлена необходимостью совершенствования методов расчета теплофикационных турбоустановок, которые в настоящее время являются основным источником тепловой энергии в централизованных системах теплоснабжения. Целью данной статьи является оценка современных подходов к описанию энергетических характеристик ступеней и отсеков турбин и разработка альтернативных способов их представления для решения существующих проблем. Эта цель достигнута благодаря тому, что в работе проведено комплексное обобщение экспериментальных данных по энергетическим характеристикам, полученных в ходе опытно-промышленных испытаний турбоустановок нескольких типов, в виде обобщенных нелинейных математических зависимостей, справедливых для всех последних ступеней и отсеков во всем диапазоне расходов пара, вплоть до нулевого. Предложено использовать уточненные энергетические характеристики в виде обобщенных зависимостей основных параметров турбинных ступеней и отсеков, таких как внутренняя мощность, действительный и располагаемый теплоперепады и относительный внутренний КПД, от объемного расхода пара на выходе из отсека или из ступени. Такая форма представления расходных и энергетических характеристик позволила интегрировать их в компьютерные модели расчета турбин, провести детальные численные расчеты на их основе и получить достоверные (с точностью до 1-3%) результаты при расчете переменных режимов, включая малорасходные. Значимость этих результатов состоит в том, что они позволяют находить резервы повышения экономичности ТЭЦ в условиях переменных графиков нагрузок за счет режимных и оптимизационных мероприятий без существенных капитальных затрат, позволяя с высокой точностью прогнозировать возможный энергетический эффект от их внедрения, который невозможно было бы обнаружить при использовании традиционных методик и нормативных характеристик.
	Ключевые слова: теплофикационная паровая турбина, объемный расход пара, расходные характеристики, энергетические характеристики, действительный теплоперепад, вентиляционные потери. DOI: https://doi.org/10.5281/zenodo.3562205
9	Применение подкритического стримерного СВЧ разряда для многоточечного поджигания потока топливной смеси в камере сгорания микротурбины Авторы: Продан Н.В.1,2, Ильина Е.Е.2, Лавров П.В.3, Чернышов П.С.1 1Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ», Санкт-Петербург, Российская Федерация, 2Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики (Университет ИТМО), Санкт-Петербург, Российская Федерация 3Московский радиотехнический институт российской академии наук, Москва, Российская Федерация
	Аннотация: Работа посвящена проблеме повышения топливной экономичности и эффективности процессов горения в газотурбинных энергетических установках. Рассматривается использование многоточечного плазмен-ного зажигания топливной смеси в цилиндрической камере сгорания. Целью исследования является по-вышение эффективности зажигания топливной смеси. Поставленная цель достигается как при помощи теоретических исследований, выполненных с применением численных методов, так и экспериментально, на экспериментальной установке. Сравнивается время распространения фронта пламени, а также скоро-сти роста давления в камере сгорания при 1, 4, 8 очагах воспламенения, создаваемых автомобильными свечами и подкритическими СВЧ разрядам. СВЧ разряды инициируются при помощи полуволнового резонатора. Используется генератор с длиной волны электромагнитного излучения λ=0,123 м. Началь-ное давление топливной смеси изменяется от 0,5∙105 до 2,5∙105 Па. Коэффициент избытка горючего η из-меняется от 0,5 до 2,1. При расчете горения используется квазиглобальная модель химической кинетики, включающая 12 компонентов. Для расчета СВЧ разрядов используется система уравнений газовой ди-намики и уравнений Максвелла для термодинамически неравновесной плазмы в трехмерной постановке. Используется модель поглощения СВЧ излучения стримерным разрядом, в результате чего происходит его разогрев. Наиболее существенным научным результатом является тот факт, что многоточечный стримерный СВЧ разряд удается зажечь внутри металлической камеры сгорания и его эффективность в качестве зажигания гораздо выше как точечного, так и многоточечного искрового зажигания. Значи-мость для практики состоит в том, что скорость нарастания давления при многоточечном СВЧ зажига-нии на треть выше, чем при многоточечном искровом и в три раза выше, чем при стандартном, а затраты подводимой энергии почти в 30 раз меньше. Это позволяет существенно поднять удельные показатели как двигателей внутреннего сгорания, так и двигателей постоянного объема.
	Ключевые слова: микротурбина, плазменное горение, малоэмиссионная камера сгорания, СВЧ-разряд, стримерный раз-ряд, неравновесная плазма. DOI: https://doi.org/10.5281/zenodo.3562189
10	Энергоэффективная теплообменная сеть блока вакуумной перегонки нефти Авторы: Ведь В.Е., Ильченко М.В., Миронов А.Н. Национальный технический университет «Харьковский политехнический институт» Харьков, Украина
	Аннотация: Работа посвящена изучению возможности повышения энергетической эффективности работы теплообменной сети блока вакуумной перегонки нефти на установке замедленного коксования, а также применению механизма оценочного расчёта экономического эффекта от внедрения мероприятий по интеграционной модернизации предприятии. Цель работы состоит в увеличении рекуперации тепловой энергии в химико-технологической системе и уменьшении доли внешних теплоносителей в общей структуре энергопотребления нефтеперерабатывающего завода. Поставленная задача достигается путём применения проектировочных алгоритмов пинч-анализа, принадлежащего к группе широко известных методов интеграции химико-технологических процессов. Наиболее важным результатом работы является доказанная возможность снижения энергии внешних теплоносителей на 1,87 МВт и повышения величины рекуперации тепловой энергии в системе до 11,26 МВт. Значимость полученных результатов состоит в том, что разработанные интегрированные схемы теплообменных сетей могут быть использованы для фактической модернизации рассмотренного в работе производства, а представленные принципы – адаптированы инженерами промышленных предприятий любой другой перерабатывающей отрасли для совершенствования производственных установок и существенного снижения затрат на энергетические статьи внутреннего бюджета. Базовой методологической основой исследования является пинч-анализ. Для определения потенциала энергосбережения рассмотренной системы использовались инструменты построения составных кривых и сеточных диаграмм. Поиск оптимальной величины минимальной разницы температур производился посредством механизма построения стоимостных кривых. Результаты работы представлены в виде сеточной диаграммы интегрированной теплообменной системы блока вакуумной перегонки на установке замедленного коксования. Согласно данным экономической оценки эффективности внедрения разработанного проекта модернизации, срок его окупаемости при условии сохранения уровня закупочных цен на энергоносители для промышленных предприятий или монотонности изменения общей динамики энергетического рынка не превысит трёх лет.
	Ключевые слова: интеграция процессов, пинч-анализ, составные кривые, стоимостные кривые, сеточная диаграмма, рекуперация, энергоэффективность, теплообменник, утилиты, тепловая мощность. DOI: https://doi.org/10.5281/zenodo.3562175
11	Уравнение состояния октафторциклобутана в диапазоне параметров работы энергетических установок на базе органического цикла Ренкина Авторы: Кузнецов К.И., Сухих А.А., Гранченко П.П., Скородумов С.В. ФГБОУ НИУ «МЭИ» Москва, Россия
	Аннотация: Целью работы является построение уравнения состояния октафторциклобутана, которое обеспечит вы-сокий метрологический уровень расчетов циклов и процессов энергетических установок, работающих на основе органического цикла Ренкина (ОЦР). Поставленная цель достигнута разработкой уравнения состояния в виде полиномиальной зависимости коэффициента сжимаемости вириального типа от приве-денных плотности и температуры. Для построения уравнения состояния использовались опытные дан-ные из литературных источников и собственные экспериментальные данные в области перегретого пара и в области пара сверхкритических состояний. Массив новых экспериментальных данных о плотности октафторциклобутана, используемый при разработке уравнения состояния, покрывал диапазон данных в интервале давлений 1÷10 МПа и температур от 100°C до 450°С. Неопределенность измерений во всем интервале составила 0.1-0.25%. Была использована методика составления эквивалентных уравнений с целью обеспечения расчета наиболее достоверных значений производных, необходимых для определе-ния основных термодинамических функций. При различном весовом масштабе опытных точек было по-лучено 11 эквивалентных уравнений состояния со средним квадратическим отклонением по плотности 0.255% c 25 коэффициентами. На их базе получено уравнение состояния с усредненными коэффициен-тами. Наиболее существенным результатом является расширение существующей базы данных основных термодинамических свойств октафторциклобутана, что позволяет использовать данное вещество во всем диапазоне параметров работы энергетических установок. Значимость полученных результатов состоит в том, что результаты расчетов, полученных по новому уравнению состояния, подтвердили воз-можность использования программного пакета по расчету свойств REFPROP 10.0 за пределами гаран-тированного ранее диапазона температур (350°С) вплоть до 470°С для расчета свойств, за исключением теплоемкостей для расчета которых предлагается новое уравнения состояния. Полученное в рамках данной работы экспериментально обоснованное уравнение состояния позволяет выполнять оператив-ные расчеты, необходимые для проектирования циклов и процессов тепловых схем энергетических установок на октафторциклобутане.
	Ключевые слова: термодинамические свойства, фторуглероды, октафторциклобутан, уравнение состояния, стандартное отклонение, термодинамические функции, органический цикл Ренкина (ОЦР) DOI: https://doi.org/10.5281/zenodo.3562207
12	Памяти академика Виталия Михайловича Постолатия