АВТОМАТИЗАЦІЯ ТЕХНОЛОГІЧНИХ ПРОЦЕСІВ

І СИСТЕМИ АВТОМАТИЧНОГО КЕРУВАННЯ

Електронний посібник

ГОЛОВНА	ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ	АНОТАЦІЯ
ДОДАТКИ	СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ	УКЛАДАЧІ

7. АВТОМАТИЗАЦІЯ ЕНЕРГОПОСТАЧАННЯ

7.1. Автоматизація електропостачання сільськогосподарських споживачів та установок для отримання електричної енергії від альтерна-тивних джерел

7.1.1. Автоматизація електропостачання сільськогосподарських споживачів

7.1.2. Автоматична установка компенсації реактивної потужності

7.1.3. Автоматизація сонячних електростанцій

7.1.4. Автоматизація вітрових електростанцій

7.1.5. Автоматизація біогазових установок

7.1.6. Автоматизація когенераційних установок

7.1.1. Автоматизація електропостачання сільськогосподарських споживачів

Рис. 7.1.1. Постачання споживачів електроенергією

Енергопостачання – це надійне і безперебійне забезпечення споживачів електричною енергією, газом, гарячим повітрям і водою, парою і холодом.

Без пристроїв і систем автоматики неможливо організувати економічне, надійне і безперебійне енергопостачання сільських споживачів.

Без автоматичних пристроїв захисту і блокування, керування і регулювання, виміру і сигналізації людина не зможе швидко знайти й усунути пошкодження, а також керувати швидкопротікаючими технологічними процесами в установках електропостачання.


	Завдяки автоматизації підвищується забезпечення безперебійного електропостачання сільських споживачів і надійність роботи електроустаткування, скорочується кількість обслуговуючого персоналу й експлуатаційні витрати, зростає якість електричної енергії і швидкість керування технологічними процесами, знижується собівартість виробленої електроенергії і поліпшуються умови роботи обслуговуючого персоналу.

В установках сільського електропостачання широке застосування знайшли різні пристрої автоматики енергосистем.

Рис. 7.1.2. Пристрій автоматичного захисту

Пристрої автоматичного захисту захищають електричні установки від ненормальних (перевантаження, зниження чи підвищення напруги та частоти) і аварійних (короткі замикання, неповнофазні режими, атмосферні перенапруги тощо) режимів. Захист виконують за допомогою плавких запобіжників, теплових розчіплювачів, магнітних пускачів, теплових і електромагнітних розчіплювачів автоматів і різних реле.

Пристрої автоматичного секціювання мереж дозволяють зберегти електропостачання основної маси споживачів шляхом автоматичного відключення пошкодженої ділянки мережі і частини споживачів, що живляться від цієї ділянки.

Автоматичне повторне ввімкнення (АПВ) забезпечує збереженість електропостачання шляхом автоматичного вимкнення пошкодженої ділянки на короткий час, а потім зворотного його ввімкнення після усунення в безструмову паузу короткого замикання. Звичайно такі минаючі (хитливі) короткі замикання спостерігаються в лініях електропередач. Завдяки АПВ кількість перерв у постачанні споживачів електричною енергією значно знизилося. До 80% загальної кількості споживачів, відключених під час виникнення коротких замикань, успішно автоматично повторно включаються в експлуатацію. Це пояснюється тим, що в період безструмової паузи (від часток секунди до декількох секунд) короткі замикання самоусуваються, оскільки електрична міцність пошкодженого елемента ізоляції під час короткочасного вимкнення в більшості випадків відновлюється.

Пристрої АПВ випускають як однократними, так і дво- і триразовими, тобто два і три рази виконують спробу автоматичного повторного ввімкнення після вимкнення лінії захистом. Схеми багаторазових пристроїв АПВ значно складніше однократних, тому їхнє застосування в сільському електропостачанні може бути виправдано лише на відповідальних установках.

Автоматичне ввімкнення резервного обладнання (АВР) забезпечує безперебійність електропостачання за допомогою швидкого автоматичного вимкнення релейним захистом пошкодженого обладнання і підключення резервного обладнання чи джерела електроенергії. Якщо АПВ повторно вмикає лінію електропередачі, то пристрій АВР включає резервне джерело електроенергії (силовий трансформатор, резервну електромережу чи дизельну електростанцію) під час виходу з роботи основного.

УАВР-01

Рис. 7.1.3. Пристрії автоматичного ввімкнення резерву

Пристрої АВР відносно прості, і вартість їх незначна, тому економічний ефект від їхнього впровадження істотно помітний. Пристрої АВР ефективно використовують під час електропостачання тваринницьких комплексів, що мають частину споживачів першої і другої категорій.

Тривалість дії пристроїв АПВ і АВР у загальному випадку обмежується двома умовами. По-перше, час безструмової паузи має бути більшим від часу деіонізації середовища в місці короткого замикання і меншим від часу, що забезпечує самозапуск увімкнених двигунів після відновлення напруги. Час рекомендується для АВР приймати рівним 0,5–1,5 с, для однократного АПВ–0,5–2 с, для дворазового АПВ у другому циклі – 10–15 с.


	За оперативного вимкнення джерел електропостачання пристрої АПВ і АВР виводяться з роботи, тобто вони не виконують повторного увімкнення і вимкнення резервного джерела.

Автоматичне частотне розвантаження джерела електропостачання (АЧР) запобігає надмірне зниження частоти, що загрожує розвитком аварії, шляхом примусового автоматичного відключення маловідповідальних споживачів під час зниження чистоти через дефіцит потужності. Пристрої АЧР під час зниження частоти до 40–47 Гц (залежно від конкретних енергосистем) по черзі відключають невідповідальні споживачі такою сумарною потужністю, щоб частота відновилася до 48...49,5 Гц. Сільські електроспоживачі поки не охоплені пристроями АЧР, хоча для тваринницьких комплексів вони обов'язкові.

Рис. 7.1.4. Шафа керування автоматичним регулюванням збудження генераторів

Автоматичне регулювання збудження генераторів і напруги в мережах забезпечує підтримку напруги в електроспоживачів на заданому рівні. Для більшості сільських споживачів відхилення напруги допускають від –7,5 до +7,5%, а для тваринницьких комплексів промислового типу – як для загальнопромислових споживачів: для електродвигунів і їхньої апаратури керування від –5 до +10%, для інших електроприймачів від –5 до +5% номінальної напруги.

Задане навантаження на шинах електростанцій забезпечується регуляторами збудження генераторів, на шинах підстанцій – пристроями автоматичного переключення під навантаженням відгалужень силового трансформатора, в електромережах і безпосередньо в електроспоживачах – статичними конденсаторами, що одночасно використовують як компенсатори реактивної потужності.

Пристрої автоматики для автоматичного пуску й зупинки електрогенеруючих агрегатів, автоматичного ввімкнення генераторів на паралельну роботу, регулювання частоти і розподілу активної потужності між паралельно працюючими агрегатами застосовують на дизельних, гідравлічних і вітрових електростанціях сільськогосподарського призначення, зокрема використовуваних як резервні джерела.

Крім того, в установках сільського електропостачання широко використовуються різного призначення автоматичні пристрої виміру, контролю і сигналізації, що дозволяють обслуговуючому персоналу стежити за режимами роботи установок і швидко визначати причину і порушення нормального режиму і місце аварій. Схеми і пристрої автоматизації перерахованих технологічних процесів електропостачання розглядаються в курсі «Електропостачання сільського господарства».

7.1.2. Автоматична установка компенсації реактивної потужності


	Для автоматичної компенсації реактивної потужності використовується установка КРМ-0,4-54-3,6-УЗ, яка під час підключення до споживача дозволяє підтримувати коефіцієнт потужності індуктивного характеру на заданому підвищеному рівні, зменшуючи, таким чином, величину реактивної потужності, споживаної ними з мережі.

Керуючим пристроєм є регулятор, який обчислює поточний cosφ, споживача, порівнює його з вставкою і робить різницю цих величин шляхом видачі команд на підключення до навантаження однієї або декількох конденсаторних батарей (ступенів). Регулятор і силове обладнання (конденсатори, захисні і комутаційні апарати) встановлюються в металоконструкції (шафі).

Рис. 7.1.5. Установка компенсації реактивної потужності

КРМ-0,4-54-3,6-УЗ


	Установка призначена для автоматичного регулювання cos φ в системі енергопостачання об'єкта або окремого споживача, із забезпеченням наступного:

· зниження навантаження силових ланцюгів електропостачання шляхом компенсації реактивної складової струму навантаження;

· підтримки групового коефіцієнта потужності навантаження об'єкта в заданих межах;

· оптимізації комерційних розрахунків за спожиту електроенергію.

Установка складається з силових косинусних конденсаторів, спеціалізованих магнітних пускачів, захисних апаратів ступенів, регулятора, а також системи шин, силових і контрольних зв'язків. Принцип роботи установки полягає в автоматичній підтримці на заданому рівні cosφ споживачів, до яких вони підключаються, шляхом підключення або відключення до мережі окремих конденсаторів (ступенів), з яких складаються установки (рис. 7.1.6).

Рис. 7.1.6. Принципова електрична схема установки автоматичної

компенсації реактивної потужності

Команди регулятора реалізуються у вигляді замикання (розмикання) контактів його вихідних реле. Ці контакти, в свою чергу комутують ланцюги живлення котушок магнітних пускачів ступенів КМ1–КМ4 типу RADE KONCAR CNNK 20 10 E. Пускачі Rade Koncar серії CNK мають допоміжні контакти перед ввімкненням. Спеціальний вид контактів призначений для комутації пускового струму конденсатора, за дуже короткий період 2–3 мс, через струмообмежувальний резистор. Після замикання основних контактів, спеціальна система вимикає резистори. Завдяки такому вирішенню контакти працюють з мінімальним зносом, що продовжує термін служби і забезпечує надійний контакт. Магнітні пускачі ступенів, в свою чергу, підключають (відключають), в силових колах до мережі косинусні конденсатори С1–С5, змінюючи, таким чином, груповий (або індивідуальний) cos φ.

image010-gigapixel-standard-scale-2_00x-topaz-enhance

Рис. 7.1.7. Регулятор реактивної потужності «РIС-KVAR»

Електротехнічна установка складається з регулятора реактивної потужності «РIС-KVAR», який є мікропроцесорним контролером і призначений для багатоступінчастого автоматичного дискретного регулювання реактивної потужності конденсаторних установок напругою 0,4–10 кВ (рис. 7.1.7). Він в автоматичному режимі вимірює напругу на шинах установки, і струм навантаження споживачів за допомогою зовнішніх трансформаторів струму. Відповідно до виміряних значень регулятор обчислює діюче співвідношення між активною і повною потужністю – cosφ. Уставка необхідного cosφ вводиться в регулятор за допомогою кнопок управління. Також в пам’ять регулятора вводяться потужності кожного ступеня. Ручне управління також реалізується за допомогою регулятора.

Конденсатори С1–С5 установки забезпечують видачу реактивної потужності ємнісного характеру відповідно до своєї паспортної потужності під час їх робочої напруги. Вони забезпечені вбудованими розрядними резисторами, що забезпечують зниження напруги на конденсаторі до 75В упродовж 3 хвилин після вимкнення конденсатора. Цим також визначається мінімальний час, який має пройти між ввімкненням ступені і її повторним включенням (3 хв.). Ця величина також вводиться в пам'ять регулятора і визначає швидкодію установки.

Рис. 7.1.8. Схема підключення регулятора реактивної

потужності «РIС-KVAR»

Контактори КМ1х–КМ4х мають спеціальну приставку з струмообмежувальними резисторами для комутації конденсаторів, що забезпечують їх високий ресурс зносостійкості при комутації конденсаторів. Напруга управління електромагнітними котушками контакторів – 220Х/АС.

Для захисту від коротких замикань у силових ланцюгах, а також від перевантаження по струму, шини оснащуються запобіжниками, які встановлюються в роз'єднувачах. Конструкція роз'єднувачів ступенів забезпечує видимий розрив силових ланцюгів під час витягнутих запобіжників.

Для захисту ланцюгів вимірювання та управління застосовується запобіжник FU1, що встановлюється в «пробкові» тримачі. Аварійне вимкнення установки від мережі здійснюється захистом, який встановлений у регуляторі.

Для забезпечення нормального температурного режиму роботи установки, в ній передбачена система природної вентиляції, яка забезпечена термостатичним датчиком захисту від перегріву.


	В установці передбачається наступна світлова сигналізація:

• «Ступінь включена» – Світлосигнальний індикатор на панелі регулятора для кожного ступеня установки;

• «Аварія» (під час перевищення напруги) – відповідний символ на РКІ регулятора;

• «Ручний режим» – відповідний символ на РКІ регулятора;

Також установка реалізує індикацію на табло регулятора величини U, I, S, P,Q, cos φ, tg φ.


	У регуляторі установки реалізуються наступний захист від:

· відсутності струму вимірювання;

· підвищеної напруги;

· зникнення напруги;

· перевищення повної потужності приєднання.

У регуляторі установки передбачено блокування від повторного ввімкнення контактора ступені раніше, ніж минув час, необхідний для розряду конденсатора ступені до допустимої величини напруги.

Зовнішній трансформатор струму (ЗТС), сигнал якого використовується для регулювання cosφ, повинен розміщуватися в фазі «А» на вводі РУ-0,4 кВ до будь-якого з відгалужень на навантажувальному фідері установки реактивної потужності (рис. 7.1.9).

Рис. 7.1.9. Схема підключення установки

Перевірка роботи регулятора в автоматичному режимі.

Якщо cosφ знаходиться в межах 0,6–0,9 інд. і регулятор не включає світлодіод «Аварія» ні в одному з режимів роботи, то налаштування виконані правильно.

Якщо cosφ до включення установки знаходився у межах 0,6–0,9, то регулятор має включити кілька ступенів і досягти необхідного cosφ (уставки). Включення ступенів має розпочатися упродовж 0,5–2 хв після останнього натискання кнопки на регуляторі. Якщо включення не відбувається необхідно перевірити настройки регулятора і за необхідно скоригувати їх.

Технічні дані установки наведено в табл. 7.1:

Таблиця 7.1

Технічні дані установки для компенсації реактивної потужності

КРМ-0,4-54-3,6-УЗ

Параметр	Значення
Номінальна робоча напруга, VАС	400
Частота мережі, Нz	50
Компенсаційна потужність при 400В, kVAr	54
Конфігурація (число ступенів х потужність, kVAr)	6,25 + 12,5 + 15 + 20
Напруга кіл керування контакторів, VАС	220
Число релейних виходів регулятора	6
Вимірювання струму, А (через трансформатор струму х/5А)	0,035 ... 7
Наповнення конденсаторів	сухі
Робоча напруга конденсаторів, В	400
Термін служби конденсаторів, годину	120 000
Розряд конденсаторів за час, з/до напруги, В	180/75
Габаритні розміри шафи (В×Ш×Г), мм	800×650×250
Вага, кг	58
Ступінь захисту металоконструкцій	Р54
Охолодження	природне

7.1.3. Автоматизація сонячних електростанцій

Сонячна енергія, яка потрапляє на поверхню нашої планети, має велику потужність – сонячне випромінювання за тиждень за потужністю перевершує всі нині відомі світові запаси нафти, урану і вугілля разом узяті. Крім того, сонячна енергетика – екологічно чиста, під час її вироблення не утворюється вуглекислий газ, вона повністю радіаційно безпечна і не утворює подальшої утилізації відходів.

cinema-321

Сонячна електростанція. Енергія майбутнього

Джерело: https://www.youtube.com/watch?v=Pt2STFJMATA

Мережеві сонячні фотоелектричні станції, тобто підключення до загальної мережі, найчастіше зустрічаються і використовуються (абревіатури – ФЕС, СЕС) – один з найактивніших видів електростанцій, що використовують для генерування електрики, як поновлювані, альтернативні джерела енергії.

Сонячні батареї (фотоелектричні модулі) перетворюють енергію сонячного випромінювання в змінний струм, який потім надходить у загальну централізовану електромережу. Мережеві сонячні системи як об'єкт сонячної енергетики можуть використовуватися як для генерації екологічно безпечної електроенергії для подальшої реалізації в загальнодержавну електромережу за зеленим тарифом, так і для вироблення електроенергії для власного споживання.


	Основні переваги сонячних електростанцій.

· Використання безкоштовної, відновлювальної енергії, доступною практично в необмежених обсягах – сонячного випромінювання. Яке немає необхідності доставляти до місця генерації електрики.

· Висока надійність – сучасні сонячні батареї можуть ефективно експлуатуватися упродовж 25 років. Крім того, станція не має рухомих та обертових частин, які особливо швидко зношуються і вимагають швидкої заміни.

· Низькі витрати на експлуатацію – сучасна сонячна електростанція відрізняється високим ступенем автоматизації всіх процесів, тому вимагає мінімальної кількості обслуговуючого персоналу.

· Технічне обслуговування сонячних станцій для підтримки працездатності станції дуже маловитратні і не вимагають проведення трудомістких дорогих операцій.

· Можливість задіяти під будівництво сонячної електростанції не тільки вільні площі, а й ті, які використовуються малоефективно або взагалі не використовуються, наприклад, фасади і дахи будинків – це не тільки дозволяє заощадити територію, але і значно знижує капіталовкладення в будівництво СЕС.

· Обсяги генерації електроенергії в кілька разів перевершують ті, які були витрачені для її виробництва.

· Висока швидкість повернення інвестицій – на сьогоднішній день, інвестиції в сонячну енергетику окупаються швидше, ніж в нафтогазову галузь.

· Можливість інсталяції обладнання в місцях, де централізоване енергозабезпечення відсутня.

· Варіативність за потужністю сонячних електростанцій дає можливість виробляти необхідну кількість електроенергії і використовувати її максимально ефективно.

· Можливість створення повністю автономних систем енергозабезпечення під час використання систем накопичення енергії (акумуляторних батарей великої ємності).

· Висока автоматизація всіх процесів, що дозволяє легко контролювати всі процеси, що протікають і оптимізувати режими генерації.

Рис. 7.1.10. Типова структура мережевої сонячної електростанції


	Типова мережева сонячна електростанція складається з наступних елементів:

• сонячні батареї – служать для перетворення сонячного випромінювання, що надходить на їх поверхню, в постійний струм;

• мережеві інвертори – їх функціональне призначення – перетворення постійного струму (DC), що надходить від сонячних батарей, у змінний струм з промисловою частотою;

• система моніторингу та управління СЕС – призначена для контролю параметрів роботи, а також справності всіх компонентів ФЕС;

• лічильники – забезпечують моніторинг продуктивності СЕС, а також обліку кількості електроенергії, яка реалізується в зовнішню загальну мережу за зеленим тарифом;

• несучі ферми та металеві опорні конструкції – служать для монтажу сонячних панелей на земній поверхні, фасадах будинків, дахах тощо. Крім статичних конструкцій, можуть використовуватися рухомі поворотні сонячні трекери для встановлення сонячних батарей;

• провідні лінії електропередач (ЛЕП) – забезпечують з'єднання СЕС із загальною централізованою мережею;

• власні одержувачі електроенергії – використовують вироблену СЕС електроенергію прилади побутового або промислового призначення.

Сонячні електростанції можуть додатково комплектуватися акумуляторними батареями – вони можуть забезпечити живлення резервованого навантаження споживача, якщо зовнішня електромережа відключиться. Крім того, використання накопичувальних систем електроенергії допоможе створити повністю автономну систему енергозабезпечення об'єкта – такий варіант особливо важливий у місцях, де відсутня промислова енергомережа.

Система контролю перетікання електроенергії – вона попередить витік електроенергії, одержуваної ФЕС, в загальну електросистему.

Трекерна система стеження за Сонцем – електромеханічна система, що дозволяє за рахунок постійної підтримки оптимального стану сонячних батарей відносно сонця максимально ефективно використовувати надходження сонячного випромінювання.


	Системи управління – дозволяють дистанційно здійснювати:

· безперервний моніторинг за всіма параметрами станції;

· проводити діагностику обладнання;

· відображати в режимі реального часу всю необхідну інформацію;

· зберігати всю інформацію про стан і роботу як самої сонячної станції, так і окремих елементів.

cinema-321

Монтаж сонячної електростанції

Джерело: https://www.youtube.com/watch?v=Y04zb5wOi_8

Your browser does not support the video tag.

Диспетчеризація сонячної електростанції – важливий елемент управління і моніторингу за працездатністю обладнання як безпосередньо на об'єкті, так і в будь-якій точці світу. Диспетчерське управління здійснюється оператором з головного пульта управління через операторську станцію. Стан обладнання і аварії відображається на графічному дисплеї, за допомогою програми візуалізації технологічних процесів – SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) системи Simatic WinCC (Windows Control Center), що працює на платформі ОСWindows.


	Функціональні можливості використання системи моніторингу та диспетчеризації сонячної електростанції для керівного складу, керівництва та для операторів станції:

· доступ до системи з будь-якої точки світу за допомогою інтернету;

· інформація про продуктивність сонячної електростанції;

· розмір запобігання викидам CO₂;

· бізнес-аналітика – порівняння ключових індикаторів продуктивності різних ділянок сонячної станції/різних сонячних станцій;

· огляд розташування технологічного обладнання;

· контроль поточних параметрів роботи сонячної електростанції;

· експорт даних в треті системи;

· звітність про вироблену електроенергію за періодами з побудовою графіків;

· контроль стану устаткування сонячної підстанції та дій оперативного персоналу;

· дистанційний моніторинг і управління;

· контроль роботи всього обладнання сонячної електростанції;

· моніторинг виробничого циклу електроенергії кожного стренга, кожної інверторної підстанції;

· діагностика силового обладнання;

· отримання і обробка сигналів тривог;

· дистанційний моніторинг і управління.


	Сонячні електростанції – це комплексне рішення, в якому об'єднані інвертори, система управління зберіганням електроенергії та система автоматизації, яка дозволяє управляти і контролювати виробництво сонячної електроенергії, а за допомогою системи управління споживачами електроенергії можна збільшити свою енергетичну незалежність.

Your browser does not support the video tag.

cinema-321

Cонячна електростанція

Джерело: https://www.youtube.com/watch?v=X7OoEo_pB_M

7.1.4. Автоматизація вітрових електростанцій

Вітрогенератор (вітроенергетична установка, скорочено – ВЕУ) – пристрій, що перетворює кінетичну енергію вітру в електричну енергію. Вітряки, вітрові електростанції виробляють електричну енергію, необхідну для побутових або промислових споживачів.

Принцип дії всіх вітроустановок один: під напором вітру обертається вітроколесо з лопатями, яке передає крутильний момент через систему передач валу генератора, що виробляє електроенергію. Реальний ККД вітрових лопатей досягає 45% у разі стійкої роботи за оптимальної швидкості вітру.

Your browser does not support the video tag.

cinema-321

Енергія вітру

Джерело: https://www.youtube.com/watch?v=w0aKG3sUXbs


	Вітрогенератори (вітрові електрогенератори) розрізняють за:

• розташуванням осі ротора.

Випускають вітрогенератори з горизонтальною або вертикальною віссю. Вітрогенератори з горизонтальною віссю більш розповсюджені.

Сучасні вітрові електрогенератори з горизонтальною віссю обертання мають наступні переваги:

1. Більший ККД (приблизно в 3 рази) і масогабаритні показники.

2. Легке регулювання потужністю і здійснення штормового захисту.

3. Кращі показники щодо запуску ротора за слабких вітрів.

4. Більш низька вартість вітрогенератора.

Одночасно малопотужні вітрогенератори до 1 кВт з вертикальною віссю легкі в конструюванні, працюють навіть від слабких вітрів усіх напрямків, генерують слабкий шум. Такі вітрогенератори, незважаючи на багато більшу вартість, знайшли деяке застосування. У світі вітрогенератори з горизонтальною віссю займають 95% від всього світового виробництва вітрових електростанцій;

• кількістю лопатей.

Вітрогенератори з 2–3 лопатями відносяться до швидкохідних з більш високим ККД і частотою обертання, але при цьому мають низький стартовий момент ротора. Тому швидкохідні вітрогенератори вигідно об'єднувати з електричним генератором, тому що електричний генератор має високу частоту обертання (для покращення масогабаритних характеристик) і низький пусковий момент. Тихохідні вітрогенератори зазвичай працюють з водяними насосами, у яких великий момент запуску і менша частота обертання. Швидкохідні трилопатеві вітрогенератори набули більшого поширення, ніж дволопатеві, незважаючи на їх високу вартість. Трилопатевим ротором генерується менша вібрація і виглядає він більш естетично;

• встановленою потужністю.

1. Вітроустановки (ВЕУ) малої потужності – встановлена потужність до 100 кВт.

2. ВЕУ середньої потужності – встановлена потужність від 100 до 1000кВт.

3. ВЕУ мегаватного класу або ВЕУ великої потужності – встановлена потужність понад 1000кВт.

• наявністю або відсутністю редуктора (мультиплікатора).

Редукторні вітрові електростанції – це, як правило, ВЕС потужністю понад 50кВт. У ВЕС без редуктора рівень шуму набагато менший, у зв'язку з чим багато компаній-виробників впроваджують у виробництво саме безредукторні ВЕС;

• типом енергоспоживачів.

Розрізняють вітроустановки автономні і мережевого призначення. Автономні вітростанції використовуються для енергопостачання віддалених від загальних електромереж споживачів. Мережеві вітроелектростанції (ВЕС), які налічують кілька десятків або сотень великих вітроустановок, споруджуються для того, щоб генеровану енергію передавати в загальну мережу з використанням спеціальних «зелених» тарифів. Зазвичай, мережеві установки мають потужність понад 100 кВт, а автономні ВЕС – менше 100кВт.

Your browser does not support the video tag.

cinema-321

Вітряний генератор

Джерело: https://www.youtube.com/watch?v=QuVxyKKuAGs

Основними елементами установки є вітроприймальний пристрій (лопаті), редуктор передачі крутильного моменту до електрогенератора, електрогенератор і башта. Вітроприймальний пристрій разом з редуктором утворюють вітродвигун. Завдяки спеціальній конструкції лопатей у повітряному потоці виникають несиметричні сили, які створюють крутильний момент.

Оскільки вітер може змінювати свою силу і напрям, вітрові установки обладнуються спеціальними пристроями контролю і безпеки. Ці пристрої складаються з механізмів розвороту вісі обертання за вітром (віндроза), нахилу лопатей відносно землі за критичної швидкості вітру, системи автоматичного контролю потужності та аварійного відключення для установок великої потужності.

Найчастіше на ВЕС (рис. 7.1.11) використовується трилопатеве вітроколесо з горизонтальним розташуванням вісі ротора. Удосконалення відбуваються шляхом збільшення розмірів лопатей, покращення техніко-економічних показників енергетичного обладнання і електронного управління, використання композитних матеріалів і застосування більш високих башт. Деякі ВЕУ функціонують зі змінною швидкістю або взагалі не використовують редуктор і працюють за методом прямого приводу. Так, за потужності ВЕУ 2,5 МВт діаметр лопатей вітроколеса досягає 80 м, а висота башти понад 80 м.

image021-topaz-enhance

Рис. 7.1.11. Вітрова електростанція Shiloh II (США, штат Каліфорнія)

введена в дію в лютому 2009 року

ВЕУ з вертикальною віссю обертання мають переваги перед установками з горизонтальною віссю, які полягають у тому, що зникає необхідність у пристроях орієнтації на вітер, спрощується конструкція і знижуються гіроскопічні навантаження, обумовлені додатковим напруженням в лопатях, системі передачі та інших елементах установки, з’являється можливість встановлення редуктора з генератором в основі башти. Конструктивну схему ВЕУ з вертикальною віссю обертання наведено на рис. 7.8.

Особливості вітрових електричних станцій (ВЕС) полягають у такому:

· значна кількість вітрових електроустановок (ВЕУ), розміщених на великих територіях під відкритим небом, що не мають огородження;

· основне устаткування ВЕУ розташоване на висоті;

· електромагнітне випромінювання від ВЕУ, яке може впливати на роботу систем радіозв'язку;

· неможливість сталого забезпечення виробництва електроенергії;

· розкидання деталей на значні відстані у разі аварійного руйнування ротора ВЕУ;

· високий ступінь автоматизації керування роботою ВЕУ;

· залежність роботи ВЕС від швидкості вітру, що вимагає прийняття спеціальних рішень щодо організації експлуатації устаткування

Система автоматичного керування ВЕУ має забезпечувати роботу як у режимі керування власною автоматикою, так і в режимі роботи в складі АСК ВЕС.

Для потужних, цілком автоматизованих ВЕУ допускається робота без АСК ВЕС.


	Система автоматичного керування і контролю ВЕУ має забезпечувати виконання таких функцій:

- пуск ВЕУ і ввімкнення її в мережу;

- контроль і діагностику пристроїв і устаткування;

- стійке підтримання номінального навантаження під час швидкостей вітру, які перевищують номінальні;

- програмне та аварійне зупинення ВЕУ;

- обмеження закидань частоти обертання ротора в допустимих межах під час скидання навантажень, пов'язаних з відключенням ВЕУ від мережі;

- орієнтацію ротора (контроль орієнтації) за напрямком вітру;

- представлення інформації на верхній рівень АСК.

Перевірка систем керування ВЕУ миттєвим скиданням навантаження має проводитися шляхом відключення її від мережі в випадках приймання ВЕУ в експлуатацію після монтажу чи капітального ремонту та після ремонту чи модернізації системи керування вітроколесом.


	У процесі експлуатації, на підставі спостережень і показів засобів вимірювальної техніки (ЗВТ), має проводитися параметрична діагностика ВЕУ, яка передбачає:

- визначення відповідності потужності швидкості вітру;

- контроль параметрів роботи генератора;

- контроль температурного режиму вузлів, а також повітря в гондолі ВЕУ, якщо це передбачено її конструкцією.

Вітрові електростанції установки найвигідніше використовувати в місцях, де неможливо провести загальну електромережу, або підключення є дуже витратним, а також – у місцях з частими відключеннями електрики. Вітрові електростанції є сенс встановлювати, якщо в місці встановлення середньорічна швидкість вітру перевищує 3 м/с.

7.1.5. Автоматизація біогазових установок

Біогазова установка – це комплекс споруд і технологічного обладнання, які інтегровані в єдину автоматичну систему керованого метанового бродіння.

Рис. 7.1.12. Біогазова установка

Технологія отримання біогазу, склад будівельних споруд і устаткування біогазової установки відрізняється залежно від сировини і специфіки проєкту. Існують двостадійні та одностадійні біогазові комплекси. Одностадійна технологія використовується для більшості субстратів і таку технологію можна вважати базовою. Двостадійна технологія використовується для субстратів, які швидко розщеплюються, через що мають схильність до окислення. Технологія отримання біогазу в дві стадії відрізняється від одностадійної наявністю додаткового реактора гідролізу. У базовій комплектації біогазові установки складаються з наступних вузлів і споруд:

Описание: Описание: Описание: http://www.biteco-energy.com/uploads/images/biogasplant_scheme2.jpg

Рис. 7.1.13. Будова біогазової автоматизованої установки:

1 – приймальний резервуар; 2 – система обігрівання; 3 – механічні мішалки; 4 – система подачі біомаси; 5 – ферментатор; 6 – газгольдері; 7 – купол; 8 – система газовідведення та газоподачі з системою відведення конденсату та сіркоочищення; 9 – сепаратор;

10 – лагуна чи резервуар для зберігання рідких добрив; 11 – система автоматики, візуалізації процесів і управління; 12 – теплопункт; 13 – когенератор

Принцип роботи біогазової установки передбачає максимальну автоматизацію та зведення до мінімуму витрат людської праці (рис. 7.1.13). Відходи надходять в приймальний резервуар 1. У ньому відбувається їх попереднє накопичення, підігрів 2 і ретельне перемішування 3. Подача сировини в ферментатор 5 відбувається 4–6 разів на добу за допомогою спеціального насоса для рідких і драглистих субстратів. Ферментатор 5 є газонепроникним, герметичним резервуаром. Для підтримки стабільної температури всередині ферментатор обладнується системою обігрівання днища і стін 2. У холодних кліматичних умовах, щоб уникнути втрати тепла, ферментатор теплоізолюється зовні. Субстрат постійно перемішується за допомогою низькошвидкісних механічних мішалок 3, що гарантує повне і дбайливе перемішування. Залежно від фізико-механічних властивостей субстрату, використовують різні види систем перемішування: механічні, гідравлічні або пневматичні.

Вивантаження перебродженого субстрату відбувається автоматично з такою ж періодичністю, як і завантаження. Управління роботою всієї біогазової станції проводиться за командами системи автоматики 11. Біогаз збирається в газгольдері 6. Газгольдер 6 використовується як газонепроникне покриття ферментатора і виконує функцію акумулювання газу. Зовнішній купол 7 має високу стійкість до ультрафіолету, стійкий до підпалювання і є надзвичайно розтяжним. Схема біогазової установки передбачає високу еластичність цього елемента і надійну фіксацію конструкції. Відведення біогазу відбувається по трубопроводу 8, який оснащений пристроями автоматичного відведення конденсату і запобіжними пристроями, які захищають газгольдер 6 від перевищення допустимого тиску. З газгольдера 6 йде безперервна подача біогазу на когенераційну установку або систему очищення біогазу. Перероблений субстрат після установки подається на сепаратор 9. Система механічного поділу працює від 4–6 разів на добу і розділяє залишки бродіння після ферментатора на тверді та рідкі біодобрива. Все обладнання контролюється системою автоматики 11. Будова біогазової установки передбачає мінімалізацію людської праці під час її роботи.

cinema-321

Будова і принцип роботи біогазової установки

Джерело: https://vukladach.pp.ua/MyWeb/manual/

Технологія отримання біогазу передбачає два режими з організації та контролю роботи систем на ділянках біогазової станції:

• програмно-тимчасове управління технологічними фазами здійснюється за тимчасовими інтервалами і синхронізується між системами;

• за значеннями контрольно-вимірювальних приладів. За цим принципом організовані системи автоматичного контролю граничних або аварійних значень технологічних операцій.

Сигнали для синхронної роботи всієї установки надходять на центральний програмно-логічний контролер. Контролер проводить опитування всього технологічного ланцюга комплексу і виводить інформацію на екран монітора. На екрані відображено всі споруди та вузли, оснащені приводами і датчиками параметрів. Всі робочі параметри біогазової установки відображаються на моніторі центральної диспетчерської. Диспетчерська обладнана центральним пультом управління, що дозволяє переводити роботу всіх ділянок біогазової установки в ручний або автоматичний режим для місцевого або дистанційного керування.

Тобто сучасні біогазові установки – достатньо складний виробничий комплекс. Для підготовки, оптимізації та прискорення процесів вироблення біогазу на БГУ застосовують багато різного електромеханічного обладнання. Всі системи на БГУ працюють в автоматичному режимі під керуванням центрального керуючого комп’ютера. Автоматизація технологічних процесів на біогазових установках потрібна для узгодженої роботи різних механізмів, точного дотримання параметрів біосубстрату та для ефективного виробництва біогазу.

Your browser does not support the video tag.

cinema-321

Біогазова установка

Джерело: https://www.youtube.com/watch?v=QU-Fwn7gdsU

7.1.6. Автоматизація когенераційних установок

Під час вибору обладнання для підвищення ефективності вироблення тієї чи іншої форми енергії і збільшення економії слід розглянути можливість впровадження когенераційних установок.

Сама по собі когенерація – це комбінований процес одночасного виробництва електричної і теплової енергії. Установка складається з системи управління, газового двигуна, системи відбору тепла і генератора.


	Область можливого застосування когенераційних установок:

· промислові об'єкти, які займаються виробленням теплової енергії;

· промислові виробництва;

· нафтопереробні заводи;

· лікувальні заклади;

· газоперекачувальні станції;

· об'єкти житлової сфери тощо.


	Впровадження когенераційних установок дозволяє:

· знизити витрати на тепло- та електропостачання майже в 3 рази;

· знизити потребу в покупній енергії;

· отримати незалежне електропостачання;

· вирішити проблему забезпечення споживачів енергією без додаткових капітальних витрат.

Теплову схему найпростішої когенераційної установки на базі газотурбінного двигуна зображено на рис. 7.1.14.

image029-topaz-enhance

Рис. 7.1.14. Теплова схема когенераційної електростанції:

1 – газотурбінний двигун; 2 – електрогенератор; 3 – котел-утилізатор;

4 – витратний бак живильної води; 5 – насос; 6 – споживач теплоти

Приклад системи з утилізацією тепла від двигуна внутрішнього згоряння. Схема (рис. 7.1.15) когенераційної установки, що працює на природному газі.

Рис. 7.1.15. Приклад системи з утилізацією тепла

від двигуна внутрішнього згоряння

На рис. 7.1.15 зображено систему, яка виробляє трифазну змінну напругу, а також пар або гарячу воду заданої температури, використовуючи тепло від системи охолодження і випускної системи.

Потреби об'єкта в електроенергії і теплі повністю покриваються когенераційною установкою, також можливий експорт енергії в електричну і теплову мережу. Всі аналогові і логічні сигнали від генератора, двигуна, теплообмінників і допоміжних систем надходять і обробляються контролером InteliSys.

Повний контроль над усіма системами установки реалізований за допомогою вбудованих функцій ПЛК контролера InteliSys. Всі поточні вимірювання, сервісні повідомлення та сигнали помилок від двигуна і допоміжного обладнання зберігаються в глобальному журналі подій.

Забезпечується дистанційне керування і диспетчеризація установки.

Багатофункціональний програмований контролер з вбудованим ПЛК для управління газопоршневими, дизельними і двопаливними когенераційними установками (КДУ). Забезпечує контроль і захист двигуна, генератора, тепломеханічної частини та іншого допоміжного обладнання.

image061-topaz-enhance

Рис. 7.1.16. Загальний вигляд програмованого контролера InteliSys


	Функціональна характеристика контролера InteliSys.

· Універсальний багатофункціональний контролер для генераторних установок, що працюють у резервному або паралельному режимі.

· Підтримка когенераційних установок (CHP) та інших складних систем з великою кількістю допоміжного обладнання.

· Двокомпонентна конструкція з базового блоку (IS-NT-BB) і виносного дисплея (InteliVision 8 або IS-Display).

· Повна підтримка двигунів з електронним уприскуванням (CAN/J1939, RS232/Modbus), діагностичні повідомлення в зрозумілій формі, підтримка додаткових сервісних функцій ECU.

· Розвинені засоби комунікації – просте обслуговування і віддалена диспетчеризація.

· Архів роботи генератора для полегшення пошуку несправностей.

· Автоматична синхронізація, розподіл активного і реактивного навантажень, управління потужністю.

· Режим Baseload, імпорт/експорт, зрізання пікових навантажень, управління активною потужністю і коефіцієнтом потужності.

· Вимірювання параметрів генератора і мережі/загальної шини.

· Входи і виходи, що конфігуруються під різні потреби замовника.

· Для підвищення надійності контролер може включатися в систему з надмірністю.

· Розгорнутий журнал подій і архів вимірювань (до 1000 записів).

· Вбудований ПЛК (програмований логічний контролер).

· Конфігуровані аварійні сигнали і зупинка.

· Сервісний інтерфейс USB 2.0.

До сьогодні сумарна потужність когенераційних установок України перевищила 150 МВт, проте це дуже мало для енергетики країни. Відповідно до проведених досліджень на базі існуючих теплогенеруючих агрегатів у комунальному господарстві і в промисловості, а також на скидний теплоті приводних ГТУ в газотранспортній системі України може бути створено понад 16000 МВт когенераційних генеруючих потужностей.

Um8A