СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПРЕДПРИЯТИЙ АПК С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВИЭ
СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПРЕДПРИЯТИЙ АПК С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВИЭ
Аннотация
Известно, что аварийные отключения от электроснабжения на предприятиях АПК имеют значительные последствия, связанные со снижением производительности, порчей продукции, гибелью биологических систем. Это повышает требования к надежности электроснабжения и обуславливает поиск рациональных способов повышения работоспособности. Предлагаемая методика повышения надежности оборудования обосновывает оптимальную периодичность проведения профилактических осмотров на основе коэффициента готовности и ущербов от перерывов в электроснабжении. Коэффициент готовности рассчитывается с учетом скрытых отказов, которые выявляются при проведении очередного ТО. Частое проведение ТО иногда невозможно реализовать на практике из-за организационных или финансовых проблем. Наиболее существенно можно повысить коэффициент готовности электроснабжающего оборудования можно установкой электростанций на основе ВИЭ. Так, например, установка солнечной электростанции на птичнике в 6 тыс. голов повышает коэффициент готовности практически до 1 и приводит к получению дополнительной прибыли от снижения электропотребления от традиционной энергосистемы. Срок окупаемости внедрения солнечной электростанции на таком объекта становится меньше года.
1. Введение
Надежность электроснабжение предприятий АПК России имеет более низкий уровень, чем промышленных предприятий. Это связано с несколькими причинами: рассредоточенность потребителей на широкой территории, удаленность от электроснабжающих подстанций, часто недоступность попадания оперативных бригад к повреждениям, изношенность оборудования трансформаторных подстанций и линий электропередач, недостаточное количество обслуживающего персонала, низкий уровень компетенций в части электрооборудования самих работников АПК. Так, например, доля электроснабжающих трансформаторов, со сроком эксплуатации более 25 лет, составляет 40% от общего числа этого оборудования
. В Краснодарском крае степень износа трансформаторов составляет 86%, а коммутационной аппаратуры – 84%. Естественно, что эти цифры с каждым годом только растут и это приводит к возрастанию количества перерывов в электроснабжении предприятий АПК , , .Годовая длительность перерыва электроснабжения потребителей АПК может измеряться сотнями часов, а средняя длительность отключения одного технологического нарушения находится в интервале от 4 до 8 часов. Нагрузка на оперативный персонал возрастает, что приводит к дефициту времени на профилактические работы, и они занимаются только аварийными работами.
Потенциально возобновляемые источники энергии могут стать резервным оборудованием для повышения надежности электроснабжения сельских потребителей. Для инвестирования финансов в создание таких резервных источников требуется экономическое подтверждение в виде инвестпроекта. При экономическом обосновании установки источников энергии на основе ВИЭ часто не учитывают показатели надёжности и вероятные ущербы от перерывов в электроснабжении и останавливаются только на расчётах по стоимости электроэнергии. При этом срок окупаемости становится очень длительным и может превышать 10 лет. Инвесторам это не выгодно, что приводит к низким темпам внедрения ВИЭ в сельском хозяйстве.
В связи с этим есть потребность в разработке методического подхода для экономического обоснования инвестиций в установку электростанций на основе ВИЭ с учетом характеристик надежности и вероятных ущербов от перерывов в энергоснабжении.
Цель исследований – разработать методику экономического обоснования внедрения на предприятиях АПК электростанций на основе ВИЭ с учетом технологических ущербов от перерывов в энергоснабжении.
2. Методы и принципы исследования
Учет надёжности работы предприятий АПК лучше оценивать через комплексный показатель – коэффициент готовности. Перерывы в энергоснабжении и выходы из строя электрооборудования приводят к срыву технологических процессов, которые часто имеют значения, превышающие стоимость установок и затрат на восстановление. Часто эти значения технологических ущербов возникают из-за тесной связи надежности функционирования оборудования с жизнедеятельностью биологических объектов. Для определения показателей надежности нужно знать статистические данные об отказах в конкретном объекте или пользоваться средними значениями по региону или стране. На основании имеющейся информации уже можно рассчитать коэффициенты готовности энергетических объектов и электроустановок.
Ущерб предприятию при производстве сельскохозяйственной продукции при отключениях электроэнергии можно определять несколькими способами. Первый способ предусматривает оценку ущерба через снижение производительности объекта. Так, предприятия АПК, занимающиеся переработкой продукции и приготовлением кормов для животных, при отключениях и авариях терпят убытки от снижения производительности. Поэтому ущерб можно оценить по формуле , , :
где П – производительность предприятия, кг/ч(л); Ц - отпускная цена продукции, руб/кг(л); tоткл – время отключения, соответственно, ч.
Для животноводческих ферм также можно произвести оценку ущерба от недовыпуска продукции по аналогичной формуле , , :
где n – количество голов; m – продуктивность, кг/гол.ч (может даваться в час, сутки или год); Ц – отпускная цена продукции, руб/кг(л); tоткл – время отключения, соответственно, в часах, сутках или годах.
При переходе к вероятностным характеристикам, связанных со статистикой отказов и отключений в формулы включаются показатели надежности. Так, величину снижения ущерба при повышении надежности, оценённой через коэффициенты готовности можно вычислить по формуле , , :
где kгн, kгб – коэффициенты готовности соответственно нового и базового вариантов электрооборудования или организации электроснабжения; tрп – время рабочего периода.
Общее время функционирования в году состоит из периодов отключения с восстановлением и рабочего процесса. Поэтому время рабочего периода в году tрп равно времени работы в год tгод.
Второй способ оценки убытков от перерывов из-за отключений оборудования в животноводческих фермах связан с удельными ущербами от снижения продуктивности животных , , :
где утехн – удельный технологический ущерб от срыва производственного процесса, руб/гол.·ч;
tгод – время работы в году,
kг – существующий коэффициент готовности оборудования.
Если производится модернизация оборудования или системы электроснабжения, то определяется снижение технологического ущерба по формуле:
Удельные ущербы определяются по фактически имеющихся данным на предприятии или из соответствующих литературных источников , .
Когда оценка ущерба от перерыва в работе произведена, необходимо сопоставить это значение с допустимым уровнем для предприятия. Если полученное значение убытков превышает этот уровень, то нужно продолжить повышать показатель надежности другими способами. Известно, что по сравнению с заменой оборудования на более надежное резервирование является наиболее затратным способом повышения надежности. Однако этот путь становится необходимым, когда другие методы не дают значительного эффекта или это становится обязательным по другим требованиям привил эксплуатации оборудования. В электроснабжении предприятий резервирование производится путем строительства дополнительных линий электропередач, установкой дополнительных трансформаторов или приобретением дизельных электростанций. Сегодня становится потенциально возможным установка и солнечных или ветровых электростанций. Для сокращения финансовых затрат можно устанавливать такие генерирующие мощности только на покрытие дефицита энергии на потребителей, не терпящие перерывов в электроснабжении или наносящие значительные ущербы производству. Наиболее эффективна сегодня установка именно солнечных электростанций. Наличие солнечной энергетики позволяет довести коэффициент готовности электроснабжения до 0,99. Кроме того можно снабжать потребителя энергией по собственно установленному для себя тарифу. Типовая структурная схема подключения солнечной электростанции в систему энергоснабжения потребителя представлена на рисунке 1.
Рисунок 1 - Структурная схема подключения солнечной электростанции к потребителю
3. Результаты исследований и обсуждение
В качестве примера произведем обоснование внедрения солнечной электростанции на объекте АПК, расположенном на территории Краснодарского края. Используя данные мониторинга систем электроснабжения получена таблица 1 по отказам трансформаторных подстанций .
Таблица 1 - Статистические данные по отказам отдельных составляющих трансформаторных подстанций
Элементы трансформаторных подстанций: | Доля, % | Количество отказов, шт./год |
изоляторы | 21,01 | 29685 |
силовые трансформаторы | 9,66 | 13655 |
масляные выключатели | 9,24 | 13061 |
шины | 4,62 | 6531 |
разъединители | 4,62 | 6531 |
КРУ и КРУН | 3,36 | 4750 |
разрядники | 3,36 | 4750 |
предохранители | 2,52 | 3562 |
измерительные трансформаторы тока | 2,10 | 2968 |
Реле защиты и автоматика | 35,29 | 49871 |
измерительные трансформаторы напряжения | 1,26 | 1781 |
цепи управления выключателями | 1,26 | 1781 |
вакуумные выключатели | 0,84 | 1187 |
ограничители перенапряжения | 0,42 | 594 |
отделители | 0,42 | 594 |
ИТОГО | 100 | 141300 |
На основании данных таблицы 1 сделан вывод, что в среднем на одну трансформаторную подстанцию приходится 6 отказов. Исследования, проведенные в показывают, что половина из них приходится на скрытые отказы, которые обнаруживаются при очередном техническом обслуживании (ТО). Тогда средняя наработка между скрытыми и явными отказами составляет по 2920 ч. Время восстановления явного отказа в среднем составила 6 часов. Время восстановления по скрытым отказам следует принимать равным половине времени между очередными профилактическими осмотрами. Скрытый отказ может перейти в явный как после проведения ТО так и непосредственно перед ним. Для расчета коэффициента готовности воспользуемся формулой, учитывающей скрытые отказы
:где Твя – Твс – средне время восстановления соответственно явных и скрытых отказов, ч; Тоя Тов – средняя наработка между отказами соответственно по явным и скрытым отказам, ч.
Периодичность ТО в рассматриваемых трансформаторных подстанциях составляла 3 месяца (среднее время восстановления скрытых отказов 1080 часов). Тогда коэффициент готовности электроснабжающего оборудования равен:
Сократим время между профилактическими осмотрами с 3 месяцев до одного. Коэффициент готовности станет равным:
Представляет интерес и величина существующего ущерба от срыва производственных процессов из-за отключений электроэнергии, что можно определить по формуле (4). Произведем расчет технологического ущерба от перерывов в электроснабжении птичника на 6 тыс. кур. Удельный ущерб принимаем по справочным данным и с учетом индекса цен. Так для птичников удельный ущерб равен 250 руб. на 1000 голов. Тогда технологический ущерб составит:
Рассчитаем снижение технологического ущерба при повышении коэффициента готовности за счет более частого проведения ТО. Вычисление ущерба по формуле (5) дает следующий результат:
Произведем расчет вторым способом снижения производственного ущерба от перерывов в электроснабжении птичника на 6 тыс. кур при повышении коэффициента готовности с 0,73 до 0,89. Продуктивность птичника и цену продукции принимаем по справочным данным
: продуктивность одной курицы 250 штук яиц в год, цена одного яйца на начало 2024 года 12 руб. Снижение годового ущерба по формуле (3) составит:Результаты расчетов показывают схожие данные и в дальнейшем можно пользоваться любым из способов определения снижения ущербов от перерывов в электроснабжении. Если производственников продолжает не устраивать такое наличие ущерба, то нужно искать способы продолжения повышения надежности. Нужно отметить, что еще более частое проведение ТО уже трудно выполнять и это приводит к большим затратам.
Сегодня становится реальностью установка солнечных электростанций в качестве энергоснабжающих и резервных источников электроэнергии. Определим перспективность установки солнечной электростанции на примере этого же птичника. Согласно типовым наборам технологических установок в птичнике на 6 тыс. кур потребляемая максимальная мощность может доходить в пиковые часы до 20 кВт. Тогда нужно приобрести солнечную электростанцию, например С3-3HD (мощность 20 кВт) стоимостью 1,262 млн. руб. Определим общую потребляемую электроэнергию птичником за год, используя справочные данные , по удельному расходу электроэнергии на поголовье или продукцию. Так, для птицефабрик удельный расход электроэнергии в среднем составляет 23 кВт·ч на одну голову. Общее потребление электроэнергии составит:
где w – удельное потребление электроэнергии, кВт·ч .
Среднее значение тарифа на электроэнергию на начало 2024 года находится на уровне 9,8 руб/кВт⋅ч. Тогда за потребленную электроэнергию необходимо будет заплатить следующую сумму:
где Тэ – тариф на электроэнергию, руб./ кВт⋅ч.
Вычтем из затрат на покупку и монтаж солнечной электростанции стоимость потребленной электроэнергии с учетом того, что только третью часть электроэнергии можно компенсировать возобновляемой энергией. Тогда затраты на первый год внедрения солнечной электростанции составят:
Установка резервной солнечной электростанции доведет коэффициент готовности электроснабжения практически до единицы (остаются только явные отказы). Вероятностный ущерб от перерыва в электроснабжении для данного объекта составляет 3,5 млн. руб., а затраты 1,5 млн. руб., тогда инвестиции окупятся менее чем за один год. В последующие годы предприятие будет получать дополнительную прибыль от снижения затрат на электроэнергию и не будет иметь высокие риски получения ущербов от отключений в электроснабжении. Конечно, это оценка произведена на основании вероятностного ущерба, и она показывает высокую эффективность внедрения солнечной энергетики. Фактически технологический ущерб может и не произойти, но если это случится, то убытки, которые понесет предприятие, будут очень значительны.
4. Заключение
Предприятия АПК терпят убытки от аварийных отключений источниками электроснабжения. Обслуживающий персонал энергооборудования занимается в основном аварийными ремонтами и часто не соблюдает графики технических обслуживаний.
Предлагается методика определения оптимального периода проведения технических обслуживаний. Основой методики является расчет коэффициента готовности электроснабжения с учетом скрытых отказов оборудования. Принимается, что все скрытые отказы должны выявляться при очередном ТО. Используя статистические данные по отказам элементов электроснабжающего оборудования, можно определять его существующие коэффициенты готовности с учетом скрытых отказов. Такой показатель надежности можно применять для расчета технологических ущербов от перерывов в электроснабжении.
Предлагаемая методика расчета технологических ущербов с использованием вероятностного подхода, позволяет определить рациональный период проведения ТО оборудования для конкретного предприятия. Любое предприятие должно знать уровень допустимого ущерба при авариях на основании которого и определится периодичность ТО.
На основании статистических данных по отказам оборудования и существующих ценах на продукции определен вероятный ущерб для птичника на 6 тыс. голов при авариях, который составил 3,5 млн. руб. Изменение периодичности ТО до реально возможного может снизить это значение до 1,4 млн.руб.
Более значимый эффект можно получить при установке солнечной электростанции, которая будет применяться не только для получения дополнительного дохода от снижения затрат на электроэнергию, но и для значительного повышения коэффициента готовности.