автореферат диссертации по энергетике, 05.14.08, диссертация на тему:Совершенствование методов расчёта ресурсов малой гидроэнергетики Республики Таджикистан с использованием современных информационных технологий

На правах рукописи

Рахимов Азамат Сухробович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ РАСЧЁТА РЕСУРСОВ МАЛОЙ ГИДРОЭНЕРГЕТИКИ РЕСПУБЛИКИ ТАДЖИКИСТАН С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СОВРЕМЕННЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ

ТЕХНОЛОГИЙ

Специальность: 05.14.08 «Энергоустановки на основе возобновляемых источников энергии»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- 7 [<ШН 2012

Москва-2012

005045533

Работа выполнена на кафедре «Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» ФГБОУ ВПО «Национальный Исследовательский Университет «МЭИ»» г. Москва.

Научный руководитель: Малинин Николай Константинович, доктор технических наук, профессор Национального исследовательского университета «МЭИ» (НИУ «МЭИ»).

Официальные оппоненты: Волшаник Валерий Валентинович, доктор технических наук, профессор кафедры «Гидроэнергетики и использования водной энергии» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования Национальный исследовательский университет "Московский Государственный Строительный Университет" (ФГБОУ ВПО НИУ «МГСУ»).

Тюхов Игорь Иванович, кандидат технических наук, доцент, исполнительный директор кафедры ЮНЕСКО «Техника экологически чистых производств» в Московском государственном университете инженерной экологии (МГУИЭ).

Ведущая организация: Лаборатория Возобновляемых источников Энергии Географического Факультета МГУ им. М.В. Ломоносова.

Защита диссертации состоится «22» июня 2012 г. в 13 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д212.157.03 НИУ «МЭИ» по адресу: Москва, ул. Красноказарменная, 17 в аудитории Г 200.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИУ «МЭИ». Автореферат разослан «_»_

Председатель

диссертационного совета Д212.157.03

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Республика Таджикистан (РТ) - развивающееся государство с характерными ему непрерывными ростом населения и потреблением электроэнергии. Более 95% всей выработанной электроэнергии приходится на гидроэнергетику, при этом её ресурсы сегодня использованы только на 5%. Потенциальные ресурсы гидроэнергии РТ, в целом, составляют 527 млрд.кВт.ч, что соответствует среднегодовой мощности в 60,167 млн. кВт. Гидроресурсы РТ в равной степени сосредоточены по всем рекам страны в основном снегового и ледникового питания. Органические ресурсы страны крайне скудны и их разработка и применение создает ряд сложных и трудновыполнимых задач для экономики страны.

В последние годы энергосистема РТ работает в изолированном режиме (без связи с объединенной системой Центрально Азиатских стран); из-за постоянного роста энергопотребления в стране существующие ГЭС в осенне-зимний период не в состоянии обеспечить полное покрытие существующих графиков нагрузки, тем самым в стране возникает дефицит электроэнергии в размере 1,5-3,5 млрд. кВт.ч. в год. В осенне-зимний период вводится лимит на подачу электроэнергии на территории всей республики, что связано с нехваткой вырабатываемой мощности; таким образом, появляется необходимость в альтернативных источниках энергии для электроснабжения населения, 73% которого расположено в сельской местности в горных регионах, составляющих 93,7% всей территории РТ. В стране после окончания гражданской войны наблюдается высокий уровень бедности и безработицы среди населения. Учитывая тарифы на электроэнергию, которые искусственно поддерживаются на низком уровне, источник дополнительной энергии для ликвидации указанного дефицита должен быть максимально дешёвым и соответственно способным решить проблему дефицита электроэнергии в

3

кратчайшие сроки без вреда для экологии региона. Принимая во внимание современную демографическую, социальную и экономическую ситуацию в РТ следует отметить, что наиболее перспективным сегодня является освоение ресурсов многочисленных малых горных рек РТ, численная оценка, которых на современном уровне в настоящее время отсутствует.

Цель диссертационной работы: совершенствование методов расчёта ресурсов малой гидроэнергетики РТ с использованием современных информационных технологий для повышения эффективности малых ГЭС: предназначенных для улучшения социального уровня жизни сельскохозяйственного населения страны.

Основные задачи исследований

Для достижения поставленной цели в работе были сформированы и решены следующие основные задачи:

1. Проведение анализа современного состояния и перспектив развития топливно-энергетического комплекса РТ с целью обоснования актуальности и необходимости расширенного использования богатых энергоресурсов малых рек РТ с целью повышения социального уровня жизни сельскохозяйственных регионов страны, где проживает 73% от общей численности населения РТ.

2. Разработка Универсальной Цифровой Модели (УЦМ) открытого водотока или целого речного бассейна на основе использования возможностей современных геоинформационных систем, пригодной для использования в решении сложных водохозяйственных и водно-энергетических задач и создания на её основе специализированной базы данных по всем водотокам страны.

3. Разработка на основе использования универсальной цифровой модели открытого водотока или целого речного бассейна современного методического и программного обеспечения по оценке основных категорий гидроэнергетического потенциала малых рек РТ.

4. Исследование и разработка энергетических характеристик типовых (характерных) сельскохозяйственных потребителей РТ с целью их использования в расчётах основных категорий гидроэнергетического потенциала РТ.

5. Исследование влияния основных определяющих факторов на финансово-экономический потенциал малых ГЭС РТ.

Методы исследования

При решении поставленных задач в работе использованы современные методы теории вероятностей и математической статистики, основные теоретические положения геоинформационных систем, а также гидравлики и гидрологии, составляющие научную основу современных гидроэнергетических расчётов в целом.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. На основе системного анализа современного состояния и перспектив развития Топливпо-энергетического Комплекса (ТЭК) РТ обоснована актуальность использования ресурсов Малой Гидроэнергетики (МГЭ) в условиях жестких ограничений в осенний и зимний период, а также организации эффективной системы децентрализованного электроснабжения РТ, в которую входит более 73% населения страны.

2. Разработана УЦМ открытого водотока или целого речного бассейна на основе использования современных Геоинформационных Систем (ГИС), пригодная для использования в водохозяйственных или водноэнергетических расчётах различного назначения для создания специализированной базы данных по всей речной сети РТ.

3. Разработаны современные методы расчёта основных категорий гидроэнергетического потенциала малых рек РТ, в том числе впервые для технико-экологического и эколого-экономического потенциалов малых рек РТ, для расчёта которых разработаны алгоритмы и программы на базе

использования MS Office Excel и созданной УЦМ открытого водотока или целого речного бассейна.

4. Идентифицированы параметры и энергетические характеристики типовых (характерных) сельскохозяйственных потребителей РТ.

5. Исследованы и обоснованы пути повышения эффективности МГЭ в РТ в современных условиях.

Достоверность получеппых результатов и выводов в работе обеспечивается применением широко известных методик и подходов, используемых в научно-технических исследованиях в области использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ).

Практическая ценность: Результаты выполненных исследований предназначены для использования в экономике Таджикистана с целью оптимальной реализации программы Правительства РТ по строительству МГЭС в период до 2020 года.

Апробация работы основные положепия и результаты исследования по теме диссертации докладывались и обсуждались на научных семинарах, кафедры «Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» НИУ МЭИ, Географического факультета Московского Государственного Университета имени М.В. Ломоносова, а также на Всероссийской выставке Научно - технического творчества молодёжи 2010 - 2012 гг.

Личный вклад автора: проведен системный анализ современного состояния и перспектив развития ТЭК РТ; обосновывается актуальность использования потенциала малой гидроэнергетики РТ для повышения социального уровня жизни 73% населения страны, живущего в сельских регионах; разработано методическое, математическое и информационное обеспечение для реализации созданной автором УЦМ открытого водотока или целого речного бассейна, предназначенной для использования в сложных водохозяйственных расчётах, в том числе и для расчётов всех

категорий энергопотенциала малой гидроэнергетики; разработано методическое и математическое обеспечение для расчёта и исследования нагрузки характерных автономных потребителей РТ; исследованы и предложены пути повышения эффективности МГЭС в РТ.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность проводимых исследований, показана научная новизна работы, практическая ценность работы, достоверность проведённых исследований в работе, апробация работы.

В первой главе проведён анализ современного состояния и перспектив развития экономики и топливно-энергетического комплекса РТ для обоснования актуальности повышения эффективности МГЭ РТ для улучшения социального уровня жизни населения РТ.

РТ государство в Центральной Лзии площадью 143 ООО кв. км., расположенное на юго-востоке Центральной Азии.

В сельской местности населенные пункты и хозяйства, рассеянны среди горных ущелий и расположены вблизи протекающих рядом малых рек, при этом в РТ на душу населения годовое потребление электроэнергии составляет 198 кВт.ч. Тарифы на электроэнергию в РТ в последние годы являются, чуть ли не самыми низкими в мире, а оплата электроэнергии в среднем по стране ниже 100%. В сочетании с высоким спросом на энергию, особенно в промышленности, это приводит к нехватке электроэнергии в период с ноября по апрель, которая существует в пределах от 1,5 3,5 млрд. кВт.ч., от чего страдают и население, и наиболее энергоемкие предприятия. Решение этой проблемы в современных условиях РТ реализуется путем сокращения подачи электроэнергии в стране до 4-6 часов ч течении суток.

Освоение местных запасов угля осуществляется медленными темпами. Разведанные нефтяные запасы требуют сложного глубокого бурения (5-7 км).

Структура энергоснабжения и энергопотребления в стране несбалансированна. В силу отсутствия эквивалентных ресурсов более 95% вырабатываемой электроэнергии приходится на ГЭС. С ростом цен на импортируемые газ и топливо население перешло на более активное использование электричества для отопления и приготовления пищи, что превращает электричество в единственный надёжный источник энергии в стране.

По гидроэнергопотенциалу на душу населения (87,8 тыс.кВт.ч. в год/чел.) Таджикистан занимает второе место, а по потенциальным запасам гидроэнергии па один квадратный километр территории (3682,7 тыс.кВт.ч. в год/км2), первое место в мире, намного опережая другие страны. Гидроэнергетические ресурсы равномерно распределены по всей территории страны, это отображается в построении энергобаланса РТ, в котором все существующие мощности и ввод новых мощностей в энергосистеме сопряжен с использованием гидроресурсов.

РТ располагает по современным оценкам значительными ресурсами гидроэнергопотенциала МГЭ, использование которого перспективно для сельскохозяйственного населения РТ. Интенсификация развития МГЭ способна в современных условиях существенно поднять социальный уровень жизни сельскохозяйственного населения РТ, однако для повышения эффективности МГЭ в РТ сегодня необходимо решить целый ряд проблем, связанных с повышением информационного методического и программного обеспечения. С учётом современных подходов к понятию «Малая гидроэнергетика» большое значение в условиях развития рыночных отношений в стране, имеет проведение маркетинга потребителей энергии МГЭС, которое в текущих условиях практически отсутствует в современных работах, посвященных оценке основных категорий гидроэнергопотенциала МГЭ РТ.

Исследования потенциала МГЭ РТ проводились по обобщённым интегральным показателям водотоков (обычно, это общий перепад высот

водотока и расход воды в его русле), которые не учитывали основного отличия МГЭ от традиционной гидроэнергетики - понятия потенциального ресурса «створа МГЭС», а не ресурса всего водотока в целом, что позволяет включать в источники энергопотенциала МГЭ не только малые реки, но и створы крупных и средних рек, а также энергетические ресурсы каналов водохозяйственного назначения. Также в них не учитывался очень важный показатель МГЭ для всей страны в целом - идентификация характерных автономных потребителей энергии МГЭС и ограничений по допустимой длине ЛЭП или кабелей от МГЭС к автономному потребителю (по экологическим соображениям). Основная проблема исследования типовых мощностей МГЭС РТ связана с проблемой слабого информационного обеспечения.

Особая чувствительность эффективности МГЭ к изменению разного рода экономических, социальных и экологических характеристик требует детального анализа перспектив и особенностей развития МГЭ РТ.

По итогам выполненного автором системного анализа современного состояния и перспективам развития экономики и топливно-энергетического комплекса РТ идентифицированы общая цель и основные задачи данной диссертационной работы.

Во второй главе проведены исследования и разработка современных методов оценки валовых ресурсов малой гидроэнергетики РТ.

В основе созданной УЦМ открытого водотока или целого речного бассейна для расчета гидроэнергетического потенциала РТ применен метод линейного учета и цифровые карты SRTM от Google.

С помощью УЦМ исследованы более 100 рек РТ, из которых выделена характерная река в Районах республиканского подчинения (РРП), которая была взята за основу исследований. При загрузке определенного количества данных (карт SRTM) можно исследовать сразу значительное число речных бассейнов, что является шагом к САПР

9

исследований валового потенциала МГЭ и создания цифровой базы данных всех рек РТ.

Для каждой из исследованных рек была создана УЦМ открытого водотока, которая позволяет производить водохозяйственные расчёты любой сложности.

На рисунке 1. представлен алгоритм создания УЦМ с исследованием валового гидроэнергопотенциала (ВГЭП) в программной среде АгсОК.

Импорт цифровой карты ► Обработка цифровой карты Рассчитывется растр направления стока • Рассчитываете я растр суммарного » стока Рассчитываете я растр водотока

Определение границ площадей водосбора вышележащих участков водотока < Векторизация сегментирована ого растра водотока Л Определение границ площадец водосбора в веакторном виде 1« Определение 1 площади ; водосбора I Сегментация; растра водотока

У

Определение «водосборных» точек, связанных с границами площадей водосбора ► Вычисление среднего значения модуля стока для каждой из водосборных площадей Вычисление расхода в створе рек по формуле, = т, ' К, * Ю"3 Вычисление расчётного расхода г по формуле " 2 Й УЦМ открытого водотока или целого речного бассейна

Рисунок 1. Алгоритм создания УЦМ с исследованием ВГЭП в программной среде АтсвК.

На рисунке 2 показан физический смысл УЦМ, где участок водотока характеризуется набором пикселей на квадратный сантиметр.

Рисунок 2. Физический смысл УЦМ водотока или целого речного бассейна

Итоги пилотных исследований на основе УЦМ представляются в табличном виде, используя в качестве характерных точек исток, устье и места крупных притоков.

Весь водоток был разбит на 8 участков, для каждого из которых исследованы значения среднегодовых расходов 50% обеспеченности и,

соответственно, определены на основе УЦМ координаты уровней воды в створах реки для расчета ВГЭП. Далее результаты обработаны в созданном методическом программном обеспечении в MS Office Excel.

По итогам пилотных исследований с применением УЦМ валовый гидроэнергетический потенциал реки Варзоб равен 555,844 МВт (см. рис. 3), реки Зарафшан 286,74 МВт и реки Ок - Суу 1 934,42 кВт, в Согдийской области РТ. На основе разработанной УЦМ были проведены исследования водно-энергетических кадастров более 100 водотоков РТ, включенных в характерные для РТ бассейны рек: Кафирниган, Вахт, Сырдарья, Зерафшан (см. рис. 3).

Рисунок 3. Водно-энергетический кадастр р. Варзоб.

Они показали, что за счёт уточнения исходной информации величина ВГЭП исследованных водотоков была повышена в среднем на 20% по сравнению с существующими в настоящее время показателями по указанным рекам РТ.

Таблица 1. Различия, выявленные по итогам пилотных исследований с применением УЦМ и существующей методики.

Название реки УЦМ Существующая методика

Nnor (мВт) 0 (м3/с) Niiot (мВт) Q (mj/c)

1 Ок-Суу 193,44 28 -1-1- -1-1-

2 Зарафшан 286,74 87 244,29 81

3 Варзоб 555,84 165 438.08 159,39

Разработаиая УЦМ на основе использования возможностей современных геоинформационных систем (ГИС), позволяет в дальнейшем применять САПР для массового строительсва объектов МГЭ и прочих объектов водноэнергетического и водохозяйственного назначения с сокращением сроков предпроектных исследований и затрат на них.

В третьей главе проведены исследования энергетических характеристик автономных потребителей энергии МГЭС в РТ.

РТ развивающаяся страна со значительным ростом населения и энергопотребления, для интенсификации развития малой гидроэнергетики имеется потребность изучения нагрузок типовых потребителей сельской местности на примере отдельно взятого региона. Предполагая, что рост численности населения в стране будет продолжаться с 2012 2022 гг. по линейному закону численность населения поселка в горных районах принята в среднем равной 100 чел., в сельских районах (на подножии гор и в долинах) составляет 400 чел.; п™ - количество членов одной семьи, в среднем приняты равным 6 человек.

На основе картографических обработок, выполненных в работе по физической карте масштаба 1:450000, выявлены 32 населенных пункта по рекам бассейна реки Варзоб, которые расположены в основном в горной местности. Далее на основании полученных данных исследованы нагрузки сельских поселков на уровне 2012 г. по следующему выражению:

(1)

где расчетная нагрузка поселка в кВт; К^- удельная нагрузка на 1

чел., принятая К^ = 0,5 кВт/чел; я "Г - численность населения поселка, чел. Выявилась также функциональная зависимость количества поселков от их расположения по длине реки, начиная от устья, т.е. ппос = ппос(Ь).

Погрешность в расчетах для Варзобского района не превысила 9%, что вполне приемлемо на данном этапе исследования.

На примере пилотного исследования выявилось, что социально экономические характеристики сельского населения низки по отношению с районами, подключенными к ОЭС. В них уровень обеспечения электроэнергией и общественных услуг составляет 55% и 47% соответственно.

Для исследования характерных нагрузок типовых (характерных) сельскохозяйственных потребителей с учётом необходимости повышения их социально-экономического уровня жизни разработано методическое программное обеспечение в программной среде MS Office Excel, далее возможно занесение полученных результатов в цифровую базу данных на основе УЦМ водотоков РТ, с тем, чтобы применять для САПР.

Результаты исследований показывают, что среднее отношение потребления мощности на одного человека и энергопотребления на одно домохозяйство в 2012 году в горных и предгорных сельских поселках составляет 0,5 кВт/чел и 6 кВтч/дом.

Результаты прогнозирования электрической нагрузки по среднему сценарию развития и наиболее характерного диапазона нагрузок для всех горных потребителей (35,1%) соответствуют мощности до 100 кВт, однако ее обеспечегаюсть низкая (62%).

Для дальнейших намеченных исследований выбрана мощность посёлка 600 кВт, так как ее обеспеченность (88,1%) в предгорных районах это значит, что в этом диапазоне можно обеспечить электроэнергией большую часть населенных пунктов (84,9%) Варзобского района РТ.

В четвёртой главе проведены исследования теоретических основ технико-экологического потенциала малой гидроэнергетики РТ, в которых указаны недостатки существующей методики определения технического потенциала МГЭ РТ и приведены пилотные исследования для выбранного характерного региона.

В предыдущие годы технический потенциал МГЭ в РТ был определён для малых рек в целом, причем с применением обобщающих

понижающих коэффициентов, требующих в дальнейшем корректировки, эта методика применялась в расчётах для традиционных ГЭС, которая не учитывает социально-экологические ограничения определённого водотока.

В современных условиях в РТ существует острая необходимость в определении технико-экологического потенциала МГЭ, что подразумевает рассмотрение как объектов исследования не малые реки с их гидрологическими характеристиками в устьях, а показатели отдельно взятых створов реки, причем для объектов МГЭ возможно рассмотрение створов любых рек, как крупных, так и малых (см. рис. 4).

Пилотные исследования технико-экологического потенциала МГЭ региона производятся с учётом информации гидрогеологического, экологического (подтапливания, схода оползней, лавин, камнепадов) и социального характера. С учётом изложенного выше, для дальнейших исследований используются значения, полученные на основе созданной УЦМ.

На основании расчёта, проведенного в созданном программном обеспечении в срсде MS Office Excel, для каждой из рек были определены

Рисунок 4. Учет красной линии для реки Варзоб.

координаты так называемой «красной линии» или допустимые границы площадей затопления Гзшп водохранилищами МГЭС. Причем, величина «красной линии» строго ограничена социально-экологическими показателями региона, но обеспечивает необходимый напор в 5 м для МГЭС, затем для характерной реки был рассчитан технико-экологический потенциал МГЭ, с учётом принятых координат «красной линии» и энергетических характеристик основного оборудования применимого на МГЭС. Результаты расчёта приведены в таблице 2 и 3.

Таблица 2. Исследование технического потенциала участка реки Варзоб

при его использовании каскадом плотинных МГЭС "по водотоку".

Створ и 0™ ЦПУ] 2нб( На! N ■ уст

I км кг7с м м М кВт

1 29,66 19,00 1382,20 1378,00 4,20 638,40

2 30,96 45,00 1267,00 1265,00 2,00 720

3 31,50 46,12 1264,40 1262,40 2,00 737,93

4 33,60 47,89 1262,30 1260,30 2,00 766,23

5 34,30 48,34 1261,10 1259,30 1,80 696,09

6 37,90 49,10 1255,80 1254,00 1,80 707,01

7 40,20 53,43 1252,50 1251,00 1,50 641,19

8 42,33 55,00 1241,50 1240,00 1,50 660

Таблица 3. Исследование технического потенциала участка реки Варзоб при его использовании каскадом деривационных МГЭС "по водотоку"

Створ ГЭС и (Зое 2цб! Нщ ^усп

I км м3/с м м кВт

1 29,66 5,7 1378,00 15,00 666,9

2 30,96 9 1265,00 9,00 631,8

3 42,33 11 1240,00 6,50 557,7

4 55,45 17,2 1104,00 5,00 670,8

5 69,46 20,8 938,00 4,00 648,9

6 78,87 24 799,00 3,50 655,2

7 79,40 28,8 719,00 3,00 673,9

8 83,07 33 717,00 3,00 772,2

По итогам исследования технико-экологического потенциала выяснилось, что и плотинные и деривационные МГЭС по водотоку

способны покрыть принятую по итогам проведённых ранее исследований нагрузку типовых потребителей в исследованном характерном регионе РТ в 600 кВт. Таким образом, наиболее оптимальным является применение бетонной плотины с затворами для промывания наносов и пропуска селей, способной обеспечить напор МГЭС как деривационного, так и плотинного типа.

В пятой главе рассматривается совершенствование методов расчёта экономического потенциала МГЭ и исследование путей повышения эффективности МГЭС в РТ.

Показатели эффективности гидроэнергоресурсов рек РТ были установлены ориентировочно, из соображений, основанных на использовании показателей водотоков, расположенных в аналогичных географических условиях. В частности, сегодня для РТ экономический гидроэ.нергопотенциал МГЭ приравнивается его техническому потенциалу.

В МГЭ существует методика, по которой определяется экономическая эффективность проекта МГЭС, где она сопоставляется с проектом ДЭС или с экономически целесообразным подключением к ЛЭП.

Для определения эколого-экономического потенциала водотока автором произведены исследования экономически целесообразного использования водотока, для этого рассматриваются створы МГЭС с учетом социально-экологических требований максимально приближенных к потребителю и эффективность проекта МГЭС, в целом, с принятой мощностью 600 кВт на основе использования созданной УЦМ.

Для оценки экономической эффективности проекта МГЭС определено значение экономического радиуса или экономически оправданная протяженность линию связи (ЛЭП или кабель) (ЛС) от МГЭС до потребителя, причем предполагается, что заменяемый вариант находится вблизи от потребителя (Яэкон) с учетом социально-

экологический факторов (вырубки лесов, загрязнений в биосферу, стоимости топлива).

_с-д-Э + Мдэс-Кдэс-Рдзс-Ммгэс -Кмгх .рж (2),

Клс Ряс

На основе картометрических обработок, с применением УЦМ реки Варзоб найдено расстояние населенных пунктов от реки (фактическая протяжённость ЛС - Ьфакт), рассматриваемого района. Для общего количества сельских населенных пунктов (32) (см. рис. 5) Ьфакт = 1+3 .км.

О) Экономический целесообразный радиус « П6 - населенный пункт (потребитель) ▼ Створ МГЭС

Рисунок 5. Графическое изображение ЯЭкон, полученное на основе УЦМ Полученные данные по Ьфакт были использованы для сопоставления со значениями Кэкон, полученными из формулы (2), чтобы оценить экономическую эффективность энергоснабжения сельских поселков Варзобского района с использованием МГЭС и ДЭС проведены пилотные исследования.

По результатам исследований, Яэкон не превышает принятые для РТ максимально допустимые расстояния передачи электроэнергии при различной мощности для заданной мощности — 600 кВт.

Исследованные 32 поселка с учётом экономически целесообразного электроснабжения МГЭС вписываются в Яэкон. Зависимость Яэкон от числа часов использования МГЭС в году и капитальных затрат в ЛС, ДЭС и МГЭС показывает, что чем больше число часов использования и меньше величина принятых затрат в МГЭС тем больше Яэкон (см. рис. 6).

Рисунок 6. Зависимость экономического радиуса потребителя от его мощности для заданных значений Кмгэс = 1800 $ / кВт Ь= 6000 часов и трех различных значений коэффициента замещения мощности а

Выводы и заключения

1. Проведен системный анализ современного состояния и перспектив развития ТЭК РТ, на основе которого обоснована актуальность и необходимость расширенного использования ресурсов МГЭ РТ для повышения социального уровня жизни сельскохозяйственных регионов, где проживает более 73 % всего населения РТ

2. На основании выявленных недостатков в существующей методике обоснована актуальность исследований в области совершенствования

методов расчёта ресурсов МГЭ РТ с использованием современных информационных технологий и повышения её эффективности.

3. Разработан алгоритм расчёта ресурсов МГЭ РТ с учётом социально-экологических требований на основе использования возможностей ГИС.

4. Совершенствованы методы расчёта ресурсов малой гидроэнергетики РТ, с использованием созданной УЦМ открытого водотока, применение которой в гидроэнергетических исследованиях всех видов позволяет существенно улучшить социальный уровень жизни сельскохозяйственного населения РТ.

5. Проведены многочисленные исследования ресурсов характерных малых рек РТ на основе использования УЦМ, которые указали на возможность полного покрытия с помощью МГЭС нагрузки характерных автономных потребителей РТ для любого сценария развития экономики страны.

6. Разработано программное и методическое обеспечение в програмной среде MS Office Excel для расчётов и исследований характерных нагрузок типовых (характерных) сельскохозяйственных потребителей с учётом современных требований социально-экологического характера.

7. Разработано методическое и программное обеспечения в программной среде MS Office Excel для проведения автоматизированных расчётов технико-экологического потенциала малой гидроэнергетики РТ на основе использования УЦМ водотока или целого речного бассейна, что позволяет снизить затраты па пред проектные изыскания МГЭС в РТ до 13,5%.

8. Проведенные исследования эколого-экономического потенциала гидроэнергетических ресурсов РТ на основе разработанной УЦМ показали, что Яэкон функция с множеством переменных и с изменением которых показатели эффективности МГЭС меняются, однако для условий РТ они не превышают необходимых показателей для заданной мощности типовых потребителей. В мировой практике, которую следует учесть для

РТ, унификация проектов МГЭС и массовость их строительства даёт ощутимый экономический эффект в виде снижения их стоимости до 2025%.

По теме диссертационной работы опубликованы следующие печатные работы:

1. Рахимов A.C., Малинин Н.К. Современное состояние гидроэнергетики Таджикистана и по пути её развития. Шестнадцатая международная научно-практическая конференция студентов и аспирантов. Радиотехника, электротехника и энергетика. Том III. Москва -2010г. Изд. МЭИ. Стр. 450.

2. Рахимов A.C., Малинин Н.К. Современное состояние Гидроэнергетики Таджикистана и пути её развития. ВИНИТИ, №605-В2010 от 20.10.10. указатель №12.

3. Рахимов A.C., Малинин Н.К. Малая гидроэнергетика ключ к развитию гидроэнергетики. II - я Международная научно-практическая конференция «Научно-техническое творчество молодёжи-путь к обществу, основанному на знаниях»: Сборник научных докладов/ Мое. Гос. Строит. Ун-т-м: МГСУ, 2010г. Стр. - 393.

4. Рахимов A.C., Малинин Н.К. Малая гидроэнергетика Таджикистана. «Возобновляемые источники энергии». Материалы седьмой всероссийской научной молодёжной школы с международным участием - М.: Мирос, 2010. Стр.-278.

5. Рахимов A.C., Малинин Н.К. Исследование электрической нагрузки характерных автономных потребителей Республики Таджикистан. Вестник ТТУ. ТТУ им. М.С. Осими, № 1(17) - 2012, С-62-68.

Подписано в печать ID.cf.Mi •Зак. т Тир. iСО П.л. № Полиграфический центр НИУ «МЭИ» Красноказарменная ул., д. 13.

61 12-5/3919

ФГБОУ ВПО Национальный Исследовательский Университет «МЭИ»

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ РАСЧЁТА РЕСУРСОВ МАЛОЙ ГИДРОЭНЕРГЕТИКИ РЕСПУБЛИКИ ТАДЖИКИСТАН С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СОВРЕМЕННЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ

ТЕХНОЛОГИЙ

Специальность: 05.14.08 «Энергоустановки на основе возобновляемых видов энергии»

ДИССЕРТАЦИЯ На соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

Рахимов Азамат Сухробович

Научный руководитель д. т. н. профессор Малинин Н.К.

Москва-2012

Оглавление

Введение...............................................................................................................5

1. ЭКОНОМИКА И ТОПЛИВНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ТАДЖИКИСТАНА: СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ...........................................................................................................9

1.1. Республика Таджикистан современное состояние...................................9

1.1.1. Общие положения...............................................................................9

1.1.2. География и климат...........................................................................11

1.1.3. Природные ресурсы..........................................................................12

1.1.4. Население...........................................................................................13

1.2. Экономическое положение Республики Таджикистан...........................14

1.2.1. Общие понятия..................................................................................14

1.2.2. Темпы экономического роста.................................................................16

1.2.2. Промышленность..............................................................................17

1.3. Топливно-энергетический комплекс РТ...................................................18

1.3.1. Общие положения.............................................................................18

1.3.2. Электроэнергетика РТ: общее состояние энергетики и структура энергосистемы.............................................................................................20

1.3.4. Тарифная политика и финансовое состояние энергетики............23

1.3.5. Технические характеристики системы энергоснабжения.............25

1.4. Невозобновляемые энергоресурсы РТ.....................................................27

1.5. Ресурсы гидроэнергетики РТ....................................................................29

1.5.1. Общие положения.............................................................................29

1.5.2 Гидроресурсы......................................................................................30

1.6. Малая гидроэнергетика..............................................................................35

1.6.1. Общие положения.............................................................................35

1.6.2. Начало возрождения малой гидроэнергетики в РТ.......................36

Выводы по главе 1............................................................................................39

2. ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА СОВРЕМЕННЫХ МЕТОДОВ ОЦЕНКИ ВАЛОВЫХ РЕСУРСОВ МАЛОЙ ГИДРОЭНЕРГЕТИКИ РТ....41

2.1. Современное состояние методов расчета валовых ресурсов РТ и их особенности........................................................................................................41

2.1.1. Общие положения.............................................................................41

2.2. Методы оценки ресурсов малой гидроэнергетики в РТ и их особенности........................................................................................................42

2.2.1. Общие положения.............................................................................42

2.2.2. Методика оценки валового гидропотенциала в гидроэнергетике Республики Таджикистан, вариант 1965 года..........................................43

2.3. Разработка универсальной цифровой модели открытого водотока......45

2.3.1. Общие положения.............................................................................45

2.3.2. Метод линейного учета.....................................................................47

2.4. Использование ГИС для оценки валовых ресурсов малых водотоков РТ ..............................................................................................................................50

2.4.1. Общие положения.............................................................................50

2.4.2. Возможности ГИС.............................................................................50

2.4.3. Типы данных в ГИС..........................................................................55

2.5. Работа с компьютерной геоинформационной системой.......................57

2.5.1. Ввод данных в ГИС..........................................................................57

2.5.2. Возможные ошибки при вводе........................................................58

2.5.3. Анализ в ГИС.....................................................................................59

2.5.4. Вывод результатов............................................................................59

2.6. Исследование ресурсов МГЭ выделенных речных бассейнов Таджикистана с использованием ГИС............................................................62

2.7. Выводы по второй главе............................................................................70

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК АВТОНОМНЫХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ ЭНЕРГИИ МГЭС В РЕСПУБЛИКЕ

ТАДЖИКИСТАН..............................................................................................72

3.1. Особенности современного состояния и перспектив роста электрической нагрузки сельскохозяйственных потребителей РТ..............72

3.2. Метод исследования электрической нагрузки характерных сельскохозяйственных потребителей энергии МГЭС в Варзобском районе Республики Таджикистан.................................................................................76

3. 3. Энергетические характеристики типовых сельскохозяйственных потребителей электроэнергии МГЭС в Варзобском районе Республики

Таджикистан и их особенности........................................................................83

3.4. Выводы по третьей главе...........................................................................91

4. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕХНИКО-ЭКОЛОГИЧЕСКОГО ПОТЕНЦИАЛА МГЭ РТ............................................92

4.1. Технический ГЭП малых рек Республики Таджикистан в современных условиях..............................................................................................................92

4.2.Предлагаемый метод исследования технико-экологического потенциала малой гидроэнергетики Республики Таджикистан с учётом наличия УЦМ.....................................................................................................95

4.3. Исследование технико-экологического потенциала Республики Таджикистан с использованием УЦМ на примере реки Варзоб................101

4.4. Выводы по главе 4....................................................................................104

5 .СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ РАСЧЁТА ЭКОНОМИЧЕСКОГО ПОТЕНЦИАЛА МГЭ И ИССЛЕДОВАНИЕ ПУТЕЙ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ МГЭС В РЕСПУБЛИКЕ ТАДЖИКИСТАН............105

5.1. Общие положения.....................................................................................105

5.2. Исследование эколого-экономического потенциала водотока............106

5.3. Финансово-экономическая эффективность МГЭС в условиях Варзобского района.........................................................................................112

5.3.1. Общие положения...........................................................................112

5.4. Выводы по пятой главе............................................................................120

Выводы и заключения.....................................................................................122

Список литературы:.........................................................................................124

Введение

Актуальность работы

Республика Таджикистан (РТ) - развивающееся государство с характерным ему непрерывными ростом населения и потреблением электроэнергии. Более 95% всей выработанной электроэнергии приходится на гидроэнергетику, при этом её ресурсы сегодня использованы только на 5%. Потенциальные ресурсы гидроэнергии РТ, в целом, составляют 527 млрд.кВт.ч, что соответствует среднегодовой мощности в 60,167 млн. кВт. Гидроресурсы РТ в равной степени сосредоточены по всем рекам страны в основном снегового и ледникового питания. Органические ресурсы страны крайне скудны и их разработка и применение создает ряд сложных и трудновыполнимых задач для экономики страны.

В последние годы энергосистема РТ работает в изолированном режиме (без связи с объединенной системой Центрально Азиатских (ЦА) стран); из-за постоянного роста энергопотребления в стране существующие ГЭС в осенне-зимний период не в состоянии обеспечить полное покрытие существующих графиков нагрузки, тем самым в стране возникает дефицит электроэнергии в размере 1,5-3,5 млрд. кВт.ч. в год. В стране после окончания гражданской войны наблюдается высокий уровень бедности и безработицы среди населения. В осенне-зимний период вводится лимит на подачу электроэнергии на территории всей республики, что связано с нехваткой вырабатываемой мощности; таким образом, появляется необходимость в альтернативных источниках энергии для электроснабжения населения, 73% которого расположено в сельской местности в горных регионах, составляющих 93,7% всей территории РТ. Учитывая тарифы на электроэнергию, которые искусственно поддерживаются на низком уровне, источник дополнительной энергии для ликвидации указанного дефицита должен быть максимально дешёвым и соответственно способным решить проблему дефицита электроэнергии в

кратчайшие сроки без вреда для экологии региона. Принимая во внимание современную демографическую, социальную и экономическую ситуацию в РТ следует отметить, что наиболее перспективным сегодня является освоение ресурсов многочисленных малых горных рек РТ, численная оценка, которых на современном уровне в настоящее время отсутствует.

Методы исследования

При решении поставленных задач в работе использованы современные методы теории вероятностей и математической статистики, основные теоретические положения геоинформационных систем, а также гидравлики и гидрологии, составляющие научную основу современных гидроэнергетических расчётов в целом.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. На основе системного анализа современного состояния и перспектив развития Топливно-энергетического Комплекса (ТЭК) РТ обоснована актуальность использования ресурсов Малой Гидроэнергетики (МГЭ) в условиях жестких ограничений в осенний и зимний период, а также организации эффективной системы децентрализованного электроснабжения РТ, в которую входит более 73% населения страны.

2. Разработана УЦМ открытого водотока или целого речного бассейна на основе использования современных Геоинформационных Систем (ГИС), пригодная для использования в водохозяйственных или водноэнергетических расчётах различного назначения для создания специализированной базы данных по всей речной сети РТ.

3. Разработаны современные методы расчёта основных категорий гидроэнергетического потенциала малых рек РТ, в том числе впервые для технико-экологического и эколого-экономического потенциалов малых рек РТ, для расчёта которых разработаны алгоритмы и программы на базе использования MS Office Excel и созданной УЦМ открытого водотока или целого речного бассейна.

4. Идентифицированы параметры и энергетические характеристики типовых (характерных) сельскохозяйственных потребителей РТ.

5. Исследованы и обоснованы пути повышения эффективности МГЭ в РТ в современных условиях.

Достоверность полученных результатов и выводов в работе обеспечивается применением широко известных методик и подходов, используемых в научно-технических исследованиях в области использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ).

Практическая ценность: Результаты выполненных исследований предназначены для использования в экономике Таджикистана с целью оптимальной реализации программы Правительства РТ по строительству МГЭС в период до 2020 года.

Апробация работы основные положения и результаты исследования по теме диссертации докладывались и обсуждались на научных семинарах, кафедры «Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» НИУ МЭИ, Географического факультета Московского Государственного Университета имени М.В. Ломоносова, а также на Всероссийской выставке Научно - технического творчества молодёжи 2010 - 2012 гг.

Личный вклад автора: проведен системный анализ современного состояния и перспектив развития современного состояния и перспектив развития ТЭК РТ; обосновывается актуальность использования потенциала малой гидроэнергетики РТ для повышения социального уровня жизни 73% населения страны, живущего в сельских регионах; разработано методическое, математическое и информационное обеспечение для реализации созданной автором универсальной цифровой модели открытого водотока или целого речного бассейна, предназначенной для использования в сложных водохозяйственных расчётах, в том числе и для расчётов всех категорий энергопотенциала малой гидроэнергетики;

разработано методическое и математическое обеспечение для расчёта и исследования нагрузки характерных автономных потребителей РТ; исследованы и предложены пути повышения эффективности МГЭС в РТ.

По теме диссертационной работы опубликованы следующие печатные работы :

1. Рахимов A.C., Малинин Н.К. Современное состояние гидроэнергетики Таджикистана и по пути её развития. Шестнадцатая международная научно-практическая конференция студентов и аспирантов. Радиотехника, электротехника и энергетика. Том III. Москва -2010г. Изд. МЭИ. Стр. 450.

2. Рахимов A.C., Малинин Н.К. Современное состояние Гидроэнергетики Таджикистана и пути её развития. ВИНИТИ, №605-В2010 от 20.10.10. указатель №12.

3. Рахимов A.C., Малинин Н.К. Малая гидроэнергетика ключ к развитию гидроэнергетики. II - я Международная научно-практическая конференция «Научно-техническое творчество молодёжи-путь к обществу, основанному на знаниях»: Сборник научных докладов/ Мое. Гос. Строит. Ун-т-м: МГСУ, 2010г. Стр. - 393.

4. Рахимов A.C., Малинин Н.К. Малая гидроэнергетика Таджикистана. «Возобновляемые источники энергии». Материалы седьмой всероссийской научной молодёжной школы с международным участием - М.: Мирос, 2010. Стр.-278.

5. Рахимов A.C., Малинин Н.К. Исследование электрической нагрузки характерных автономных потребителей Республики Таджикистан. Вестник ТТУ. ТТУ им. М.С. Осими, № 1(17) - 2012, С-62-68.

1. ЭКОНОМИКА И ТОПЛИВНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ТАДЖИКИСТАНА: СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ

1.1. Республика Таджикистан современное состояние 1.1.1. Общие положения

Республика Таджикистан (РТ), государство в Центральной Азии площадью 143 ООО кв. км. С 1929 по 1991 Таджикистан входил в состав СССР как одна из союзных республик (Таджикская Советская Социалистическая Республика) (см. рис. 1.1). Независимость страны была провозглашена 9 сентября 1991, однако фактическое отделение произошло после распада СССР в декабре 1991 [2].

Рисунок 1.1. Административная карта РТ [12].

Наличие гор занимающих 93,7 территории РТ затрудняет организацию внутреннего транспорта и связи, но в то же время обеспечивает страну богатыми гидроэнергетическими ресурсами и отдельными видами полезных ископаемых, таких как каменный уголь,

.'X \

с

■Худжанд ^

золото, серебро, вольфрам и уран. Значительные водные ресурсы позволяют вести в долинах интенсивное сельское хозяйство и выращивать хлопок, являющийся одной из основных культур, на которых, в основном, специализируется страна [1, 2]. Таджикистан - развивающееся государство с характерным ему непрерывными ростом населения и потребления электроэнергии. Более 95 % всей выработки электроэнергии осуществляется гидроэнергетикой, при этом её ресурсы задействованы только на 5 %. Потенциальные ресурсы гидроэнергии в РТ составляют 527 млрд.кВт.ч. со среднегодовой мощностью 60,167 млн. кВт [22]. Гидроресурсы Республики в равной степени сосредоточены по всем рекам страны в основном снегового ледникового питания. Органические ресурсы страны крайне скудны и их разработка и применение создает ряд крайне сложных и трудновыполнимых задач для экономики страны.

В последние годы энергосистема РТ работает в изолированном режиме (без связи с объединенной системой Центрально Азиатских (ЦА) стран; из-за постоянного роста энергопотребления в стране существующие ГЭС в осенне-зимний период не в состоянии обеспечить покрытие существующих графиков нагрузки, тем самым в стране возникает дефицит электроэнергии в размере 1,5-3,5 млрд. кВт.ч. [22]. В стране после окончания гражданской войны наблюдается высокий уровень бедности, безработицы [5]. Выход на рынок дешевой летней электроэнергии для реализации избыточных 6-7 млрд. кВт.ч. необходим, но пока осложняется отсутствием ЛЭП, способных передать энергию до потребителей за рубежом [22]. К сожалению, вырабатываемая в настоящее время летняя электроэнергия практически не востребована. В осенне-зимний период в РТ вводится лимит на подачу электроэнергии, тем самым появляется необходимость в альтернативных источниках электроснабжения, способных покрыть первоочередную потребность в электроэнергии. Учитывая тарифы на электроэнергию, которые искусственно поддерживаются на низком уровне, вырабатываемая электроэнергия

должна быть максимально дешёвой из-за высокого уровня бедности в стране.

1.1.2. География и климат

Таджикистан расположен на юго-востоке Центральной Азии. Его географические координаты: 36°40' - 41°05' северной широты и 67°31' -75° 14' восточной долготы. Территория РТ протянулась с запада на восток на 700 км, и с севера на юг на 350 км. РТ граничит с Узбекистаном на западе и северо-западе, Киргизией - на севере, Китаем - на востоке и Афганистаном - на юге [2, 3, 4].Протяженность государственных границ составляет 3000 км [2]. РТ - горная страна и 93,7 % его территории занимают горы, при этом около половины территории лежит на высоте свыше 3000 метров [1]. Абсолютные высотные отметки колеблются от 300 до 7495 метров над уровнем моря. Особенности природы РТ определяются его положением вдали от океанов, в зоне пустынь Евразии [2, 3, 4, 82].

Климат РТ резко континентальный, сухой, со значительными колебаниями температуры и осадков в зависимости от абсолютной высоты местности. В �