XIX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2027

Введение 

Энергообеспечение геологоразведочных работ (ГРР) в удалённых районах страны характеризуются отсутствием централизованных сетей, высокой стоимостью доставки топлива и значительной долей тепловых нагрузок. Традиционные системы на базе дизельных электростанций (ДЭС) имеют КПД порядка 30-40%, при этом до 60% энергии топлива теряется в виде тепла выхлопных газов и системы охлаждения. Одним из наиболее перспективных направлений повышения энергоэффективности является внедрение ветроэнергетических установок (ВЭУ), что обусловлено повышенным ветровым потенциалом открытых пространств и горных территорий, а также наличием ветрогенераторов в специальном климатическом исполнении, которое было бы пригодным для эксплуатации при низких температурах [1, 2, 3].

Однако специфика интеграции ВЭУ в автономные системы энергоснабжения геологоразведочных объектов кардинально отличается от условий централизованных сетей или крупных ветропарков. Отсутствие связей с энергосистемой, полная изоляция потребителя и высокая доля тепловой нагрузки в общем энергобалансе накладывают жесткие ограничения на режимы совместной работы ветрогенераторов и дизельных электростанций. Более того, эти ограничения вступают в прямое противоречие с целесообразностью утилизации вторичных энергоресурсов (ВЭР) ДЭС. Целью работы будет являться обоснование адаптивной гибридной схемы, разрешающую противоречие между внедрением ВЭУ и эффективностью утилизации тепла ДЭС [1, 2, 4].

Характер ветровой нагрузки и его влияние на режимы работы ДЭС

Для районов ведения геологоразведочных работ в условиях Крайнего Севера и горных территорий характерны следующие особенности ветрового режима: высокая средняя скорость ветра (часто 5-8 м/c и более), что создает благоприятные предпосылки для генерации электроэнергии; значительная турбулентность воздушных потоков, обусловленная влиянием рельефа, что приводит к резким и частым изменениям скорости ветра в диапазоне от нуля до ураганных значений; непредсказуемость как краткосрочных, так и долгосрочных ветровых режимов, затрудняющая точное планирование выработки [4, 5]. При прямом подключении ВЭУ к изолированной сети переменная выработка вызывает постоянные отклонения электрической нагрузки дизель-генератора от его номинального режима. В тех случаях, когда мощности ветра достаточно для покрытия части потребления, автоматика ДЭС снижает подачу топлива, уменьшая электрическую нагрузку. При шквалистых усилениях ветра дизель-генератор может вынужденно переходить в режим минимально допустимой нагрузки (обычно 30-40% от номинала), а при резком падении ветра – так же быстро набрать эту нагрузку. Данная зависимость продемонстрирована схематически на рисунке 1 [5].

Рисунок 1. Влияние переменной выработки ветроэнергетической установки на режим работы дизель-генератора в изолированной энергосистеме

Даже при относительно ровном среднем ветре нагрузка ДЭС совершает частые колебания, амплитуда которых зависит от соотношения мощности ВЭУ и текущего потребления. Характерная особенность таких колебаний – их высокая частота: за сутки дизель-генератор может десятки раз переходить из зоны номинальной нагрузки в зону частичных нагрузок и обратно. Именно эта частота, а не только абсолютная величина отклонений, определяет скорость накопления повреждений в двигателе и величину перерасхода топлива. При увеличении доли ВЭУ амплитуда колебаний растет, а средняя нагрузка ДЭС смещается в область низких значений, что создает предпосылки для перехода к адаптивным схемам управления, рассмотренным ниже [5].

Негативные эффекты переменной нагрузки для ДЭС

Указанные режимные колебания, многократно повторяющиеся в течение суток, приводят к следующим последствиям, каждое из которых критично для автономных систем энергоснабжения геологоразведочных и горных работ [4, 5]:

1. Увеличение удельного расхода топлива. Работа дизель-генератора при нагрузке менее 40% от номинала, как упоминалось ранее, сопровождается резким ростом удельного расхода топлива на киловатт-час выработанной электроэнергии. Это частично нивелирует экономию топлива, ради которой и внедряется ВЭУ.

2. Ускоренный износ двигателя. Частые изменения нагрузки приводят к температурным деформациям элементов поршневой группы, цилиндров и систем газораспределения, что сокращает ресурс оборудования в 1,5-2 раза по сравнению с работой в стационарном режиме.

3. Ухудшение качества электроэнергии. Колебания напряжения и частоты, вызванные нестабильной выработкой ВЭУ, негативно влияют на работу чувствительного геологоразведочного и бурового оборудования, требующего стабильного питания.

Совокупность этих факторов делает прямое подключение ВЭУ к изолированной сети не только неэффективным, но и потенциально опасным для основного генерирующего оборудования [5]. Оценка энергоэффективности дизельных и электростанций должна учитывать особенности их эксплуатации и показатели использования топливно-энергетических ресурсов в соответствии с нормативными требованиями [6].

Снижение теплового потенциала при частичных нагрузках как ключевое противоречие

Наиболее важным в контексте комплексного повышения энергоэффективности является фактор, непосредственно связанный с утилизацией тепла ДЭС. Для количественной оценки связи между режимом работы ДЭС и объемом утилизированного тепла используется уравнение теплового режима (УТР) [1]:

где – часть тепловой нагрузки, покрываемая за счет утилизации в момент времени t, кВт; – тепловая мощность утилизации, зависящая от электрической мощности ДЭС, кВт; – текущая тепловая нагрузка потребителя, кВт.

Годовая экономия топлива за счет утилизации будет определяться путём интегрирования формулы (1) по времени:

где – количество утилизированной тепловой энергии за год, ГДж/год; – КПД котельной; – теплота сгорания топлива ГДж/т.

Из уравнения (1) следует, что тепловая мощность утилизатора прямо зависит от текущей электрической нагрузки ДЭС . При работе дизель-генератора на нагрузках 30-40% от номинальной температура выхлопных газов снижается с до , расход выхлопных газов пропорционально уменьшается, а теплосъем в газоводяных утилизаторах падает в 2-3 раза по сравнению с номинальным режимом [7].

Таким образом, внедрение ВЭУ без адаптации схемы энергоснабжения не только сокращает выработку дизельной электроэнергии, но и одновременно снижает количество утилизируемого тепла, которое могло бы заместить дорогостоящее топливо [8]. При высокой доле ветровой генерации (более 30-40% от общего энергобланаса) ДЭС большую часть времени работает в зоне низких нагрузок, что делает утилизацию тепла практически бесполезной. Это и есть ключевое противоречие, которое необходимо разрешить.

В качестве исходной основы для оценки эффективности использования вторичных энергоресурсов использованы результаты ранее проведённого исследования энергоснабжения Дукатской ГРЭ. Применение системы утилизации тепла позволило снизить затраты на теплоснабжение на 26,2%, а совокупные дисконтированные затраты за пятилетний период – на 16,4% [1]. Указанные результаты характеризуют экономический потенциал утилизации тепла ДЭС и служат основанием для дальнейшего рассмотрения возможностей её интеграции с ветроэнергетическими установками в составе автономного энергокомплекса.

Адаптивная гибридная схема как ключевое решение

Для разрешения выявленного противоречия предлагается адаптивная гибридная схема энергокомплекса, включающая пять функциональных подсистем. Их взаимодействие обеспечивает совместное использование дизельной и ветровой генерации, аккумуляторное резервирование и комплексное использование вторичных энергоресурсов. Основные элементы и функции системы представлены в таблице 1 и изображены на рисунке 2, а в таблице 2 приведены вариации режимов работы такого энергокомплекса [8, 9].

Таблица 1. Функциональная структура гибридного энергокомплекса для геологоразведочных работ

Таблица 2. Режимы функционирования гибридного энергокомплекса

Рисунок 2. Схема гибридного энергокомплекса «ДЭС – ВЭУ – Утилизация тепла» с аккумулированием для геологоразведочных

Таким образом, предлагаемый гибридный энергокомплекс предусматривает десять режимов функционирования, позволяющих адаптировать выработку и распределение энергии к текущим условиям. Наибольший эффект ожидается при согласованной работе ДЭС, ВЭУ и аккумуляторных батарей, дополненной утилизацией тепла. Реализация такого подхода направлена на снижение расхода топлива и повышение надёжности автономного энергоснабжения геологоразведочных объектов [9, 10].

Заключение

Проведенный анализ показал, что главным препятствием для внедрения ВЭУ в автономное энергоснабжение геологоразведочных работ является не сам по себе ветровой режим, а режимная несовместимость ветрогенерации с дизельной генерацией: при доле ВЭУ выше 30-40% дизель-генератор большую часть времени работает в зоне частичных нагрузок, что ведет к перерасходу топлива, ускоренному износу и снижению качества электроэнергии. Дополнительно установлено, что этот же режимный сдвиг обесценивает утилизацию тепла ДЭС: теплосъем в утилизаторах падает в 2-3 раза, и эффект, подтвержденный для теплоэлектрического комплекса без ВЭУ, при прямом подключении ветрогенерации частично теряется [1, 4, 5]. Для разрешения имеющегося противоречия предложена адаптивная гибридная схема, которая включает пядь подсистем и десять режимов работы. Балансовая оценка такой схемы с ВЭУ показывает, что адаптивное управление позволяет сохранить эффект утилизации и довести общий КПД использования топлива до 85-90%. Количественная верификация гибридного режима с ВЭУ требует дальнейшего математического моделирования с использованием реальных ветровых рядов и графиков нагрузки. Научная новизна работы заключается в выявлении и формализации противоречия между внедрением ВЭУ и утилизацией ВЭР ДЭС, а также обосновании адаптивной гибридной схемы с трехуровневой буферизацией, обеспечивающей согласование переменной выработки ВЭУ с тепловым режимом ДЭС. Практическая значимость состоит в том, что подтвержденный в предыдущем исследовании эффект утилизации тепла ДЭС создает основу для проектирования автономных энергокомплексов, а предложенная в настоящем исследовании адаптивная схема с ВЭУ задает направление дальнейшего повышения КПД использования топлива [1, 4, 10].

Список используемой литературы

1. Подаревский Р. Д., Меркулов М. В., Кормес А. А., Адамова Л. С. Повышение энергоэффективности горного производства в условиях севера за счет теплоэнергетических комплексов с утилизацией вторичных энергоресурсов // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2026. – № 6. – С. 145–158. DOI: 10.25018/0236_1493_ 2026_6_0_145;

2. Косьянов В. А., Черезов Г. В., Меркулов М. В., Головин С. В. Система утилизации теплоты передвижных дизельных электростанций при бурении геологоразведочных скважин. // Горный журнал. 2017. №3;

3. Джураев Р. У., Хатамова Д. Н. Снижение топливно-энергетических затрат при бурении на основе полезной утилизации теплоты привода дизельной электростанции буровых установок // Горный журнал. – 2025 г. - №10. – С. 57-63;

4. International Renewable Energy Agency (IRENA). Renewable Energy for Remote Communities: A Guidebook for Off-grid Projects. Abu Dhabi: IRENA, 2023;

5. Бельский А. А., Емельянов Е. А. Модель дизельной электростанции при оценке жизненного цикла автономного гибридного ветроэлектрического комплекса // Горное оборудование и электромеханика. 2023. №6 (170). С. 10-16;

6. ГОСТ Р 55007-2012. Стационарные дизельные и газопоршневые электростанции с двигателями внутреннего сгорания. Энергоэффективность. – Введ. 2014–01–01. – Москва: Стандартинформ, 2013. – 20 с;

7. Hossain S. N., Bari S. Waste heat recovery from the exhaust of a diesel generator using Rankie Cycle // Energy Conversion and Management. 2013. Vol. 75. P. 141-151;

8. Елистратов В. В., Конищев М. А., Денисов Р.С., Богун И. В. Арктическая ветродизельная электростанция с интеллектуальной системой автоматического управления // Электричество. 2022. №2. С. 29-37;

9. Шклярский Я. Э., Батуева Д. Е. Разработка алгоритма выбора режимов работы комплекса электроснабжения с ветродизельной электростанцией // Записки Горного института. 2022. Т. 253. С. 115-126;

10. Абрамович Б. Н., Бельский А. А. Выбор параметров ветродизельной установки для энергообеспечения минерально-сырьевого комплекса // Записки Горного института. 2012. Т. 195. С. 227-230.