Improving the efficiency of energy production in a distributed island power supply system

Abstract

Reliability and cost-effectiveness of energy supply are crucial for socio-economic development and investment attractiveness of territories. In areas where there is a high demand for thermal energy, one of the ways to improve energy efficiency is using cogeneration systems with mini-CHP (combined heat and power) plants powered by gas-piston units. The main challenges preventing the full potential of these systems from being realized are the mismatches between electrical and thermal load profiles.The aim ofthis research is to substantiate the method and choice of technical means for reducing the installed capacity of boiler equipment at a mini-CHP and increasing the utilization rate of installed capacities of heat and electric energy sources in distributed power supply systems. To achieve this goal, we completed the following tasks: an analysis of existing methods for increasing production efficiency and the application of efficiency criteria, as well as the development of a simulation model for a distributed supply system. A methodology was developed for selecting equipment and calculating efficiency indicators, including specific fuel consumption. The paper demonstrates the feasibility of technical solutions for increasing the flexibility of the system through the integration of various equipment, such as heat pumps and heat energy storage systems. A method for selecting a combination of thermal energy sources has been developed. This method allows us to calculate and compare performance indicators for various energy supply systems. To verify our proposed solutions, we applied them to a case study of a regional energy system in a town in the Novosibirsk region. The results confirmed the viability of our approach. The obtained results have practical significance for managing the development of distributed island power systems.

Fiabilitatea și rentabilitatea aprovizionării cu energie sunt cruciale pentru dezvoltarea socio-economică și atractivitatea investițională a teritoriilor.În zonele în care există o cerere mare de energie termică, una dintre cele mai promițătoare modalități de îmbunătățire a eficienței energetice este utilizarea sistemelor de cogenerare cu mini-centrale de cogenerare (CHP) alimentate de unități cu piston pe gaz.Principalele provocări care împiedică realizarea întregului potențial al acestor sisteme sunt neconcordanțele dintre profilurile de sarcină electrică și termică.Scopul acestei cercetări este de a fundamenta metoda și alegerea mijloacelor tehnice pentru reducerea capacității instalate a echipamentelor de cazane la o mini-CHP și creșterea ratei deutilizare a capacităților instalate ale surselor de energie termică și electrică în sistemele de alimentare distribuită cu energie.Pentru a atinge acest obiectiv, am finalizat următoarele sarcini: o analiză a metodelor existente pentru creșterea eficienței producției și aplicarea criteriilor de eficiență, precum și dezvoltarea unui model de simulare pentru un sistem de alimentare distribuită.A fost elaborată o metodologie pentru selectarea echipamentelor și calcularea indicatorilor de eficiență, inclusiv consumul specific de combustibil.Lucrarea demonstrează fezabilitatea soluțiilor tehnice pentru creșterea flexibilității sistemului prin integrarea diverselor echipamente, cum ar fi pompele de căldură și sistemele de stocare a energiei termice. A fost dezvoltată o metodă pentru selectarea unei combinații de surse de energie termică.Această metodă ne permite să calculăm și să comparăm indicatorii de performanță pentru diverse sisteme de alimentare cu energie.Pentru a verifica soluțiile propuse, le-am aplicat unui studiu de caz al unui sistem energetic regional dintr-un oraș din regiunea Novosibirsk.Rezultatele au confirmat viabilitatea abordării noastre.Aceste constatări sunt relevante pentru managementul sistemelor energetice regionale, deoarece oferă o modalitate de a îmbunătăți eficiența energetică.Acest lucru ajută la asigurarea viabilității economice a energiei și a alimentării neîntrerupte.

Надежность и экономическая доступность энергоснабжения являются фундаментальными факторами социально-экономического развития и инвестиционной привлекательности территорий. На территориях, характеризующихся высоким спросом на тепловую энергию, наиболее перспективным решением для повышения эффективности энергопроизводства является переход к когенерации посредством мини-ТЭЦ на основе газопоршневых установок.Однако ключевым ограничением, препятствующим реализации потенциала таких систем, является несовпадение профилей электрической и тепловой нагрузки. Это приводит к снижению эксплуатационной эффективности когенерационного оборудования. Целью исследования является обоснование способа и выбор технических средств для снижения установленной мощности котельного оборудования на мини-ТЭЦ и повышения коэффициента использования установленных мощностей источников выработки тепловой и электрической энергии в распределенных системах энергоснабжения. Для достижения поставленной цели былирешены следующие задачи: произведен анализсуществующихспособовповышения эффективности производстваи применяемыхкритериевэффективности;разработанаимитационнаямодель распределенной системы теплоснабжения; созданаметодикавыбора структуры оборудования и расчёта показателей эффективности, включая удельный расход топлива. В работе показанацелесообразностьтехническихрешенийповышения гибкости системыза счет интеграции различного оборудования, включаятепловые насосыи системынакопления тепловой энергии. Наиболее важным результатом является методика выбора составаисточников тепловой энергии.Применение данной методики обеспечивает возможность рассчитывать и сопоставлять показатели эффективности различных системах энергоснабжения. Верификация предложенных решений на примерераспределеннойсистемы энергоснабжения населенного пунктав Новосибирской областиподтвердила ее состоятельность. Было продемонстрировано повышение коэффициента использования установленных мощностей газопоршневого оборудования при одновременномснижениитребуемой мощности котельного оборудования. Полученные результаты имеют практическое значение для управления развитием распределенныхостровных энергосистем. Они предоставляют инструментарий для повышения эффективности производства энергии и одновременного увеличения энергосбережения при ее транспортировке, что в совокупностиспособствует обеспечению экономической доступности энергии и бесперебойностиэнергоснабжения для конечных потребителей.