Организация энергоснабжения полевых геологоразведочных работ реферат

Обновлено: 05.07.2024

* Данная работа не является научным трудом, не является выпускной квалификационной работой и представляет собой результат обработки, структурирования и форматирования собранной информации, предназначенной для использования в качестве источника материала при самостоятельной подготовки учебных работ.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

ОДЕССКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ

СТРОИТЕЛЬСТВА И АРХИТЕКТУРЫ

Кафедра оснований и фундамента

По Основам строительного дела

Выполнил: Олейник В.А.

Проверил: Новский А.В.

Наблюдение за режимом подземных вод и развитием инженерно-геологических процессов.

Буровые и горнопроходческие работы.

Опытные полевые работы.

Геофизические методы необходимы для ускорения и повышения качества и точности инженерно-геологической съёмки, что подразумевает под собой исследование состава и свойств пород и геологических явлений. Эти методы также используются для изучения процессов и явлений, происходящих в горных породах, а также для изучения физико-механических свойств горных пород и их изменение с течением времени. Наиболее широкое применение нашли такие методы:

Сейсмическая разведка. Она основана на изучении скорости распространения упругих волн в земных породах, вызванных искусственным сотрясением. На скорость распространения этих волн в грунте влияет минеральный состав пород, структура, наличие трещин, влажность и др.

Электроразведка. На основании изучений условий прохождения электрического тока в различных грунтах. При помощи электроразведки производят уточнение геологического разреза при съёмке, определяют мощность водоносных пластов и глубину водоупоров, устанавливает положение трещиноватых зон и тектонических разломов и др.

Методы ядерной физики. Основаны на применении естественных и искусственных излучений, изменении их интенсивности и измерении поглощающей способности горных пород.

Магнитные методы. Изучение магнитных свойств пород позволяет проверять массивы горных пород на наличие тектонических разломов и трещиноватости.

Термометрические методы. Используются при изучении криогенных физико-геологических процессов и явлений в районах многолетней мерзлоты.

Наблюдение за режимом подземных вод и развитием инженерно-геологических процессов.

Подземные воды являются важнейшим элементом инженерно-геологических условий той или иной территории. При построении большинства строительных сооружений требуется обязательно произвести изучение подземных вод – их распространение, условия залегания, гидравлические особенности, условия питания и разгрузки, запасы и т.д.

Первоначально проверяют глубину залегания уровня подземных вод. Это выполняется с помощью специальных приспособлений. (Так же при этом проводиться отбирание проб воды на разных глубинах для проведения химического анализа.)

Глубина и мощность водоносного безнапорного пласта определяются замерами расстояний от устья скважины до зеркала водоносного горизонта и от зеркала подземных вод до кровли водоносного пласта. Благодаря полученным сведениям можно определить условия производства строительных и горных работ, условия эксплуатации сооружений, агрессивное воздействие вод на подземные части конструкций. Также это позволит определить последующее воздействие строения на окружающую среду и почву, а также позволит, в случае необходимости, выработать меры по борьбе с подтоплением сооружения и прилегающих территорий.

Особенно важным является изучение физико-геологических процессов. Оно включает в себя промерзание и оттаивание, элювиобразование, обвалы, осыпи, лавины, солифлюкация, эрозия почв, подмыв берегов, затопление и подтопление, сейсмические явления, суффозионные фильтрационные затопления, явление усадки и др. В целом среди этих факторов основополагающими являются геологические и климатические, взаимодействие которых и определяет тип процесса и характер его проявления. Основная цель изучения этих факторов состоит в оценке степени их влияния и в выборе способов борьбы с их неблагоприятным воздействием на проектируемые сооружения.

Буровые и горнопроходческие работы.

Горнопроходческие выработки имеют преимущество перед скважинами тем, что в процессе работ можно непосредственно видеть характер напластования пород, отобрать структурно не нарушенные образцы пород, проводить их испытания в условиях естественного залегания, но этот процесс более трудоёмкий.

Расчистка – применяется в местах естественных обнажений и крутых склонах рельефа, когда для вскрытия пород достаточно удалить со склона небольшой склон почвы, делювия или осыпи.

Закопушка – небольшая воронкообразная выработка ? 0,3 м и глубиной 0,5 – 0,8 м. Данная выработка , выполняется для обнажения пород, которые залегают под почвенным слоем. Наибольшее применение данные работы нашли при проведении инженерно-геологической съёмки.

Шурф – вертикальная горная выработка сечением примерно 1,25*1,5 ми глубиной до 20 м и более. Данная выработка проводиться в сухих, рыхлых горизонтальных или чуть наклонных пластах. Шурф дает возможность произвести осмотр, фотографирование, залегание пластов.

Канава – выработка трапецеидального сечения с шириной по основанию около 0,6 м, глубиной до 3 м и протяженностью до 100-150 м. Канавы целесообразно отрываться в ручную и при помощи землеройных машин. Канавы, также дают возможность получать туже информацию, что и шурфах.

канавы целесообразно отрывать в крутопадающих пластах и задавать направление им вкрест простиранию пластов.

Шахта – Только вертикальная выработка (сечение 2*2 или 2*3 м) глубиной до 100 м. Имеет назначение такое же как и у шурфа, но имеет из-за большой стоимости, проводят только на ответственных сооружениях и сложных геологических условиях.

Штольня – горизонтальная выработка трапецеидального сечения, высотой около 1,8 м, шириной по основанию 1,3-1,7 м, а по верху – 1 м, имеющая выход на поверхность. Этот вид горных выработок предназначен для решения различных задач, в частности при гидротехническом строительстве для определения трещиноватости и фильтрационных свойств грунтов в береговых участках плотины, для выявления суффозионных процессов.

Бурение – это вид полевых работ, при котором проводиться изучение геологического разреза, т.е. для выявления последовательности залегания пластов, их мощности, состава, плотности, консистенции, влажности, водоносности, а также отбора образцов пород и последующего испытания в лабораторных условиях. Оно подразделяется на ручное и механическое бурение. Выбор способа бурения зависит от состава проходимых пород, от назначения и глубины бурения, от условий производства работ. При выборе способа бурения особое внимание уделяется качеству и виду отбираемых образцов пород и экономической эффективности способа.

Способ ручного бурения применяется на объектах с малыми объёмами работ, в районах, куда доставка механических буровых установок может быть сопряжена с трудностями.

По способу проходки скважины оно может быть вращательным, ударным и комбинированным – ударно-вращательным.

Бурение ударно-канатным способом может вестись сплошным и кольцевым забоем. При бурении сплошным забоем проходка скважины производиться путем сбрасывания долота с последующим извлечением породы желонкой, а при бурении кольцевым забоем кольцевым забоем – сбрасыванием забивного стакана, который постепенно наполняется грунтом и затем поднимается на поверхность. Данный вид работ имеет большой недостаток в том, что очень трудоёмок и слишком маленький темп работы.

Колонковое бурение, является разновидностью способа прокладки скважин. Ему преимуществом является возможность бурения в породах любой крепости под различными углами наклона к горизонту, а также получение образцов в виде колонки породы-керна, по которой судят о геологическом строении и физико-механических свойствах проводимых пород. Коме того по извлекаемым кернам можно восстановить характер пород в массиве – их слоистость, состав, прерывистость напластования, трещиноватость, наличие пустот.

Шнековое бурение, также относится к категории вращательного способа бурения, однако оно применяется лишь для бурения в глинах, суглинках, илах глинистых суспензиях. Шнек представляет собой трубу, на которой по винтовой линии с шагом 0,6-0,8 м от его диаметра приварена спираль из стальной ленты.

Не смотря на то, что при данном способе бурения плохо определяются границы отдельных пластов, так как структура грунта, выходящего из скважины, оказывается нарушенной, он имеет высокую производительность, а также нет задержки для подъёма грунта.

Вибрационное бурение основано на внедрении в породу кольцевого наконечника – виброзонда, который представляет собой трубу диаметром 40-200 мм, длинной 0,5-3 м. По всей длине труба имеет одну или несколько прорезей для очистки зонда от породы, а её нижний конец снабжен кольцом с острой режущей гранью. Внедрение в грунт происходит благодаря тому, что под воздействием вибрации зонда в очень сильной степени ослабевает лобовое и боковое сопротивление грунта и зонд под действием собственного веса и веса вибратора погружается в грунт. Выгодная глубина бурения при этом способе составляет 15-20 м. Этот метод имеет высокую производительность, а также дает возможность отобрать образцы грунта с ненарушенной структурой.

Опытные полевые работы.

Для строительства сложных конструкции, для получения более надежных характеристик физико-механических свойств грунтов, наряду с лабораторными, проводятся испытания грунтов непосредственно в массиве, на месте будущего строительства. Она применяется на последних стадиях проектирования, когда уже существует полная картина геологического строения участка, геологические разрезы и генеральный план сооружения. На данный момент используются такие методы проверок:

Метод статических нагрузок на штамп.

Статическое и динамическое зондирование.

Испытание грунтов инвентарными сваями и испытание опытных свай натурных размеров.

Определение типа грунтовых условий по просадочности опытным замачиванием.

Срез целиков в горных выработках, раздавливание, выпирание, обрушение, вращательный срез крыльчаткой.

Самым важным при проведении основных полевых работ является выявление величины сжимаемости грунта и сопротивление сдвигу.

Модуль деформации грунта в полевых условиях определяется испытанием грунта статическими нагрузками (штампами). Это наиболее распространенный и достоверный способ. Целью испытания получить достоверные сведения о сжимаемости грунта в слое глубинной, равной полуторной ширине штампа, а также дополнительная величина осадки при увлажнении грунта. Штампы, состоящие из толстых металлических пластин (усиленных ребрами жесткости) и установленные в шурфе или скважине, подают равномерное давление ступенями по 0,01-0,1 МПа. Каждую ступень выдерживают до стабилизации осадки.

Также применяется испытание с помощью прессиометра. Прибор состоит из цилиндрической резиновой герметичной камеры, которую опускают в пробуренную скважину на глубину, где требуется определить показатели сжимаемости грунта, а затем создают давление при помощи специальной гидравлической или пневматической систем. Оболочка камеры плотно прижимается к стенкам скважены и начинает расширять последнюю деформируя грунт.

Энергообеспечение геологоразведочных работ с помощью автономных комплексов с ветроэлектрическими установками

Бельский Алексей Анатольевич,

Поддержание и увеличение балансовых (доказанных) запасов полезных ископаемых Российской Федерации требует значительных финансовых затрат со стороны государства и частных компаний на проведение геологоразведочных работ (ГРР) по освоению месторождений в удаленных и труднодоступных районах РФ, большинство из которых расположены в регионах с суровыми климатическими условиями – Сибирь, Дальний Восток, Арктическое побережье и относятся к зонам децентрализованного электроснабжения.

В настоящее время при проведении геологоразведочных работ (ГРР) в качестве автономных источников электропитания наибольшее распространение получили дизельные электростанции (ДЭС). Доля затрат на электроснабжение ГРР в этих условиях может достигать 20 % от общего финансирования [1]. При этом учитывая энергетический баланс буровых установок, анализ которого показывает, что при использовании колонкового и ударно-канатного бурения 60÷70 % энергозатрат приходится на теплоснабжение, остальная часть на электроснабжение [2]. Таким образом затраты на энергообеспечение ГРР могут достигать половины всех затрат на их проведение.

Анализ карт ветров России показывает, что около половины территории страны, не охваченной централизованной системой электроснабжения, расположено в регионах с высоким ветропотенциалом. Таким образом, альтернативой ДЭС является применение возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Включение в схему энергоснабжения ГРР в качестве основного или дополнительного источника питания, собственной ветроэнергетической электростанции (ВЭС), позволяет снизить топливную составляющую в себестоимости вырабатываемой электроэнергии, тем самым существенно снизить затраты на электроснабжение и повысить безопасность жизнедеятельности на объектах ГРР, включая рабочие поселки для геологов и их семей. Однако недостаточная разработанность методов обоснования экономической эффективности ветровых установок и выбора их основных параметров активно препятствует использованию ветровой энергии.

Таким образом, оценка и последующий выбор параметров ветроэлектрической установки (ВЭУ), обеспечивающих максимальную эффективность работы ВЭУ в заданных ветровых условиях в составе систем энергообеспечения ГРР, представляет собой актуальную задачу.

Основная часть

Гибридные комплексы на базе ВЭУ с комплектом аккумуляторных батарей и ДЭС позволяют повысить эффективность энергоисточника в целом и существенно снизить расход топлива [3, 4]. При этом в районах с благоприятными ветровыми условиями при передвижном характере работ для электроснабжения ручных (переносных) буровых станков и комплексов (см. таблицу 1) возможно полностью отказаться от ДЭС, обеспечив резервирование выработки электроэнергии за счет использования фотоэлектрических станций.

Существует несколько вариантов расположения ВЭУ при передвижном характере работ: наземное без устройства фундамента (рисунок 1) и контейнерное/автомобильное (рисунок 2).

Геологоразведочный процесс — это совокупность взаимосвязанных, применяемых в определенной последовательности и сочетании основных и вспомогательных производственных операций, обеспечивающая решение конечной задачи — открытие, подготовку к эксплуатации промышленных месторождений и залежей нефти и газа.

При увеличении (уменьшении) спроса на нефть (газ) в долгосрочной перспективе увеличивается (уменьшается) спрос на проведение поисково-разведочных работ.

Каждый частичный производственный процесс, входящий в состав геологоразведочного процесса, связан с выполнением определенного вида работы (или производством продукции), необходимой для решения конечной геологоразведочной задачи.

В геологоразведочном процессе по целенаправленности, задачам, детальности работ и степени приближенности оценки исследуемых объектов выделяются три этапа: региональный, поисковый и разведочный. Этапы подразделяются на стадии.

На этапе региональных работ выделяются стадии прогнозирования и зонального изучения перспектив нефте газоносности. На стадии регионального прогнозирования основными объектами исследования являются нефтегазоносные провинции, а на стадии зонального изучения — зоны нефтегазонакопления. На обеих стадиях проводится примерно одинаковый комплекс работ (аэрофотосъемка, дешифрирование данных космической съемки, аэромагнитная и гравиметрическая съемки, электроразведка, сейсморазведка, бурение опорных и параметрических скважин и т.д.). Основное отличие состоит в том, что на второй стадии комплекс работ выполняется по более плотной сетке наблюдений с укрупненным масштабом исследований. В результате проведения работ регионального этапа производится оценка ресурсов категории Д₂ и Д₃.

Назначение поискового этапа — обеспечение прироста разведанных запасов нефти и газа. Поисковый этап также имеет две стадии: выявление, подготовка объектов к поисковому бурению и поиск скоплений нефти и газа. Первая стадия завершается оценкой ресурсов категории С₃ на площадях (структурах), подготовленных достоверными для данного региона методами в пределах зон нефтегазонакопления с доказанной промышленной нефтегазоносностью. Вторая стадия и весь поисковый этап завершаются открытием скоплений углеводородного сырья с оценкой запасов по категории С₂, либо — в случае отрицательного результата поисков — признанием площади бесперспективной.

оценки открытых месторождений и подготовки их к разработке. Основная цель разведочного этапа — промышленная оценка месторождений (залежей) нефти и газа на основе подсчета запасов категории С₁, и подготовка разведанных объектов к эксплуатации.

Рациональный геологоразведочный комплекс — это такое сочетание методов разведки и видов работ (при их современной технической вооруженности, применении прогрессивной организации производства, труда, совершенной методики и интерпретации полученных данных), которое позволяет с наибольшей полнотой решать геологические задачи в каждом конкретном районе при минимальных затратах времени, труда и средств производства.

Рациональный комплекс может быть выбран только путем сравнения на основе совокупной оценки геологической и экономической эффективности геологоразведочных комплексов, приемлемых для конкретного района.

Технологическая последовательность этапов и стадий разведки определяет полный производственный геологоразведочный цикл.

Продолжительность цикла — это период календарного времени от первой до последней операции соответствующего процесса. Структура цикла — это соотношение отдельных затрат времени, слагающих общую его продолжительность.

Продолжительность полного геологоразведочного цикла, соответствующего отдельным стадиям геологоразведочного процесса, измеряется в годах и месяцах, производственного цикла — в месяцах и сутках, простых производственных циклов — в сутках, сменах и часах.

Перерывы в геологоразведочном процессе делятся на следующие группы: 1) полные перерывы, во время которых полностью прекращаются работы на данной площади; 2) междуметод-ные перерывы, охватывающие период от завершения работ по одному методу разведки на данной площади до начала работ по следующему методу; 3) внутриметодные перерывы или перерывы в производственном процессе, относящиеся к процессу выполнения различных видов работ по отдельному методу разведки; в последнюю группу включаются перерывы, связанные с режимом работы предприятия (нерабочие дни, перерывы на обед, отдых между сменами), с организационными причинами и климатическими условиями.

Так как для решения той или иной геологической задачи требуется выполнение целого комплекса работ, то на продолжительность геолого-разведочного цикла особенно большое влияние оказывает форма организации процессов.

Частичные производственные процессы, составляющие геологоразведочный процесс, в зависимости от распределения их во времени могут выполняться последовательно, параллельно-последовательно и параллельно. Таким образом, геологоразведочному процессу присущи три формы организации.

Продолжительность цикла является одним из основных показателей, характеризующих деятельность геологоразведочных предприятий. Чем она меньше, тем больше конечной продукции производится за один и тот же период времени, тем меньше размер незавершенного производства, а также потребность в основных и оборотных средствах для выполнения заданного объема работ.

Особенности производственного процесса, определяющие производственную структуру предприятия:

- разбросанность объектов исследования на большой территории, измеряемой часто сотнями и тысячами квадратных километров.

- часто затраты, связанные с оплатой труда, составляют 70—90% всех затрат. Поэтому сокращение затрат труда необходимо рассматривать как одну из важнейших задач при решении вопросов повышения эффективности этих работ.

- основная продукция (разведанные запасы) не требует транспортировки к месту потребления. Следовательно геологоразведочному предприятию не требуется создания специальных сбытовых служб и подразделений.

Полный геологоразведочный цикл , связанный с открытием и подготовкой к эксплуатации промышленной залежи нефти и газа, как правило, имеет большую длительность (10—15 лет).

В выполнении комплекса работ, связанных с открытием и подготовкой к эксплуатации промышленной залежи нефти (газа), почти всегда участвует несколько геологоразведочных предприятий.

Отсюда вытекает необходимость тщательного согласования их деятельности с целью предупреждения излишних затрат труда и средств на решение ряда геологических задач.

Основным геологоразведочным подразделением в настоящее время является территориальное производственное геологоразведочное предприятие (ГРП), действующее как акционерное общество.

Типовую производственную структуру (рис. 5) формируют нефтегазоразведочные экспедиции (НГРЭ). В экспедициях действуют буровые бригады, отряды, партии.

Подсобно-вспомогательное хозяйство (производство) включает в себя базу производственного обслуживания (БПО) с ре-монтно-прокатными цехами (ПРЦ), транспортное предприятие (ТП) и т.д.

Для проведения геофизических исследований организуются специальные предприятия, структура которых имеет ряд своих особенностей.

В их состав входят полевые геофизические и промыслово-гео-физические экспедиции (партии), сейсмо- и электроразведочные партии, геофизическая лаборатория и т.д.

Такие подразделения геологоразведочных предприятий, как полевые партии, часто организуются для решения какой-либо определенной задачи и ликвидируются после ее выполнения. Продолжительность работы партии ограничивается, как правило, одним сезоном (летним или зимним) или несколькими месяцами в году. Партии в процессе работы непрерывно перемещаются с одного участка исследуемой площади на другой, при этом протяженность фронта работы во многих случаях бывает равна нескольким километрам.

Типовые структуры могут видоизменяться в зависимости от природных и организационно-технических условий ведения геологоразведочных работ (разбросанность и удаленность объектов от баз снабжения, наличие коммуникаций, природный фактор степень технической оснащенности и т.д.).

К основным резервам повышения эффективности геологоразведки относятся:

— совершенствование организации проведения работ, сокращение различного вида простоев по организационно-техническим причинам.

ЦИС — цех испытания скважин ПРЦБО — прокатно-ремонтный цех бурового оборудования ПРЦЭО — прокатно-ремонтный цех

электрооборудования ТБ — трубная база ТП — транспортное предприятие ЖКХ — жилищно-коммунальное хозяйство

ГФ — геологические фонды РСУ — ремонтно-строительное управление УС — управление связи УК — учебный комбинат

Рис. 5. Типовая производственная структура геологоразведочного предприятия (ГРП)

— снижение стоимости работ, затрат на открытие и подготовку к разработке нефтяных и газовых месторождений.

В условиях перехода экономики нефтегазового комплекса на рыночные отношения одной из наиболее важных задач совершенствования организации геологоразведочных работ становится объективное определение затрат на их проведение, т.к. они в конечном счете участвуют в формировании цены на конечный продукт — нефть (газ). В настоящее время затраты на разведку и подготовку запасов относят на себестоимость 1 т нефти (1000 м 3 газа) в виде фиксированных (обезличинных), не учитывающих конкретные условия ведения работ, ставок.

Рисунок 3 – Вырабатываемая мощность ФЭМ для ноября месяца

Выявлено, что обеспечение электроэнергией всех потребителей геологоразведочной экспедиции только за счет ФЭС не позволит обеспечить гарантированность, бесперебойность и качество электроснабжения. Поэтому целесообразно применять дополнительно n источников питания, мощность которых выбирается на основании графиков нагрузок. Типы энергоисточников могут быть как на основе углеводородного топлива (бензин, дизель), так и на основе других возобновляемых источников энергии.

На основании проведенных исследований была предложена следующая структура ЭТК с ФЭС (рисунок 3). В состав ЭТК с ФЭС входят 3 источника питания:

1) ФЭМ – генерируют напряжение UPV и ток IPV, значения которых являются переменными величинами

, (3)

где S – значение инсоляции на территории объекта; t - температура окружающей среды, t – время суток, Т – время года, Fk – коэффициент затенения, k – параметр, характеризующий погодные условия.

Коэффициент затенения определяется как отношение выходных параметров частично затененной батареи произвольной формы и размеров к гипотетическим выходным параметрам такой же незатененной батареи. Значение Fk обусловлено как затенением поверхности солнечных модулей из-за переменных погодных условий, так и за счет возможного старения или появления отдельного дефектного солнечного элемента фотоэлектрической панелей, а так же различными значениями отражающей поверхности окружающей среды, которые влияют на величину рассеянного солнечного излучения.

2) ДГУ (Idg, Udg) служит для обеспечения электроэнергией технологических потребителей геологоразведочной партии, а также для поддержки номинального напряжения UNline в сети экспедиции;

3) Блок АКБ – IB и UB. АКБ может служить в зависимости от типа схемы (рисунок 4) либо для работы в ночное время (рисунок 4а) либо для работы в буферном режиме (рисунок 4б), для экономии углеводородного топлива и моторесурса ДГУ. Кроме того, АКБ поддерживает значение напряжения в случае падения напряжения UNline в сети геологоразведочной экспедиции в дневное время.

а)

б)

Рисунок 4 – Структурная схема ЭТК с ФЭС

В состав также входят преобразователи постоянного напряжения DC/DC, инверторы напряжения AC/DC, DC/AC, блок управления и коммутационная аппаратура.

Конвертор DC/DC после ФЭМ обеспечивает согласование различных уровней напряжения UPV и Udg, а также для обеспечения оптимального выходного напряжения с ФЭМ для работы в режиме отдачи максимально мощности Pmax (MPPT).

2. Обоснование режимов и формирование алгоритма работы электротехнического комплекса с фотоэлектрической станцией и дополнительным источником питания, при которых обеспечивается надежность и экономичность электроснабжения объектов геологоразведки при минимизации расхода углеводородного топлива, должны производиться на основании выявленных зависимостей, характеризующих электропотребление ГРР, включающих преобразование солнечной энергии в электрическую, ее аккумулирование с учетом процессов разряда и заряда аккумуляторных батарей, преобразование параметров электрической энергии в условиях вариации плотности потока солнечной энергии.

Обобщенная структура схемы ЭТК с ФЭС для энергоснабжения геологоразведочной экспедиции приведена на рисунке 5. В компонентный состав схемы входят: ФЭМ (PV), блок АКБ (В), ДГУ (ДГУ), преобразователь постоянного напряжения (DC/DC), инвертор (AC/DC, DC/AC), датчики напряжения и тока, контроллер (control block), ключи (1,2), ёмкостной фильтр (С).

При выборе ФЭМ определяющими являются следующие параметры – ток короткого замыкания Iкз, напряжение холостого хода Uxx, КПД и фактор заполнения FF=Iн*Uн/(Iкз*Uхх), где Iн и Uн – номинальные значения тока и напряжение панели.

По результатам сравнительного анализа различных типов фотоэлементов для применения в условиях геологоразведочных работ была рассмотрена возможность построения ФЭС с использованием монокристаллических ФЭМ, КПД которых составляет 19,1%. Средняя вырабатываемая мощность ФЭС по условию параметрической достаточности составляет 10 кВт. Поэтому для обеспечения потребителей полевой базы мощностью 10 кВт при использовании ФЭМ единичной мощностью 238 Вт и площадью 1,42 м2 требуемая площадь ФЭМ ФЭС составляет 53 м2. При увеличении средней вырабатываемей мощности до 20 кВт площадь ФЭМ увеличится до 106 м2. На рисунке 6 представлена диаграмма, отражающая зависимость технического потенциала от координат размещения ФЭС для различных фотоэлектрических элементов. Экспериментально с использованием установки SolarLab подтверждена зависимость выходных параметров фотоэлектрических элементов из монокристаллического кремния от мощности потока солнечного излучения, угла падения светового потока и нормалью к плоскости элементов.

Определен технический потенциал солнечной энергии на территории России, где возможно проведение ГРР с учетом вариации параметров солнечного излучения в зависимости от широты и долготы размещения ФЭС. Усредненный коэффициент затенения Fk был принят равным 0,8.

Реальный годовой потенциал, приходящийся на горизонтальную площадку из фотоэлектрических элементов площадью 1 м2, обладающих коэффициентов полезного действия равным 19,1 %, находится в пределах - 112 кВт•ч/м2 - 210 кВт•ч/м2. В среднем по стране значение технического валового потенциала солнечной энергии будет составлять 170 кВт•ч/м2 в год, если не учитывать зоны полярной ночи.

Согласно проведенным расчетам, территорию ряда регионов РФ со средним годовым потенциалом 150 и более кВт•ч/м2 в год можно характеризовать перспективной для использования ФЭС с ФЭМ для минимизации использования углеводородного топлива в ДЭС, за счет электропитания части потребителей, находящихся в условиях как автономного, так и централизованного электроснабжения, при параллельной работе ФЭС с централизованной системой электроснабжения.

В случае совместного использования ФЭМ и АКБ, необходимо учитывать количество вырабатываемой электрической энергии ФЭМ при выборе емкости АКБ. Это обосновано тем, что не вся вырабатываемая ФЭМ электроэнергия может быть запасена в АКБ – избыток энергии рассеивается на шунтирующем резисторе, что приводит к понижению общего КПД системы. В случае расчета вырабатываемой мощности ФЭМ по (2) и расчета емкости АКБ с учетом максимального значения плотности солнечного излучения Smax, повыситься общее КПД системы, так как уменьшится значение потери мощности. Следовательно, выбор площади ФЭМ должен производиться с учетом среднего значении потока солнечного излучения, емкость АКБ должна выбираться в соответствии с максимальным значением плотности потока солнечного излучения.

На основании полученных результатов и моделирования вероятных изменений погодных условий, влияющих на выработку электроэнергии ФЭМ и на процесс заряда и разряда АКБ, были выявлены зависимости, характеризующие этот процесс. На рисунке 7 представлен график заряды АКБ согласно профилю освещенности на 51 северной широте при идеальных погодных условиях.

Ёмкость АКБ должна выбираться на основании следующих расчетов. Количество энергии, которое может быть аккумулировано в АКБ,

, (4)

где Wmax – количество энергии, которое может быть аккумулировано за один световой день при условии максимального значения потока солнечной энергии Smax, Wav – количество энергии, которое может быть аккумулировано за один световой день при условии среднего значения потока солнечной энергии Sav.

Необходимая емкость АКБ определяется из следующего выражения

, (5)

где b - КПД АКБ, k – коэффициент, учитывающий потери в системе АКБ-ФЭС, T – продолжительность сияния в часах, Г – суммарный угол наклона между направлением на Солнце и нормалью к плоски ФЭМ, ф – КПД ФЭМ, F – фактор, учитывающий деградацию параметров, АБ – площадь ФЭМ, р - допустимая глубина разряда, которую можно принять равной р = 80 %, UАКБ – напряжение АКБ (12, 24, 48.. В).

Разработана модель, позволяющая произвести методом скользящего суммирования характер разряда и заряда АКБ. Результат моделирования процесса заряда АКБ в условиях вариации погодных условий представлен на рисунке 8, из которого виден, характер изменения тока заряда АКБ.

Рисунок 8 – Характер изменения тока заряда АКБ с учетом случайного процесса набегания облаков

Для обеспечения надежности электроснабжения ГРР выбор компонентов системы должен производиться с учетом резервного источника питания – ДГУ. Мощность ДГУ выбирается соизмеримой с мощностью потребителей с учетом мощности ФЭМ. На основании выбранной методики компоновки системы, был разработан алгоритм работы всего комплекса, схема которого показана на рисунке 5. при разработке алгоритма учтены:

режим заряда АКБ, в условиях различной освещенности;
степени включения ДГУ в зависимости от режима заряда АКБ;
режим совместной работы ФЭМ и АКБ.

Изначальное условие работы системы заключается в том, что ФЭМ и АКБ способны в течении t обеспечивать электроэнергией потребителей мощностью P1, значение которой выбирается на основании графиков нагрузок и потенциала солнечного излучения на территории ведения геологических изысканий. В алгоритме предусмотрено отслеживание возможности обеспечивать потребителей полевых баз ГРР в ближайшие 12 часов

. (6)

Выражение 6 является условием № 1. В случае, когда накопленного заряда АКБ не достаточно для выполнения условия 1, система пересчитывает значение P1, снижая его до значения P2 на период времени t’, при условии что P2 составляет 50% от P1. Таким образом, условие № 2 для системы управления выглядит следующим образом

. (7)

До момента времени t3 – момента времени, когда вновь начнется выполняться условие 1, система работает в режиме 2.

Третий режим предусматривает снижение P1 на 75% на промежуток времени t’’. Поэтому условие перехода к режиму 3

. (8)

Возможность такого регулирования режима процесса заряда АКБ обусловлена ступенчатым отключением потребителей-регуляторов и переводом их электропитания на резервный источник питания – ДГУ.

Поэтому согласно выбранному алгоритму система контроля в случае невыполнения условия 1 переключает первую группу потребителей на электропитание от ДГУ. В случае невыполнения условия 2, система переключает вторую группу потребителей на электропитание от ДГУ и т.д. (рисунок 9).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является законченной научно-квалификационной работой, в которой содержится решение актуальной научно-технической задачи повышения надежности и экономичности электроснабжения объектов геологоразведочных работ с использованием ФЭС в удаленных от централизованной энергосистемы районах.

Выявлены показатели графиков электрических нагрузок полевых баз при ведении ГРР. Среднее значение Pmax составляет 16,5 кВт, Рср составляет 6,84 кВт, коэффициент заполнения графика Кз = 0,41, коэффициент использования максимума Кmax = 2,41, время использования максимума Tmax = 2386 за весь сезон. Для обеспечения параметрической достаточности полевых баз геологов средняя вырабатываемая мощность ФЭС составляет 10-20 кВт. Общее энергопотребление составляет в среднем 40 000 кВт·ч за сезон.
Рассчитан реальный годовой потенциал, приходящийся на горизонтальную площадку из фотоэлектрических элементов площадью 1 м2, обладающих коэффициентов полезного действия равным 19,1 %, находится в пределах - 112 кВт•ч/м2 - 210 кВт•ч/м2. В среднем по стране значение технического валового потенциала солнечной энергии будет составлять 170 кВт•ч/м2 в год, если не учитывать зоны полярной ночи.
На основании полученных результатов доказано, что выбор структуры и схемы ЭТК с ФЭС должен осуществляться на основании комплексного анализа графиков электрических нагрузок геологоразведочной экспедиции, выявления характеристик потребителей, географического и климатического расположения партии.
Обосновано, что выбор площади и соответствующей ей выходной мощности ФЭМ осуществляется на основании экспериментальных данных освещенности промышленной площадки геологоразведочной партии, что позволяет осуществить выбор параметров ЭТК с ФЭС и ДГУ на основе параметров плотности потока солнечной энергии. В условиях сезонности работ и малой повторяемости минимального значения плотности потока солнечного излучения площадь ФЭМ выбирается на основании среднего значения плотности потока солнечной энергии.
Доказано, что выбор емкости АКБ осуществляется на основании комплексного анализа сезонности работ и максимальных значений плотности потока солнечной энергии, КПД АКБ, коэффициента, учитывающего потери в системе АКБ-ФЭС, продолжительности сияния в часах, суммарного угла наклона между направлением на Солнце и нормалью к плоски ФЭМ, КПД ФЭМ, деградацию параметров, площадь ФЭМ, допустимую глубину разряда.
Перспективными для использования ФЭС с ФЭМ при производстве ГРР являются регионы РФ со средним годовым потенциалом 150 и более кВт•ч/м2. Срок окупаемости предложенной структуры составляет 14 месяцев. При продолжительности работ от 16 месяцев экономический эффект составит 0,21 млн. рублей. При увеличении срока проведения геологоразведочных работ до 24 месяцев экономический эффект составит 1,07 млн. рублей, для 36 месяцев – 2,35 млн. рублей.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

Читайте также: