Автономное энергообеспечение теплом и электричеством

Износ систем централизованного тепло-, и электроснабжения в России становится критическим, продолжается рост тарифов на тепловую и электрическую энергию. В этих условиях альтернативой служит применение решений в области малой энергетики как разумное дополнение централизованного энергоснабжения.

Основные достоинства Мини-ТЭС:

- малые потери при транспортировке тепловой и электрической энергии по сравнению с системами централизованного тепло- и электроснабжения;

- автономность функционирования (независимость от энергосистемы) и возможность продажи в энергосистему излишков вырабатываемой электроэнергии;

- улучшение экономических показателей существующих котельных за счет выработки в них кроме тепловой также электрической энергии;

- повышение надежности теплоснабжения, так как возможные перебои с подачей электрической энергии не приводят к прекращению работы теплоисточника;

- более низкая себестоимость тепловой и электрической энергии по сравнению с системами централизованного тепло- и электроснабжения.

Типы двигателей, используемых для выработки электроэнергии

Целесообразность выбора того или иного типа привода электрогенератора мини-ТЭС предопределяется целым рядом факторов, одним из которых является стоимость используемого топлива: природный газ, пропан-бутан или дизельное топливо.

На сегодняшний момент возможными приводами генераторов для децентрализованных малых тепловых электростанций являются дизельные, газопоршневые, двухтопливные (поршневые двигатели внутреннего сгорания) и газотурбинные двигатели.

При единичных мощностях менее 3,5   МВт наименьшую удельную стоимость оборудования имеют поршневые машины. Здесь нужно заметить, что стоимость оборудования и стоимость станции не одно и то же, особенно в том случае, когда речь идет о подводе газа высокого давления (как это требуется в случае применения газовых турбин).

Важными для будущих владельцев станций становятся вопросы расхода топлива, размер эксплуатационных затрат, а также срок окупаемости оборудования станции, напрямую связанные с выгодами, которые должен получить владелец такой станции.

Удельный расход топлива на выработанный кВт ч меньше у газопоршневой установки, причем при любом режиме нагрузки. Это объясняется тем, что КПД поршневых машин составляет 36…45 %, а газовых турбин — 25…34%.

Эксплуатационные затраты на мини-ТЭС с поршневыми машинами ниже, чем на электростанцию с газовыми турбинами, так как затраты на капитальный ремонт газотурбинного двигателя несколько выше, чем на ремонт газопоршневых установок, требующий меньше финансовых и людских ресурсов.

Сравнение газотурбинных установок и газопоршневых двигателей в составе мини-ТЭС показывает, что установка газовых турбин наиболее выгодна на крупных промышленных предприятиях, которые имеют значительные (больше 8–10   МВт) электрические и тепловые нагрузки, собственную производственную базу, высококвалифицированный персонал для эксплуатации установки, а также подвод газа высокого давления.

Дизельные установки предназначены для использования в качестве основного и резервного источника электроэнергии. Ограничений по количеству часов работы нет. Дизельная установка способна работать при переменных нагрузках. Суммарная нагрузка за сутки должна составлять не менее 75 %. Дизельные установки могут поставляться как для выработки электроэнергии, так и для утилизации тепла выхлопных газов.

Газопоршневые установки предназначены для использования в качестве основного и резервного источника электроэнергии. Газопоршневая установка рассчитана на работу на различных составах природного газа, включая газ, получаемый из промышленных отходов. Отличительной особенностью таких установок является высокая производительность и пониженное содержание вредных веществ в выхлопе по сравнению с дизельными установками. Газопоршневые установки могут поставляться как для выработки электроэнергии, так и для утилизации тепла выхлопных газов и антифриза, охлаждающего двигатель.

Двухтопливные установки предназначены для использования в качестве основного и резервного источника электроэнергии. Основной особенностью работы двухтопливной установки является ее возможность работы как на природном газе, так и на дизельном топливе. При этом, при работе установки в базовом режиме используется до 70   % газообразного топлива и 30   % дизельного топлива. Подобные установки способны работать при переменных нагрузках. Благодаря применению в двухтопливной установке двух видов топлива, можно отметить ряд ее преимуществ по сравнению с дизельными и газопоршневыми установками:

- при отсутствии природного газа установка автоматически переходит на работу на дизельном топливе;

- во время переходных процессов установка автоматически переходит на работу на дизельном топливе. При выходе на рабочий режим осуществляется обратный процесс перехода на работу на природном газе и дизельном топливе;

- из-за применения натурального газа увеличены периоды между регламентным техническим обслуживанием;

- меньшие эмиссионные показатели в выхлопных газах;

- сокращение сроков окупаемости затрат на создание мини-ТЭС благодаря применению более дешевого вида топлива (природного газа).

Двухтопливные установки спроектированы и сконструированы на основе дизельных двигателей. Дополнительным оборудованием по сравнению с дизелями той же мощности являются система управления режимами подачи топлива и магистраль подачи газа. Интенсивная исследовательская программа в области теории горения, воздухоснабжения, вибрации и шума привела к разработке тихого двигателя. Возможно оснащение такой установки дополнительными глушителями для снижения уровня шума до 35   дБ.

Газотурбинные установки предназначены для работы в составе энергетических установок простого и когенерационного цикла. Газотурбинные установки производят гораздо большее количество тепла по сравнению с газопоршневыми.

Как правило, ГТУ состоит из компрессора, камеры сгорания и турбины, расположенных на силовой раме установки. В комплект ГТУ входит также топливно-регулирующая аппаратура, система смазки с насосами и маслорадиатором воздушного охлаждения, система диагностики.

Синхронный бесщеточный генератор вместе со шкафами системы управления и системы возбуждения также входят в комплект поставки ГТУ. Кроме этого, в состав ГТУ включены системы подготовки воздуха с воздухоочисткой, шумоглушением и антиобледенительной системой, а также системы топливоподготовки и газовыхлопа.

В качестве теплогенераторов в ГТУ используются котлы-утилизаторы выхлопных газов, теплообменники охлаждающей воды, водогрейные или паровые котлы.

ГТУ могут эксплуатироваться как для покрытия пиковых нагрузок, так и для работы в базовом режиме.

Автоматизированная система управления современных ГТУ, сформированная на базе микропроцессорной техники, обеспечивает управление и контроль работы ГТУ в режимах пуска, рабочих режимах и в процессе остановки машины. Разработанные АСУ ТП для различных ГТУ позволяют полностью автоматизировать процесс работы газотурбинной установки без вмешательства оператора.

Сравнительные характеристики газопоршневых и газотурбинных установок

Наивысший электрический КПД — до 35 % у газовой турбины и более 40 % у газопоршневого двигателя — достигается при работе со 100%-ной нагрузкой.

При снижении нагрузки до 50 % электрический КПД газовой турбины снижается почти в 2 раза. Для газопоршневого двигателя такое же изменение режима нагрузки практически не влияет ни на общий, ни на электрический КПД. Графики наглядно показывают, что газопоршневые двигатели имеют более высокий электрический КПД, который изменяется всего на 8–10 % в зависимости от диапазона изменения нагрузки: 50–100 %.

Условия размещения

Номинальный выход мощности и газопоршневого двигателя, и газовой турбины зависит от высоты площадки над уровнем моря и температуры окружающего воздуха. При повышении температуры от –30   °С до +30   °С электрический КПД у газовой турбины снижается на 15–20   %. В отличие от газовой турбины, газопоршневой двигатель имеет более высокий и постоянный электрический КПД в интервале температур от –30 °С до +25°С.

Условия работы

Количество пусков: газопоршневой двигатель может запускаться и останавливаться неограниченное число раз, что не отражается на его моторесурсе. Поэтому газопоршневой двигатель лучше приспособлен для покрытия пиковых нагрузок.

Газотурбинную установку из-за резких изменений термических напряжений, возникающих в наиболее ответственных узлах и деталях горячего тракта ГТУ при быстрых пусках агрегата из холодного состояния, предпочтительнее использовать для покрытия базовой нагрузки. Градиент термических напряжений в ГТУ также зависит от скорости запуска и выхода турбины на номинальный режим. 100 пусков газовой турбины уменьшают её ресурс примерно на 500 часов.

Ресурс до капитального ремонта составляет у газовой турбины 20 000–30 000 рабочих часов, у газопоршневого двигателя этот показатель равен 60 000 рабочих часов. Стоимость капитального ремонта газовой турбины с учётом затрат на запчасти и материалы несколько выше, чем ремонт газопоршневой установки.

Капитальные вложения

Как показывают расчёты, удельные капиталовложения ( USD /кВт) в производство электрической и тепловой энергии газопоршневыми двигателями ниже по сравнению с газотурбинными установками. Мини-ТЭС мощностью порядка 10   МВт на основе газопоршневых двигателей требует вложений около $7,5   миллионов, а при использовании газотурбинных установок затраты возрастают до $9,5 миллионов.

В связи с тем, что давление топливного газа на входе в газопоршневой двигатель, как правило, не превышает 1,1 кгс/см 3, а давление топливного газа на входе в газовую турбину должно быть как минимум 12 кгс/см 3, то при использовании в качестве силового агрегата газовой турбины необходима установка дожимной компрессорной станции, что несколько увеличивает объём первоначальных капиталовложений.

Экология

Важным преимуществом применения газотурбинных и газопоршневых установок перед дизельными установками является более низкое содержание вредных выбросов, содержащихся в выхлопных газах агрегатов, применяемых на автономных мини-ТЭС (рис.   6). Так, например, уровень выбросов N ox ГТУ и ГПУ в 3 раза меньше, чем у дизельных установок. Однако нужно отметить, что ГПА несколько уступают ГТУ по уровню выбросов N ox .

Генерация, когенерация, тригенерация

Традиционный способ получения электричества и тепла заключается в их раздельной генерации(электростанция и котельная). При этом, значительная часть энергии первичного топлива не используется.

Можно значительно уменьшить общее потребление топлива путем применения когенерации (совместного производства электроэнергии и тепла). Когенерация — это комбинированное производство электрической и тепловой энергии из одного и того же первичного источника энергии.

Тепловая энергия может использоваться как для отопления, так и для охлаждения. Холод производится абсорбционным модулем, который может функционировать благодаря горячей воде, пару или горячим газам. Такой способ использования первичного источника энергии называется тригенерация.

Комплексные системы утилизации тепла мини-ТЭС

Комплексная система утилизации тепла осуществляется при помощи специального технологического оборудования мини-ТЭС с газопоршневыми и дизель-генераторными установками.

Предусмотрена утилизация тепла от:

- высокотемпературных контуров охлаждения установок через теплообменники-утилизаторы тепла антифриза (УТА);

- выхлопных газов, что обеспечивается наличием возле каждой установки утилизатора тепла выхлопных газов (УТГ).

Теплообменники УТА и УТГ каждой генераторной установки соединены последовательно, при этом первой ступенью нагрева служит УТА, а второй — УТГ. Между собой системы утилизации установок подключены параллельно.

Регулирование теплопроизводительности мини-ТЭС осуществляется изменением расхода выхлопных газов в УТА путем устройства байпаса.

УТА представляет собой пластичный теплообменник поверхностного типа, в котором передача тепла от одной среды (греющего теплоносителя-антифриза) к другой (нагреваемому теплоносителю — воде) происходит через металлическую стенку (поверхность теплообменика).

УТГ выполнен в виде прямоугольной сварной конструкции, состоящей из:

- шиберной заслонки с механизмами перемещения;

- теплообменной секции из трубных оребренных водяных пучков и водяной камеры с

присоединительными фланцами;

- байпасного газохода.

Шиберная заслонка предназначена для перераспределения потока выхлопных газов между теплообменной секцией и байпасным газоходом.

Помимо УТА и УТГ, в комплект системы утилизации тепла также входят:

- расширительный бак;

- основной и резервный сетевые насосы теплофикационной воды;

- комплект трубопроводов и арматуры (в соответствии с проектом);

- система автоматики;

- предохранительные клапана;

- газоходы;

- теплоизоляция трубопроводов;

- теплоизоляция газоходов.

Работа систем утилизации тепла автоматизирована.

«Энергетическая стратегия России на период до 2020 года», принятая в 2000 г., предусматривает сохранение доминирующей роли теплофикации и централизованного теплоснабжения в обеспечении теплом городов и промышленных комплексов. Вместе с тем, учитывая изменение структуры собственности как в производственной, так и в жилищно-коммунальной сфере, доля децентрализованного теплоснабжения возрастает. Сооружение малых и средних ТЭС (в том числе за счет преобразования котельных в мини-ТЭС) позволит не только обеспечить более эффективное использование топлива за счет комбинированного производства электрической и тепловой энергии, но также повысит надежность электроснабжения населенных пунктов или отдельных объектов.

Источник: Журнал «Рынок Электротехники»