Главная >  Энергосбережение 

 

Когенераторные технологии. С повышением экологической культуры и необходимостью сокращения потребления ископаемых видов топлива появляется необходимость в высокоэффективных способах преобразования и выработки энергии. Традиционное раздельное производство электроэнергии конденсационными электростанциями и тепла котлами — малоэффективная технология, ведущая к потере энергии с теплом отходящих газов. Автономные установки комбинированного производства тепловой и электрической энергии — когенераторы — оказались успешным технологическим решением проблемы.

 

В. М. Барков,
гл. специалист отдела теплоэнергетики ООО «Инкомстрой-Инжиниринг» (г. Одинцово)

 

Когенерация — это технология комбинированной выработки энергии, позволяющая резко увеличить экономическую эффективность использования топлива, так как при этом в одном процессе производятся два вида энергии — электрическая и тепловая. Наибольший экономический эффект когенерации может быть достигнут только при оптимальном использовании обоих видов энергии на месте их потребления. В этом случае бросовая энергия (тепло выхлопных газов и систем охлаждения агрегатов, приводящих в движение электрогенераторы, или излишнее давление в трубопроводах) может быть использована по прямому назначению. Утилизируемое тепло может быть также использовано в абсорбционных машинах для производства холода (тригенерация). Существуют три основных типа когенераторных установок (КУ): энергоблоки на базе двигателей внутреннего сгорания (ГПА), газотурбинные установки (ГТУ) и парогазовые установки (ПГУ). Система когенерации (или мини-ТЭС) состоит из четырех основных частей: первичный двигатель, электрогенератор, система утилизации тепла, система контроля и управления. В зависимости от существующих требований в качестве первичного двигателя могут использоваться поршневой двигатель, газовая турбина, паровая турбина и комбинация паровой и газовой турбин. В будущем это также могут быть двигатель Стирлинга или топливные элементы.

 

Основы когенерации

 

Двигатели внутреннего сгорания (ГПА)

 

Мини-ТЭС обладают рядом достоинств, но отметим основные:
— малые потери при транспортировке тепловой и электрической энергии по сравнению с системами централизованного тепло и электроснабжения;
— автономность функционирования и возможность реализации в энергосистему излишков вырабатываемой электроэнергии;
— улучшение экономических показателей существующих котельных за счет выработки в них кроме тепловой и электрической энергии;
— повышение надежности теплоснабжения за счет собственного источника электроэнергии;
— более низкая себестоимость тепловой и электрической энергии по сравнению с централизованными источниками энергии.

 

(Рис. Принципиальная тепловая схема ГПА мини-ТЭС)

 

ГПА — традиционные дизельные электростанции, использующиеся в качестве резервных источников электроэнергии. При оснащении теплообменником или котлом-утилизатором они становятся мини-ТЭС. Бросовое тепло выхлопных газов, систем охлаждения и смазки двигателя идет на отопление и горячее водоснабжение. В механическую работу преобразуется треть энергии топлива. Остальная ее часть превращается в тепловую энергию. Кроме дизельных двигателей используются также газовые и газодизельные двигатели внутреннего сгорания. Газовый двигатель может быть оборудован несколькими карбюраторами, что дает возможность работать на нескольких сортах газа. Газодизельные агрегаты одновременно с газом потребляют до 1,5% дизтоплива, а в аварийном режиме плавно переходят с газа на дизтопливо. Дизельные когенераторы более предпочтительны в негазифицированных районах из-за более высокой, по сравнению с газом, стоимости нефтяного топлива. В качестве горючего могут быть также использованы биогаз, газы мусорных свалок, продукты пиролиза, что значительно повышает эффективность их использования на фермах, мусороперерабатывающих заводах, очистных сооружениях. ГПА с воспламенением от искры имеют наилучшее соотношение «расход топлива/энергия» и наиболее эффективны при мощностях от 0,03 до 5–6 МВт. ГПА с воспламенением от сжатия (дизеля) работают в диапазоне мощностей от 0,2 до 20 МВт. ГПА работают в двух основных режимах:
— номинальный режим — режим максимальной нагрузки и скорости в течение 24 час. в сутки на протяжении года с остановкой на плановое обслуживание; работа с перегрузкой в 10% возможна в течении 2-х час. в сутки;
— резервный режим — круглосуточная работа без перегрузки в период простоя основного источника энергии.
Достоинства и особенности применения ГПА:
— наиболее низкий уровень выбросов окислов азота, который можно устранить полностью при работе ДВС на богатой смеси с последующим дожиганием продуктов сгорания в котле;
— более высокий, по сравнению с ГТУ, ресурс работы, достигающий 150–200 тыс.час;
— наиболее низкий уровень капитальных затрат и эксплуатационных расходов на производство энергии;
— простота перехода с одного вида топлива на другой.
ГПА не рекомендуется применять при потребности в получении большого количества теплоносителя с температурой более 110 С, при большой потребляемой мощности, а также при ограниченном числе пусков.

 

ГТУ могут быть разделены на две основные части — газогенератор и силовую турбину, размещенные в одном корпусе. Газогенератор включает в себя турбокомпрессор и камеру сгорания, в которых создается высокотемпературный поток газа, воздействующий на лопатки силовой турбины. Тепловая производительность обеспечивается утилизацией тепла выхлопных газов с помощью теплообменника, водогрейного или парового котла-утилизатора. ГТУ предусматривают работу на двух видах топлива — жидком и газообразном. Постоянная работа производится на газе, а в резервном (аварийном) режиме происходит автоматический переход на дизельное топливо. Оптимальный режим работы ГТУ — комбинированная выработка тепловой и электрической энергии. ГТУ производят гораздо большее количество тепловой энергии, чем газопоршневые агрегаты, и могут работать как в базовом режиме, так и для покрытия пиковых нагрузок.

 

Газотурбинные установки (ГТУ)

 

Атмосферный воздух через входное устройство КВОУ (комбинированное воздухообрабатывающее устройство) ( поступает в компрессор ( , где сжимается и направляется в регенеративный воздухоподогреватель ( , а затем через воздухораспределительный клапан ( в камеру сгорания ( . В камере сгорания в потоке воздуха сжигается топливо, поступающее через форсунки. Горячие газы поступают на лопатки газовой турбины ( , где тепловая энергия потока превращается в механическую энергию вращения ротора турбины. Мощность, полученная на валу турбины, используется для привода компрессора ( и электрогенератора ( , который вырабатывает электроэнергию. Горячие газы после регенератора ( поступают в водогрейный котел — утилизатор ( , а потом уходят в дымовую трубу (1 . Сетевая вода, подаваемая сетевыми насосами (1 , нагревается в водогрейном котле-утилизаторе ( и пиковом котле (1 и направляется в центральный тепловой пункт (ЦТП). Подключение потребителей к ЦТП осуществляется при организации независимого контура. В качестве топлива используется природный газ. При аварийном прекращении подачи газа оба котла и ГТУ (при частичной нагрузке) переводятся для работы на сжиженный пропан-бутан (СУГ — сниженные углеводородные газы).
В зависимости от особенностей потребителей возможны следующие решения по схемам использования ГТУ:
— выдача электрической мощности в систему на генераторном (6,3 или 10,5 кВ) или повышенном до 110 кВ напряжении;
— выдача тепловой мощности через центральный тепловой пункт (ЦТП) или через индивидуальные тепловые пункты (ИТП) с полной гидравлической развязкой сетей ТЭЦ и потребительских сетей;
— работа ГТУ на общие с другими энергоисточниками тепловые сети или использование ГТУ в качестве автономного источника тепла;
— использование ГТУ как в закрытых, так и в открытых системах теплоснабжения;
Возможны варианты тепло- и электроснабжения: это или режим отпуска электрической энергии, или режим совместного отпуска электрической и тепловой энергии.

 

Принцип работы ГТУ

 

Газотурбинные ТЭС на базе ГТУ обладают следующими достоинствами: — высокая надежность: ресурс работы основных узлов составляет до 150 тыс. час., а ресурс работы до капитального ремонта — 50 тыс. час.;
— коэффициент использования топлива (КИТ) при полной утилизации тепла достигает 85%;
— экономичность установки: удельный расход условного топлива на отпуск 1 кВт электроэнергии составляет 0,2 кг у. т., а на отпуск 1 Гкал тепла — 0,173 кг у.т.;
— короткий срок окупаемости и небольшие сроки строительства — до 10–12 месяцев (при наличии необходимых согласований и разрешений);
— низкая стоимость капитальных вложений — не более $600 за установленный киловатт в пределах площадки ГТУ ТЭС;
— возможность автоматического и дистанционного управления работой ГТУ, автоматическое диагностирование режимов работы станции;
— возможность ухода от строительства дорогостоящих протяженных ЛЭП, что особенно важно для России.
Как недостаток следует отметить необходимость дополнительных расходов на сооружение газокомпрессорной дожимающей станции. ГТУ требуется газ с давлением 2,5 МПа, а в городских сетях давление газа составляет 1,2 МПа.

 

Достоинства и особенности применения ГТУ

 

Парогазовые установки (ПГУ)

 

(Рис. Принципиальная тепловая схема ГТУ мини-ТЭС)

 

Абсорбционные холодильные установки (АХУ)

 

На базе небольших паровых турбин можно создавать мини-ТЭС на базе уже действующих паровых котлов, давление пара на выходе из которых значительно выше, чем необходимо для промышленных нужд. Давление понижается с помощью специальных дроссельных устройств, что ведет к непроизводительной потере энергии — до 50 кВт на каждую тонну пара. Установив параллельно дроссельному устройству турбогенератор, можно получать более дешевую электроэнергию. Реконструкция муниципальных и промышленных котельных поможет решить 4 основные задачи энергосбережения:
— котельные, дающие в сеть свыше 60% тепловой энергии, смогут дополнительно поставлять дешевую электроэнергию как в пиковом, так и в базовом режимах;
— снижается себестоимость тепловой энергии;
— уменьшаются потери в электросетях за счет появления на объектах, обслуживаемых котельной, местных источников электроэнергии;
— существенно снижаются удельные расходы топлива на производство электроэнергии и тепла;
— существенно снижаются выбросы в атмосферу NO, CO и CO2 за счет экономии топлива.

 

Такой способ использования первичного источника энергии называется тригенерацией. Принцип действия абсорбционной холодильной машины можно представить следующим образом.

 

Системы совместного производства теплоты и электричества работают эффективно, если используется вся или максимально возможная часть вырабатываемых энергий. В реальных условиях нагрузка меняется, поэтому для эффективного использования топлива необходима балансировка соотношения производимой теплоты и электричества. Для покрытия избытка тепловой энергии в летнее время используется абсорбционная холодильная установка (АХУ). С помощью комбинации мини-ТЭС и АХУ излишки тепла в летнее время используются для выработки холода в системах кондиционирования. Горячая вода из замкнутого цикла охлаждения ГПА служит источником энергии для АХУ.

 

(Рис. Принципиальная схема АХУ)

 

В АХУ имеются два циркуляционных контура, соединенных между собой. В контуре, содержащем термостатический регулирующий вентиль и испаритель, происходит испарение жидкого хладагента (аммиака) за счет разрежения, создаваемого пароструйным насосом. Вентиль ограничивает поступление новых порций жидкого аммиака, обеспечивая его полное испарение, проходящее с поглощением тепла. Образовавшиеся пары аммиака откачиваются пароструйным насосом: водяной пар, проходя через сопло, захватывает с собой пары аммиака. Второй контур содержит нагреватель для поглощения пара и абсорбер, где пары аммиака поглощаются водой. Обратный процесс (выпаривание аммиака из воды) происходит за счет утилизационного тепла от ГПА (ГПУ). После этого аммиак конденсируется в теплообменнике, охлаждаемым наружным воздухом. Приведенная выше технология реализована в установке «генератор-абсорбер-теплообменник (GAX)», которая прошла испытания и уже появилась на рынке.

 

При разработке технико-экономического обоснования проекта мини-ТЭС прежде всего необходимо оценить потребность объекта в тепловой и электрической энергии. При оценке экономической эффективности установки должны учитываться затраты на энергоносители и эксплуатационные материалы (газ, электричество, тепло, моторное масло), на проектирование, покупку оборудования, монтаж, наладку, инженерные коммуникации, эксплуатационные издержки. Основные критерии: это конечная себестоимость электрической и тепловой энергии, расчет годовой экономии и срок окупаемости проекта. Кроме того, оценивается общий ресурс оборудования и межремонтный ресурс (для ГПА наработка до капремонта составляет около 60 тыс. час., для ГТУ — 30 тыс. час.). Также определяется число и единичная мощность энергетических агрегатов. Здесь следует руководствоваться следующими положениями:
— единичная электрическая мощность должна быть в 2–2,5 раза больше минимальной потребности объекта;
— общая мощность агрегатов должна превышать максимальную потребность объекта на 5–10%;
— мощность единичных агрегатов должна быть примерно одинаковой;
— мини-ТЭС на базе ГПА должна покрывать, как минимум, до половины максимальной ежегодной потребности предприятия в тепловой энергии, остальная потребность обеспечивается пиковыми водогрейными котлами.

 

Инженерное обоснование проектов когенерационных установок

 

Объем статьи, к сожалению, не позволяет охватить все аспекты применения когенерационных установок, наиболее значимыми из которых являются экономические и технологические, а также сравнительные характеристики применяемого оборудования зарубежного и отечественного производства. Особо значимым видится вопрос эффективного использования тепла в летнее время и варианты его использования, например, для побочной выработки, строительных материалов, химической продукции. Но это — тема будущих публикаций.

 

После оценки всех факторов принимается решение о варианте работы мини-ТЭС — автономной или параллельно с централизованной сетью (что весьма сомнительно при негативном отношении РАО ЕЭС к децентрализованным мини-ТЭС).

 

 

В заключение следует отметить, что «Энергетическая стратегия России на период до 2020 года», принятая в 2000 г., предусматривает сохранение главенствующей роли теплофикации и централизованного теплоснабжения в обеспечении энергией жилых микрорайонов, промышленных, хозяйственных и культурных комплексов. Однако в связи с изменением структуры собственности на объекты недвижимости доля автономного энергоснабжения возрастает. Сооружение малых и средних ТЭС позволит не только обеспечить более эффективное использование топлива за счет комбинированной выработки электроэнергии, тепла и холода, но и повысит надежность энергоснабжения городов и других энергопотребляющих объектов.

 



 

УГОЛЬ. Звернення до Уряду. Фасадная система теплоизоляции Текс. Энергетический WEB-сервер. Солнце.

 

Главная >  Энергосбережение 

0.0263