CC BY
13УДК 621.316.1.05
АСПЕКТЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МИНИ-ТЭЦ В СЕВЕРНЫХ ОБЛАСТЯХ УКРАИНЫ
Приступа А.Л.,кандидат технических наук, Палий Д.М., студент
Черниговский национальный технологический университет, ул.
Шевченко, 95, Чернигов, 14027, Украина
А.В. Гай, кандидат технических наук
Национальный университет биоресурсов и природопользования
Украины, ул. Героев Обороны, 15, Киев, 03041, Украина
Аннотация. В работе представлены рекомендации по месту установки и рациональной мощности мини-ТЭЦ на твердом топливе для Репкинского района Черниговской области. Проведен анализ энергоресурсов Черниговской области, выбор места установки, типа и мощности мини-ТЭЦ, а также произведена оценка изменения затрат мощности в элементах электрических сетей после установки мини-ТЭЦ.
Ключевые слова: мини-ТЭЦ, выбор мощности турбоагрегата, интегральный эффект, потери мощности, токов короткого замыкания, ОРЦ-установка.
Введение. Двадцатый век был последним веком дешевой энергии. Сейчас общество требует новых достижений науки и техники, которые одновременно будут как экологичными, так и экономически целесообразными. Сейчас все больше ощущается нехватка энергетических ресурсов. Поэтому дальнейшее развитие энергетики будет направлено на уменьшение потерь и использования возобновляемых источников энергии.
Мини-Теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) - это станции, которые производят тепловую и электрическую энергию непосредственно в месте их использования. Это обеспечивает минимизацию потерь энергии. Мини-ТЭЦ могут работать как на традиционных видах топлива, так и на отходах деревообработки и сельского хозяйства, что позволяет уменьшить энергетическую зависимость страны от импортных энергоносителей. При правильном и объективном выборе типа и установленной мощности, мини-ТЭЦ способны удовлетворить потребности населения в энергии, используя отходы.
Анализ исследований.
В настоящее время, из-за недостатка энергоресурсов или в следствие аварийных режимов в определенных регионах не всегда удается сохранить баланс произведенной и потребленной электроэнергии, что может повлечь за собой отключения потребителей в пиковые часы нагрузки. Мини-ТЭЦ используя отходы местных деревообрабатывающих предприятий, уменьшают расходы на транспортировку, и обеспечивают энергетическую независимость нашего государства - Украины.
Об актуальности тематики свидетельствует и политика правительства Украины, которая поощряет инвесторов к реализации потенциала возобновляемой энергетики Украины.
Об этом сообщил Председатель Госэнергоэффективности Украины Сергей Савчук во время официальной церемонии открытия VI Международного инвестиционного бизнес-форума по энергоэффективности и возобновляемой энергетики (5 ноября 2014).
Так, по словам С. Савчука для преодоления нынешних вызовов энергетической независимости, которые стоят перед Украиной, Правительством разработан целый ряд нормативно-правовых актов, предусматривающих стимулирование замещения газа.
Разработан - Национальный план действий по возобновляемой энергетике до 2020 года, в котором предусматривается прирост производства энергии из альтернативных источников до 11% в общем энергобалансе.
Целью является технико-экономическое обоснование целесообразности строительства мини ТЭЦ в Репкинском районе Черниговской области.
Объектом исследования является интеграция мини ТЭЦ на твердом топливе, в существующие электрические сети.
Задачей исследования выступает анализ энергоресурсов Черниговской области, выбор места установки, типа и мощности мини-ТЭЦ; оценка изменения затрат мощности в элементах электрических сетей после установки мини-ТЭЦ; оценка изменения токов короткого замыкания после установки мини-ТЭЦ; экономическая оценка.
Изложение основного материала
Мини-ТЭЦ - это электростанции с комбинированным производством электроэнергии и тепла. Использование в практических целях отработавшего тепла силовых агрегатов электростанций, является отличительной чертой мини-ТЭЦ и носит название когенерация (теплофикация).
Главная особенность и преимущество мини-ТЭЦ в том, что они
размещаются в непосредственной близости к потребителям энергии. При таком расположении экономятся значительные средства из-за отсутствия передачи - транспортировки энергии. Близость мини-ТЭЦ к тепловым сетям также является важным финансовым фактором. Диапазон электрической мощности мини-ТЭЦ достаточно широк: от десятков кВт до десятков МВт.
В мини-ТЭЦ используются электросиловые агрегаты следующих типов:
- Газопоршневые мини-ТЭЦ (20 кВт - 6 МВт);
- Газотурбинные мини-ТЭЦ (от 6 МВт);
- Микротурбинные мини-ТЭЦ (до 500 кВт);
- ОЯС - установки (органический цикл Ренкина) (25-3000 кВт).
Среди всех возможных технологий, которые сегодня
используются в работе мини-ТЭЦ, наиболее эффективной представляется технология ORC. В качестве источника тепловой энергии для ORC установки можно использовать термомасляную котельную. Термомасляная котельная - это теплогенерирующая система, которая использует в качестве теплоносителя минеральное или синтетическое масло, что позволяет при невысоком давлении в трубопроводах (около 6 бар) создавать рабочие температуры до
Использование нагретого масла в качестве теплоносителя для переноса тепловой энергии в различных технологических процессах в промышленности является более предпочтительным по сравнению с паром, так как позволяет получить высокие температуры при низких давлениях, удешевляет стоимость основного оборудования.
В качестве топлива в термомасляных котлах могут использоваться отходы деревообработки (опилки, стружка, щепа, кора), древесные пеллеты и гранулы, торф, отходы растениеводства (лузга гречихи, жмых и шелуха семян подсолнечника, лоза хмеля и винограда, коробочки льна, солома и т.д.) .
Отдельно хочется отметить важность автономной работы ORC ТЭЦ и котельных. Когда зимой из-за обледенения рвутся провода воздушных линий, то через потерю питания вспомогательного оборудования (насосы, дымососы, дутьевые вентиляторы), которое приводится в действие электроприводом, останавливаются котельные. Тогда без электроэнергии останутся все, в том числе потребители первой категории. Последствия при этом могут быть очень тяжелыми, примерами могут служить случаи подобных аварий в Альчевске 2008 г. В этой ситуации целесообразно придерживаться политики независимости котельных от внешних электросетей. Желательно, чтобы они могли бы самостоятельно производить необходимое для обеспечения своей работоспособности количество электроэнергии,
350 °С.
используя, например, установки ORC .
В современных границах Черниговская область образована 15 октября 1932. По площади это одна из крупнейших областей Украины. Территория занимает 31,9 тыс. км2 (5,3% территории Украины).
Черниговская область находится в пределах полесской и лесостепной зон Приднепровской низменности. На севере области преобладают смешанные леса (68% территории области) и лишь на юге встречаются участки лесостепи.
Проанализировав имеющиеся топливные ресурсы можно сделать вывод, что именно они являются основным ограничивающим фактором при выборе мощности мини-ТЭЦ, поэтому выбор мощности мини-ТЭЦ целесообразно проводить исходя из имеющихся топливных ресурсов.
Наиболее эффективным будет размещение мини-ТЭЦ вблизи деревообрабатывающих предприятий, что позволяет уменьшить затраты на транспортировку сырья, и применять тепло для технологических нужд самих предприятий (обогрев, сушка древесины и т.п.). Проанализировав сеть деревообрабатывающих предприятий Репкинского района можно сказать, что строительство мини-ТЭЦ наиболее целесообразно в таких населенных пунктах как Добранка, Любеч, Репки.
Рисунок 1 - Место подключения мини-ТЭЦ в Репках В поселке Репки функционирует котельная на природном газе, которая отапливает школу, больницу, жилые здания. Предлагается
переоборудовать данную котельную в мини-ТЭЦ. При этом необходима проверка обеспечения пропускной способности кабельной линии 0.4 кВ от котельной до ЗТП-122, силового трансформатора, установленного на ЗТП-122, а также воздушной линии электропередач 10 кВ «Л-19 ПС РЕПКИ - ЗТП-675», по которой получает питание указанная ЗТП.
На (рисунок 1) показано место подключения мини-ТЭЦ к ЗТП-122 и линия 10 кВ «Л-19 ПС РЕПКИ - ЗТП-675».
На (рисунок 2) приведенный почасовой график нагрузки на стороне 10 кВ ПС 110/35/10 кВ "Добрянка", построенный на основе протокола нагрузки подстанции "Добрянка" в режимный день 20.12.2013 года.
-5. кВА
О I I i * 7 & 7 н 3 Ю л и 15 ЕЗ зв 19 1Д п ¿1 ¿3 2*
Рисунок 2 - Нагрузка на стороне 10 кВ ПС 110/35/10 Добрянка В таблице 1 указан объем дров и отходов деревообработки (тирсы), которые вырабатывает государственное предприятие «Добрянський лесхоз» за 1 год.
Таблица 1 - Объем энергоресурсов ДП «Добрянський лесхоз»
Дрова, м3 Отходы деревообработки, м3
9700 1000
Определим количество тепла, которое выделяют энергоресурсы при сжигании (1)
W = V ■ С (1)
пал у '
где V - объем энергоресурсов,
С - теплотворность топливных ресурсов кВт ч/ м3. Для сосновых пород дерева С=1700 кВт ч/ м3, для дубовых пород дерева С=2100 кВт/ м3, для отходов деревообработки С=720 кВт ч/ м3.
Определим количество тепловой энергии которое выделяет имеющийся объем дров за один год по формуле (1):
Ждров = 9700 • 1848 = 17925600кВт • час
Определим количество тепловой энергии, которое выделяет имеющийся объем отходов за один год по формуле (1):
Ждров = 1000 • 720 = 720000кВт ■ час
Определим, какое количество полезной тепловой энергии смогут обеспечить топливные ресурсы за 1 год по формуле
О = Ж -П (2 )
^тепл+ел пал 1котл V '
где Жпсш - общая тепловая энергия, которую выделяет топливо при сжигании,
Пкотл - коэффициент полезного действия котла (для подавляющего большинства котлов, которые устанавливаются на современных мини-ТЭЦ г/котл =0,85).
Определим количество полезной тепловой энергии от сжигания дров за 1 год
Отет = 17925600 - 0,85 = 15236760кВт - час
Определим количество полезной тепловой энергии от сжигания отходов деревообработки за 1 год
Отет = 720000 - 0,85 = 612000кВт - час
Вычисляем количество электрической энергии, которое можно получить с помощью ОРЦ установки из полезной тепловой энергии за 1 год
О = О - ПпрП (3 )
л--елект л--тепл ЮРЦ 4 '
где г)орЦ - коэффициент полезного действия ОРЦ установки (для подавляющего большинства современных ОРЦ установок г/орц =0,1).
По формуле (З)определим количество электрической энергии, которое можно получить от сжигания дров
О = 15236760 - 0,1 = 1523676кВт - час
елект
По формуле (З)определим количество электрической энергии, которое можно получить от сжигания отходов деревообработки
О = 612000 - 0,1 = 61200кВт - час.
^елект >
Примем, что мини-ТЭЦ весь год будет работать в номинальном режиме без регулирования мощности.
Определим, какую электрическую мощность должна иметь
мини ТЕЦ на дровах и на отходах, для обеспечения беспрерывной работы станции по формуле
р _ белект (4 )
елект Т '
где Т - количество часов в одном году, Т=8760 ч.
Электрическая мощность мини ТЕЦ на дровах будет составлять
р _153676 _ 17393кВт " 8760
Электрическая мощность мини ТЕЦ на отходах будет составлять
Р _ 61200 _ 6,98кВт елект 8760
Следовательно, в данном случае целесообразно выбрать пеллетный котел марки «КОТэко Geyzer 500 кВт» и ОРЦ турбину компании "ИНФИНИТИ ТУРБАЙН - УКРАИНА" электрической мощностью 50 кВт. Это стандартная установка, которая содержит все необходимые устройства для производства электроэнергии: генератор, насос, конденсатор, компьютерную систему управления, защиту от ненормальных режимов, устройство автоматической синхронизации.
Для условий размещения мини-ТЭЦ в других населенных пунктах Репкинского района, а именно в Репках, Любече и Добрянке вблизи деревообрабатывающих предприятий были получены сопоставимые результаты расчетов. Поэтому, рассчитывая на собственную сырьевую базу, было предложено номинальную мощность мини-ТЭЦ для всех станций выбрать равной 50 кВт электрической и 400 кВт тепловой энергии. Учитывая относительно незначительную величину электрической мощности основное оборудование действующих электрических сетей, к которым планируется подключить мини-ТЭЦ, можно оставить без изменений.
Расчеты токов КЗ до и после подключения мини-ТЭЦ к рассматриваемому району электрической сети 10кВ показали, что параметры аварийных режимов в данном фрагменте электрической сети практически не меняются, что позволяет оставить без изменений параметры релейной защиты ЛЭП 10кВ ПС 110/35/10 кВ "Репки".
Проведенные расчеты показали, что при установке дополнительного источника энергии потери активной и реактивной мощности в ВЛ 10кВ значительно сокращаются.
Выводы. В данной работе обоснована целесообразность сооружения мини-ТЭЦ на твердом топливе для Репкинского района Черниговской области.
Проведен анализ энергетических ресурсов, который показал,
что в области есть значительный ресурс отходов древесины, которые возможно использовать в качестве альтернативных видов топлива или как сырья для их производства. Прежде всего это лесосечные отходы, которые образуются при заготовке древесины и отходы деревообработки.
Рассмотренные варианты установки мини-ТЭЦ вблизи лесоперерабатывающих предприятий в Репках, Любече и Добрянке, что обеспечивает переход на местное топливо, но не приводит к истощению природных ресурсов в силу малой мощности электрической (50 кВт) и тепловой (400 кВт) энергии данных станций.
В случае применения котла на термическом масле параллельно можно получить еще базу для развития нового производства, которое в своем технологическом процессе использует температуру до +350°С, в частности: пищевая промышленность (пекарни, производство кофе, жиров), бумажное и картонное производство, деревообработка (производство ДСП и ДВП, сушка дерева), металлопромышленность (печи сушки и покраски), бетонная и строительная промышленность (сушка кирпичей), химическая промышленность (нагрев жидкостей, емкостей, автоклавы).
Мини-ТЭЦ такой мощности не приводят к значительным изменениям токов короткого замыкания, а следовательно коммутационные аппараты, параметры устройств РЗА и сечения проводов ЛЭП можно оставить без изменений.
Список использованных источников
1. Андрющенко А. И. Методика предварительного выбора экономически целесообразных альтеративных вариантов тепловых схем ТЭЦ / А. И. Андрющенко, П. Г. Антронов // Изв. вузов. Проблемы энергетики: Казань, 2001, - №1 - 2. - С. 60 - 63.
2. Котлер В. Р. Мини-ТЭЦ: зарубежный опыт / В. Р. Котлер // Теплоэнергетика, 2006. - № 8. - С. 69 - 72.
3. Басок Б. И. Сравнительный анализ решений когенерационных установок / Б. И. Басок, Д. А. Коломейка// Пром. Теплотехника, 2006. -Т. 28. - № 5. - С. 77 - 82.
4. Ревзин Б. С. О роли теплофикации и о развитии ГТУ и ПГУ в новых условиях / Б. С. Ревзин, О. В. Комаров, А. А. Стяжкин // Газотурбинные технологии, 2007. - № 5. - С. 12 - 13.
5. Жарков В. С. О перспективах оборудования отопительных ТЭЦ в России / С. В. Жарков // Газотурбинные технологии, 2007. - № 2. - С. 15 - 18.
6. Газотурбшш теплоелектроцентралi з теплонасосними установками [Електронний ресурс]. - Режим доступу:
http://chepurnyi.vk.vntu.edu.Ua/iile/0de8d4f086ee4631ca75982d4e1ebc7b.p df / (дата звернення 18.05.2014)
7. Когенерационные Турбогенераторы ОРЦ на отходящем/отработанном тепле [Електронний ресурс]. - Режим доступу:
http://chepurnyi.vk.vntu.edu.Ua/file/0de8d4f086ee4631ca75982d4e1ebc7b.p df / (дата звернення 19.05.2014)
8. Микротурбины [Електронний ресурс]. - Режим доступу: http://www.aerkom.ru/miniTES/microturbiny/ (дата звернення 25.05.2014)
9. Котел на твердом топливе ПОЖ ИНКА 500 [Електронний ресурс]. - Режим доступуhttp://www.kotel.inka.ua/kotel-na-tverdom-toplive-pozh-inka-500// (дата звернення 14.09.2014)
10. ОЯС-турбины «инфинити турбайн-украина» [Електронний ресурс]. - Режим доступу: http://cccenergo.com/-_orc-ш1шйу_турбины_ренкина/ (дата звернення 30.09.2014)
11. Козирський В.В. Методи та модел розрахунку надшносп систем електропостачання: монографiя / В.В. Козирський, О.В. Гай. -К.: Гнозгс, 2013. - 563 с.
12. Гай О.В. Щдхщ iз визначення показникiв надiйностi системи електропостачання з використанням методу iмiтацiйного моделювання / О.В. Гай, С.В. Стахнюк // Науковий вiсник Нацюнального унiверситету бiоресурсiв i природокористування Украши. Серiя: Технiка та енергетика АПК. - 2014. - Вип. 194(3). - С. 249-258. -Режим доступу до сервера: http://nbuv.gov.ua/] pdf/nvnau_tech_2014_194(3)_42.pdf
13. Бодунов В.М. Урахування ост^вних режимiв при виборi потужностi джерел розподiленоi генерацii / В.М. Бодунов, О.В. Гай // Вюник Вшницького полiтехнiчного iнституту. - 2013. - Вип. 6(111). -С. 82-83. - Режим доступу до сервера: http://elibrary.ru/item.asp?id=21251786.
14. Тугай Ю. I. 1нтегращя поновлювальних джерел енерги в розподiльнi електричнi мережi сiльських регiонiв / Ю.1. Тугай, О.В. Гай, В.В. Козирський, В.М. Бодунов// Техшчна електродинамжа.. -2011. - №5. - С.63-67. ). - Режим доступу до сервера: http://elibrary.ru/item.asp?id=16691504.
15. Кириленко О.В., Павловський В.В., Лук'яненко Л.М. Техшчш аспекти впровадження джерел розподiленоi генерацii' в електричних мережах//Технiчна електродинамiка. -2011. -№1. -С. 4653.
Приступа Анатолий Леонидович, кандидат технических наук, доцент, Украина, Чернигов, Черниговский национальный
технологический университет, ул. Шевченко, 95, Чернигов, 14027,
Украина
Палий Дмитрий Александрович, магистр, Черниговский национальный технологический университет, ул. Шевченко, 95, Чернигов, 14027, Украина Гай Александр Валентинович, кандидат технических наук, доцент, gaalx@ukr.net, Украина, Киев, Национальный университет биоресурсов и природопользования Украины, ул. Героев Обороны, 15, Киев, 03041, Украина
ASPECTS OF USING MINI HEAT AND POWER PLANT IN THE NORTHERN REGIONS OF UKRAINE Prystupa A. L. , Ph.D.
Paliy D O., student Chernihiv National University of Technology, ul. Shevchenko, 95, Chernihiv, 14027, Ukraine O.V.Gai , Ph.D.
National University of Life and Environmental Sciences of Ukraine, ul. Heroes of Defense, 15, Kiev, 03041, Ukraine
Abstract. The article provides guidance on the installation site and rational power CHP on solid fuel for Repkinsky district of Chernihiv region. The analysis of energy Chernihiv region , the choice of installation location, type and capacity of CHP , as well as the estimation of changes in the cost of power in the elements of electric networks after installing CHP.
Keywords: mini heat and power plant, the choice of turbine power, the integrated effect of power loss, short-circuit, ORC.
Prystupa Anatoly Leonidovich, Ph.D., Associate Professor, Chernihiv National University of Technology, ul. Shevchenko, 95, Chernihiv, 14027, Ukraine.
Paliy Dmytro, MPH, Chernihiv National University of Technology, ul. Shevchenko, 95, Chernihiv, 14027, Ukraine.
Gai Alexander V., Ph.D., Associate Professor, gaalx@ukr.net, Ukraine, Kiev National University of Life and Environmental Sciences of Ukraine, ul. Heroes of Defense, 15, Kiev, 03041, Ukraine
