CC BY
118
ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКА
УДК 622.997:697.34
Н. Д. Шишкин Астраханский государственный технический университет
АВТОНОМНЫЕ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ С АЛЬТЕРНАТИВНЫМИ ИСТОЧНИКАМИ ЭНЕРГИИ ДЛЯ НЕФТЕГАЗОВОЙ ОТРАСЛИ
Для теплоснабжения отдаленных от основных источников тепла опорных баз нефтяных и газовых промыслов используются котельные, потребляющие различные виды топливно-энергетических ресурсов (ТЭР), такие как природный и попутный газ, нефть, мазут, печное топливо и др. В ряде случаев применяются также теплонасосные установки (ТНУ), которые дают возможность трансформировать низкотемпературную возобновляемую природную энергию до более высоких температур, пригодных для теплоснабжения [1]. Кроме того, как в России, так и за рубежом на промысловых объектах начали применяться такие возобновляемые источники энергии (ВИЭ), как солнечная, ветровая, геотермальная, биогаз и волновая [2, 3]. Потребности в создании автономных теплоэнергетических комплексов (АТК) в нефтегазовой отрасли России весьма велики, т. к. использование централизованного теплоснабжения для многих промысловых объектов, объектов транспорта и хранения нефти и газа ввиду их значительной удаленности нецелесообразно по техническим, экономическим и экологическим соображениям. В АТК наряду с ТЭР могут использоваться и альтернативные источники энергии (АИЭ). В качестве последних могут применяться возобновляемые, вторичные и низкопотенциальные природные (совместно с ТНУ). Однако широкое внедрение АТК с использованием не только ТЭР, но и АИЭ сдерживается рядом факторов, к числу которых относятся недостаточно высокие показатели энергетической эффективности преобразования ряда АИЭ, в частности ВИЭ, в тепловую энергию и ее высокая себестоимость. Кроме того, до настоящего времени не были решены многие теоретические вопросы оптимального с экономической, энергетической и экологической точек зрения комбинирования трансформаторов и аккумуляторов различных источников энергии в единые АТК.
Таким образом, весьма актуальным представляется создание высокоэффективных трансформаторов ВИЭ, разработка методических основ рационального комбинирования нескольких источников тепла в АТК и создание научно обоснованных методов расчета их оптимальных вариантов.
Автором разработана морфология основных элементов АТК с ВИЭ: гелиоколлекторов, ветродвигателей, биореакторов и аккумуляторов, по-
зволяющая осуществить предварительный выбор элементов АТК с ВИЭ. Многообразие трансформаторов и аккумуляторов ВИЭ дает возможность создания множества вариантов структурно-морфологических моделей АТК с ВИЭ [2].
Исследования автора показали, что КПД ряда оригинальных агрегатов, таких так ветродвигатели с лопастными направляющими аппаратами, биоэнергетических установок (БЭУ) с применением для подогрева ветро-энергоустановок (ВЭУ), значительно выше, чем у известных аналогов [4].
Предложены формулы для расчета энергетического КПД АТК ЛАЖ, зависящего от КПД трансформаторов 'Т, аккумуляторов 'А, энергопроводов лЭ и коэффициентов, учитывающих вклад каждого из источников (видов) энергии в преобразование уа, аккумулирование уЬ и передачу энергии ус :
~ ««*■<* ■ г у —м. ~^
'ЛАТК = X УаПО, X Уь^ X УЛ? , (1)
а=т+п+р Ь=ё с=/
1АТК- XV а 'Т X Уь'А X УсЛ?
а=1 Ь=1 с=1
Е1 у = ЕA ЕС
X Е X Е ТЕ
а=1 Ь=1 с=1
где еТ , ЕЬА, Е? - соответственно каждый из видов энергии, преобразуемой в каждом из трансформаторов энергии, каждый из видов аккумулируемой энергии, каждый из видов передаваемой энергии; т, п, р - соответственно количество видов ТЭР, ВИЭ и ВЭР (вторичных энергоресурсов); Ь, ё - количество аккумуляторов и энергопроводов.
Расчеты по формулам (1), (2) показали, что пАж при наличии в АТК ВИЭ не ниже, чем при использовании ТЭР. За счет применения ВЭР пАтк может дополнительно повыситься на 20-30 %.
На основе теории графов применительно к структурнофункциональным моделям АТК с ВИЭ, состоящим из узлов (трансформаторов, аккумуляторов и потребителей энергии), ребер (энергопроводов) и замкнутых контуров, по которым циркулируют ВЭР, разработана методика и алгоритм расчета энергетически оптимального распределения потоков энергии в узлах и на участках, соответствующего максимальным значениям энергетического КПД АТК [4, 5].
Для оценки термодинамической эффективности АТК с несколькими источниками энергии введен эксергетический КПД АТК, показывающий эффективность использования эксергии теплоты и выражающий соотношение между суммарной эксергией теплоты, поступающей потребителям, и эксергией теплоты источников. Для АТК с одним топливным источником тепла, п источниками тепла, использующими ВИЭ и ВЭР, а также двумя потребителями теплоты эксергетический КПД различных вариантов АТК может быть определен по формуле
т П
(а%Лш + XРг'ППг',1 )^П1 + - а)пТГП2 + Х,Р >ГШ.2)]еП2
гех =______________1=1___________________________] =т+1_______________ . (3)
'11-т-п т п
еМАХ + £р,е, + ХР Р з
/=1 3=т+1
где а - доля теплоты. получаемой от топливного источника теплоты первым потребителем; 1 - а - доля теплоты. получаемой от топливного источника теплоты вторым потребителем; Пт - энергетический КПД топливного источника теплоты; Пт . ПП2 - коэффициенты. учитывающие теплопо-тери в теплопроводах. соединяющих топливный источник теплоты с первым и вторым потребителями (энергетические КПД теплопроводов); Пшь Пз - коэффициенты. учитывающие теплопотери в теплопроводах. соединяющих низкопотенциальные источники теплоты с первым и вторым потребителями (энергетические КПД теплопроводов); рг- , Рз - отношение тепловой производительности каждого /-го и 3-го низкопотенциального энергоисточника. подающего тепло соответственно первому и второму потребителю. к тепловой производительности топливного источника теплоты; 0П1. 0П2 - эксергетическая температура первого и второго потребителей теплоты; еМАХ - максимальная эксергетическая температура топливного источника теплоты (газового нагревателя); 0г- , 0;- - эксергетическая температура низкопотенциальных источников теплоты. подающих тепло первому и второму потребителям тепловой энергии.
По формуле (3) была выполнена оценка энергетического КПД для 30-ти вариантов комбинирования от двух до пяти источников теплоты в АТК [5]. Для использования ТЭР в АТК могут быть применены газовые нагреватели (ГН). для использования ВЭР - утилизаторы тепла (УТ) сточных вод и вентиляционных выбросов. для использования ВИЭ - солнечные нагреватели (СН). ветротеплогенераторы (ВТ) и биогазовые нагреватели (БН) биоэнергетических установок. а также ТНУ. использующие природные и техногенные источники низкопотенциальной теплоты. В качестве потребителей тепловой энергии принимаются системы отопления (СО) и системы горячего водоснабжения (СГВ) с различной температурой поступающих в них теплоносителей. Анализ эксергетического КПД АТК по каждому из вариантов комбинирования производился по группам для АТК с двумя. тремя. четырьмя и пятью источниками теплоты. Наименее эффективным представляется вариант АТК с одним топливным источником энергии (ГН или БН). которому соответствует значение эксергетического КПД 0.20 при максимальной температуре ^СО = tСГВ = 95 °С Наиболее эффективными представляются варианты 1-2-3-5 (ГН-ТНУ-СН-ВТ) и 2-3-4-5 (БН-ТНУ-СН-ВТ). имеющие значения Г- т-п = 0.36 и в 1.8 раза
превышающие значение эксергетического КПД АТК с топливным источником теплоты. Эти варианты при равных прочих значениях параметров отличаются наибольшими значениями суммарного коэффициента рНИЭ = 1.2. которому соответствует коэффициент замещения общей нагрузки АТК за
счет ВИЭ и ВЭР уНИЭ = рНИЭ / (1+ рНИЭ) = 0.55. Таким образом. термодинамически наиболее эффективны АТК с АИЭ. Предпочтение следует отдавать вариантам с тремя-пятью источниками энергии (ВИЭ и ВЭР).
Термодинамически наиболее эффективные варианты АТК с АИЭ требуют их дальнейшей технико-экономической оптимизации для поиска оптимального для данного потребителя варианта АТК. соответствующего минимальным приведенным годовым затратам. В связи с этим автором выполнен технико-экономический анализ и оптимизация энергоустановок. использующих АИЭ и АТК на их основе. Рассмотрены основные факторы. от которых зависят технико-экономические показатели (ТЭП) гелиоустановок. ветроэнергоустановок (ВЭУ) и биогазовых установок (БГУ): капитальные вложения. приведенные годовые затраты. срок окупаемости и себестоимость получаемой тепловой энергии. Разработана методика оценки ТЭП энергоустановок различных типов в зависимости от конструктивных особенностей и материалов. применяемых при их изготовлении. Применение оригинальных гелиоустановок гравитационного типа с многоступенчатыми гелиоколлекторами [6] и тепловыми аккумуляторами с теплоаккумулирующими материалами фазового перехода (например. техническими парафинами) позволяет на 47-52 %. т. е. практически в 2 раза. уменьшить затраты на гелиоустановки в целом. Себестоимость получаемой в них тепловой энергии в 2 раза меньше себестоимости тепловой энергии. получаемой от газовых водонагревателей. Применение ветродвигателей с вертикальными полуцилиндрическими лопастями для привода оригинальных типов механических теплогенераторов позволяет в 1.3 раза сократить себестоимость тепловой энергии. получаемой из ветровой. а применение ветродвигателей с лопастными направляющими аппаратами позволяет уменьшить себестоимость тепловой и электрической энергии. получаемой из ветровой. в 1.8-1.9 раза. При применении для подогрева биомассы ВИЭ себестоимость получаемого биогаза снижается до СБГ = 0.006-0.024 $/м3 для БЭУ средней и большой мощности и становится равной цене природного газа на внутреннем рынке ЦпГ = 0.014-0.024 $/м3. Это означает. что использование БЭУ не только большой и средней. но и малой мощности может быть экономически оправданным уже в настоящее время для многих типов потребителей в нефтегазовой отрасли.
Сопоставление ТЭП нескольких вариантов АТК с ВИЭ позволяет выбрать оптимальный вариант с минимальными суммарными годовыми затратами. меньшими. чем в АТК с ТЭР. Оптимальные варианты АТК с предлагаемыми автором высокоэффективными трансформаторами и аккумуляторами ВИЭ по технико-экономическим показателям конкурентоспособны с автономными системами энергоснабжения. использующими ТЭР. Их применение вполне эффективно в настоящее время и станет еще более эффективным в ближайшие несколько лет. учитывая тенденцию к постоянному росту цен на ТЭР. Учет дополнительной экономии за счет снижения ущерба окружающей среде улучшает технико-экономические показатели АТК с АИЭ. Применение таких АТК становится еще более экономически эффективным.
Исследования, выполненные автором, позволили разработать метод оптимизации АТК, исходя из многообразия возможностей использования различных источников энергии, с учетом природно-климатических условий, наличия энергоресурсов, режима потребления тепловой энергии и т. д. [4, 5].
На первом этапе выполняется анализ исходных данных, далее следуют этапы структурно-морфологической, энергетической и термодинамической оптимизации. Из первоначально очень большого количества вариантов на каждом этапе производится селекция наиболее эффективных со структурной, энергетической, экологической и термодинамической точек зрения вариантов АТК, на порядок сокращающая количество рассматриваемых на последующем этапе вариантов. На завершающем этапе технико-экономической оптимизации из нескольких (3-5) вариантов выбирается один оптимальный вариант, соответствующий минимальным годовым приведенным затратам на реализацию АТК и минимальной себестоимости тепловой энергии, получаемой за счет возобновляемых и других видов энергии.
Таким образом, полученные результаты обеспечивают комбинирование и эффективное использование источников тепловой энергии в АТК путем внедрения и реализации новых высокоэффективных типов трансформаторов и аккумуляторов ВИЭ, схемных решений и практических рекомендаций для различных типов потребителей. Оптимальные варианты АТК с АИЭ, имеющие более высокие технико-экономические показатели, чем АТК с ТЭР, смогут найти достаточно широкое применение на различных объектах нефтегазовой отрасли, удаленных от централизованных систем теплоснабжения.
СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ
1. Корнаухова С. В. Источники теплоснабжения нефтяных месторождений // Нефтяное хозяйство. - 2004. - № 3. - С. 79-81.
2. Шишкин Н. Д. Оценка ресурсов возобновляемых источников энергии Астраханской области, перспективы и концепция их использования. Препринт. -Саратов: ОЭП СНЦ РАН. Лаборатория нетрадиционной энергетики, 2000.
3. Harder E. L. Fundamentals of energy production. - N.-Y.: Interscience publication. J. Wiley & Sons, 1982.
4. Шишкин Н. Д. Малые энергоэкономичные комплексы с возобновляемыми источниками энергии. - М.: Готика, 2000.
5. Ильин А. К., Шишкин Н. Д. Автономные теплоэнергетические комплексы (структура, характеристики, эффективность). - Ростов н/Д.: Южный науч. центр РАН, 2004.
6. Пат. РФ № 2124680. Гелиоустановка. Описание изобретения / Шишкин Н. Д. М.: РАПТЗ, 1999. - 4 с.
Получено 7.10.05
SELF-CONTAINED HEAT-AND-POWER ENGINEERING COMPLEXES WITH ALTERNATIVE ENERGY SOURCES FOR OIL-AND-GAS INDUSTRY
N. D. Shishkin
Theoretical bases for creation self-contained heat-and-power engineering complexes with fuel and energy resources and with alternative energy sources, in particular with renewable energy sources that can be applied in oil-and-gas industry are elaborated. Formulas for calculation power and exergy efficiency of self-contained heat-and-power engineering complexes are offered in the work. The calculations have shown that power efficiency with renewable energy sources is not lower than the use of fuel and energy resources, and the application of waste energy allows increasing it on 20-30 %.
The most thermodynamic and effective variant of self-contained heat-and-power engineering complexes with several alternative energy sources and its exergy efficiency exceeds exergy efficiency of selfcontained heat-and-power engineering complexes with fuel and energy resources in 1,5-1,8 times. Original helio-plants, wind-energy plants and biogas plants allow to reduce the cost price of received thermal energy in 1,3-2,0 times. On the basis of power, exergy and technical and economic analysis the optimum variant for a given concrete consumer of self-contained heat-and-power engineering complexes with alternative energy sources can be created.
