Комплексные решения по созданию объектов малой распределенной генерации в Республике Татарстан Текст научной статьи по специальности «Математика»

УДК 662.6

О. В. Афанасьева, А. А. Галькеева, Г. Р. Мингалеева

КОМПЛЕКСНЫЕ РЕШЕНИЯ ПО СОЗДАНИЮ ОБЪЕКТОВ МАЛОЙ РАСПРЕДЕЛЕННОЙ ГЕНЕРАЦИИ В РЕСПУБЛИКЕ ТАТАРСТАН

Ключевые слова: малая распределенная энергетика, твердое местное топливо, эффективность.

В работе описаны основные решения по созданию энергоэффективных автономных источников энергоснабжения - мини-ТЭС. В качестве источника энергии рассматриваются местные природные ресурсы Республики Татарстан - уголь Камского бассейна и торф. Для предложенной технологической схемы, работающей на угле, выполнена оценка эксергетической и термоэкономической эффективности.

Keywords: small and distributed energy, local solid fuel, efficiency.

In the article describes the main decisions to create energy-efficient self-contained power supply - mini-thermal power plants. As an energy source are considered local natural resources of the Republic of Tatarstan - coal and peat. For the proposed technological scheme working on coal estimated exergy and termo-economic efficiency.

Введение

В настоящее время во всем мире четко прослеживается тенденция развития малой распределенной генерации. Вполне логичным решением для автономной энергетики являются тепловые электростанции мощностью до 25 МВт (мини-ТЭС), работающие на основе использования местных источников энергии.

В связи с истощением запасов нефти и газа, а также роста цен на них, как на мировом, так и на внутреннем рынке, возрастает роль твердого органического топлива в топливно-энергетическом балансе нашей страны. Использование твердого топлива является перспективным и для установок малой мощности, которые располагаются в непосредственной близости от потребителей, так как достигается полная автономность объекта. Особенно это актуально для тех регионов, где твердое топливо является местным, и существует зависимость от дорогостоящего привозного топлива. Вместе с тем, обострение экологической обстановки в мире и жесткие требования по снижению уровня отрицательного воздействия на окружающую среду не позволяют осуществить простой возврат к углю при замещении им нефти и газа. В этой связи необходима разработка и внедрение технологий его переработки, которые смогли бы решить данные проблемы, тем самым обеспечив экономическую и экологическую конкурентоспособность по сравнению с нефтью и газом.

В настоящее время в нашей стране отсутствует нормативно-методическая база для объектов малой распределенной генерации. Большинство представленных на отечественном рынке мини-ТЭС, ориентированы, главным образом, на работу на природном газе, и это вполне объяснимо отсутствием стимулов к использованию других энергоресурсов. Однако, в связи с переходом

топливно-энергетического комплекса на явное усиление позиций в использовании твердого топлива, необходимо уже сейчас разрабатывать технологические решения для малых электростанций, работающих на данных энергетических ресурсах, тем более актуальны

данные разработки, когда твердое топливо является местным.

Несмотря на то, что развитие распределенной энергетики декларируется на уровне государственных программ, реальное движение в этом направлении невозможно без системного подхода к данной проблеме. Исследования в данной области являются частью и возможно одним из первых шагов такого решения, которое должно быть получено путем объединения усилий многих организаций. Примером успешной реализации подобного плана в области энергетики является создание централизованной системы

энергообеспечения нашей страны, которая функционирует в течении многих десятилетий и основой создания которой послужили фундаментальные исследования в области системного, структурного, термодинамического и технико-экономического анализа. На сегодняшний день актуальным является реализация аналогичного подхода для объектов малой распределенной автономной энергетики.

В представленной работе приведены результаты оценки теплового, эксергетического и термоэкономического анализа малого

энергетического объекта при использовании каменного угля Камского бассейна.

Роль малой энергетики в развитие топливно-энергетического комплекса Республики Татарстан

Согласно Стратегии развития топливно-энергетического комплекса Республики Татарстан (РТ) надежное энергоснабжение потребителей, повышение конкурентоспособности и обеспечение устойчивого развития энергетической отрасли на базе новых современных технологий, а также снижение уровня негативного воздействия на окружающую среду, являются основными приоритетными направлениями развития энергетики на период до 2030 года.

Реализация указанных направлений возможна за счет модернизации производственных объектов энергосистемы РТ, основными принципами которой являются:

- приоритетный ввод объектов, обеспечивающих комбинированную выработку тепловой и электрической энергии;

- снижение удельных расходов топлива и уменьшение негативного воздействия на окружающую среду;

- дифференциация используемых видов топлива;

- ликвидация дефицита электрической мощности

[1].

Постепенный переход от использования нефти к угольному топливу отражен в Стратегии социально-экономического развития РТ до 2030.

В Стратегии социально-экономического развития Приволжского федерального округа на период до 2020 года, утвержденной Правительством Российской Федерации от 7 февраля 2011 г. № 165-р, основным направлением развития электроэнергетической инфраструктуры округа отмечается интеграция возобновляемых источников энергии в объекты малой энергетики и повышение эффективности использования энергетических ресурсов. Решением данных вопросов является повышение суммарной доли новых объектов, работающих на различных видах возобновляемых источников энергии, освоение месторождений и расширение использования местных видов топлива, таких как торф, древесина, отходы производства, биомасса.

Республика Татарстан, как один из лидирующих регионов, занимает активную позицию по вопросам развития объектов малой распределенной энергетики, и на сегодняшний день имеет положительный опыт в этом направлении.

В частности, в ОАО «Альметьевские тепловые сети» реализован проект по строительству трех малых станций на базе районных котельных с суммарной электрической мощностью 24 МВт, общая тепловая мощность - 22,6 МВт. Вырабатываемая на станции тепловая энергия используется для горячего водоснабжения потребителей, а электрическая энергия - на собственные нужды котельных, насосных станций ОАО «Альметьевские тепловые сети». Излишки энергии реализуются во внешнюю электрическую сеть на нужды подразделений ОАО «Татнефть».

В Зеленодольском районе Республики Татарстан запущен крупнейший в России объект малой энергетики - энергоцентр «Майский» который представляет собой станцию электрической мощностью 23,49 МВт с котельной мощностью 28 МВт [2].

Еще один объект малой энергетики, представленный двумя блоками электрической мощностью 1,75 МВт каждый, расположен на территории филиала ОАО "Татспиртпром" -"Усадский спиртзавод". На нем вырабатывается два вида энергии: электрическая в количестве 21 500 кВт-ч/год и тепловая энергия - 18 700 Гкал/год.

Что касается ресурсной базы твердых топлив, то в нашей республике имеются запасы каменного угля, торфа, однако данные месторождения практически не используются. Каменный уголь залегает в отложениях франского, визейского,

казанского и акчагыльского ярусов Камского бассейна. Данный бассейн является наименее изученным на всей территории нашей страны, однако исследования последних лет показали, что только в пределах РТ ресурсный прогноз его составляет 3,4 млрд. тонн. Одной из причин невостребованности углей является большая глубина залегания промышленно значимых угольных пластов (от 880 до 1440 м).

По марочному составу угли Камского бассейна преимущественно длиннопламенные витринитовые (каменные, марки Д). По своим качественным показателям: высокий выход летучих веществ, небольшая влажность, они вполне пригодны для производства генераторного газа и синтетического жидкого топлива [3, 4]. Так, аналитические испытания по сжиганию проб углей месторождения Ташлиярское-1 показали, что выход газа варьируется в пределах 1,26-3,26 м3 на 1 кг угля [5].

Согласно данным, представленным

Федеральным государственным унитарным предприятием «Центральный научно-

исследовательский институт геологии нерудных полезных ископаемых» (ФГУП «ЦНИИгеолнеруд»), ресурсы торфа в РТ сосредоточены на 164 месторождениях в количестве 25,96 млн. т. Особо богаты торфом Актанышский, Агрызский, Лаишевский, Тетюшенский, Высокогорский, Тукаевский, Мензелинский, Алексеевский, Алькеевский, Спасский, Нурлатский и др. районы. Их запасы оцениваются в количестве 38 млн. тонн торфа или свыше 60 % от общих его ресурсов по РТе. Однако, в настоящее время разрабатывается лишь одно месторождения - Лебяжье и то для использования торфа в качестве удобрения

Комплексные решения по использованию

местного твердого топлива на мини-ТЭС

Использование твердого топлива, в частности угля и торфа, в условиях мини-ТЭС должно основываться на перспективных и разработанных методах его переработки, которые позволят не только улучшить экологические показатели, но и повысить эффективность выработки энергии в условиях малого энергетического объекта.

Решением экологических проблем является комплексная переработка твердого топлива, основанная на полном использовании его минеральных компонентов. Технологии

комплексной переработки твердого топлива позволят исключить:

- измельчение и сушку топлива до такого состояния, которое необходимо для сжигания его в топках пылеугольных котлов;

- необходимость складирования золошлаковых отходов, так как они утилизируются непосредственно в технологическом процессе, и выпускаются в качестве побочного продукта (золошлаковые материалы), который может быть использован в различных отраслях промышленности;

- создание громоздких систем очистки продуктов полного сгорания, так как очистке подвергаются

продукты переработки топлива, в частности, генераторный газ, который значительно меньше по объему.

Также появится возможность получения ценной побочной продукции (активированный уголь, кокс, товарная сера) и использования эффективных парогазовых циклов производства электроэнергии.

К технологиям переработки твердого топлива относятся газификация, пиролиз, получение водотопливных суспензий и другие. В рамках предлагаемой работы переработка топлива осуществляется посредством проведения газификации на кислородном дутье.

Анализ технологической схемы мини-ТЭС начинается с определения структурных связей между элементами (аппараты), выявления замкнутых и разомкнутых последовательностей элементов. Несмотря на то, что технологическая схема мини-ТЭС состоит из сравнительно небольшого числа элементов, для анализа применяются подходы, аналогичные как для химико-технологических систем, так как мини-ТЭС представляет собой не простую последовательность аппаратов, а систему взаимосвязанных и взаимозависимых процессов. Например, производимый в качестве побочного продукта активированный уголь может использоваться при очистке генераторного газа; воздух, подаваемый на охлаждение золошлаковых отходов, может быть направлен в газогенератор для проведения процесса газификации. Таким образом, регулирование и оптимизация такого рода параметров, при полном понимании и установлении связей системы, позволит выбрать наиболее эффективное технологическое решение.

Технология получения энергии в условиях мини-ТЭС включает в себя следующие процессы. Уголь, изначально подсушенный и измельченный, поступает в газогенератор, куда дополнительно подается дутье. Из газогенератора отводится генераторный газ, который затем направляется в систему очистки от соединений серы и пыли, и золошлаковые отходы, поступающие в систему утилизации. Очищенный генераторный газ направляется в камеру сгорания газотурбинной установки (ГТУ), и затем продукты сгорания от ГТУ утилизируются в котле-утилизаторе с получение пара.

Элементный состав угля Камского бассейна, использованный в расчетах: С - 74,5%, S - 4,5%, О-13,3%, Н -5%, N 2%. Зольность А - 16%, влажность W -8%, теплотворная способность Qрн - 29700 кДж/кг.

Условия проведения процесса газификации: коэффициент избытка окислителя 0,4; температура процесса - 1000 К.

Моделирование процесса газификации является одной из важнейших задач при проектировании газогенераторных установок и связанных с ними технологических схем получения энергии. Условно процесс газификации угля может быть разделен на 3 зоны: сушка топлива, выход летучих и термохимическое реагирование компонентов смеси.

Первый этап расчета - зона испарения влаги, входящей в состав угля. Процесс осуществляется за счет теплоотдачи от горячего газа рециркуляции к угольной частице. На данном этапе теплота газа расходуется на испарение влаги угля и нагрев угольной частицы до температуры испарения воды. Второй этап расчет - зона выхода летучих компонентов, входящих в состав угольной частицы. Для расчета количества летучих, которые представляют собой СО, СО2, Н2, Н2О, СН4 используется система уравнений, которая включает балансовые уравнения по компонентам топлива -углероду, водороду и кислороду, а также массовые и количественные равенства. Третий этап расчета -зона газификации. Здесь имеет место термохимическое взаимодействие коксового остатка с кислородом, водяным паром и газообразными компонентами топлива. В III зоне скорость потока и скорость частицы выравниваются. Время протекания химических реакций рассчитываются с помощью прикладного пакета программ, основанного на кинетических и термодинамических законах [6].

Эффективность схемы оценивается посредством определения показателей тепловой, эксергетической и термоэкономической эффективности.

Коэффициент термоэкономической

эффективности является комплексным показателем, учитывающим эксергетические и технико-экономические показатели, и может быть учтен при выборе оптимальной комплектации мини-ТЭС:

Ф = г!ех /

1 +

+ С + Зд

/=1_

вц

где к - удельные капитальные затраты, руб./год; С-эксплуатационные расходы руб./год; Зд - затраты

на доставку топлива, руб./год (при использовании местного топлива не учитываются); В - годовой расход твердого топлива, т/год; ц - его стоимость,

руб./т; т]ех - эксергетический коэффициент полезного действия [7]. Данный показатель должен стремиться к своему максимальному значению.

Расчеты проведены для мощности мини-ТЭС 15,2 МВт, расход угля - 12,1 кг/с, стоимость угля -1500 руб./тонну.

Результаты и выводы

Основные показатели генераторного газа, полученные с использованием математической модели процесса газификации, представлены в таблице 1.

Результаты теплового, эксергетического и термоэкономического анализа представлены в таблице 2.

Результаты согласуются с полученными ранее расчетными данными при использовании различных марок привозных углей и имеют большее значение коэффициента термоэкономической эффективности,

^ тах

что объясняется высоким показателем эксергетической эффективности и отсутствием затрат на доставку топлива [8].

Таблица 1 - Характеристика генераторного газа

Показатель Значение

Состав генераторного

газа, масс %

СО 0,68

СО2 0,02

СН4 0,21

Н2 0,04

Н2О 0,03

Теплотворная способность, кДж/кг 12427,25

Выход газа, м3/кг 1,94

Таблица 2 - Результаты расчетов

Показатель Значение, %

Тепловая эффективность 42

Эксергетическая эффективность 34

Термоэкономическая эффективность 8

Таким образом, представленные в работе комплексные решения по созданию объектов малой распределенной энергетики для Республики Татарстан, могут быть использованы и для других регионов, для которых твердое топливо является

местным, а также являются основой для создания научно-методической базы объектов малой распределенной генерации.

Исследование выполнено при финансовой поддержке Академии наук Республики Татарстан (грант № 07-34-ф Г 2016 «Разработка комплексных решений по созданию энергоэффективных объектов малой распределенной генерации»).

Литература

1. Стратегия социально-экономического развития Республики Татарстан до 2030 года , http://gossov.tatarstan.ru/fs/a_events/2283_fieldMlim/3-0206-2(1).pdf

2. Стратегии развития топливно-энергетического комплекса Республики Татарстан на период до 2030 года. http://pravo.tatarstan.ru/rus/file/npa/2015-06/4476/npa_4476.pdf

3. Т.М. Акчурин, С.А.Горбунов, А.В. Дроздов Минеральные ресурсы Республики Татарстан. ДАС, Казань, 2000. 31с.

4. Р.С. Хисамов, Н.С. Гатиятуллин, Ш.З.Гафуров, Р.Р. Хасанов, Геология и ресурсы Камского угольного бассейна на территории Республики Татарстан."Фэн" Академии наук РТ, Казань, 2009. 159 с.

5. P.P. Хасанов Петрографические типы визейских углей Камского бассейна. Атлас. КГУ, Казань, 2001. 132 с.

6. G.R. Mingaleeva, D.V. Ermolaev, A.A. Galkeeva, Clean Technologies and environmental policy, 18, 1, 297-304 (2015)

7. Г.Р. Мингалеева. Дисс. докт. техн. наук, Казанский научный центр РАН, Казань, 2010.453 с. 8. О.В. Афанасьева, Г.Р. Мингалеева, Энергетика Татарстана, № 3, 12 -16 (2011)

© О. В. Афанасьева, к.т.н., доцент каф. оборудования пищевых производств КНИТУ, инженер Управления научно-исследовательских работ, КГЭУ, eccolga@mail.ru; А. А. Галькеева, инженер научно-исследовательской лаборатории «Физико-химические процессы в энергоустановках», КГЭУ, prujinka1990@mail.ru; Г. Р. Мингалеева, д.т.н., зав. каф. энергетического машиностроения КГЭУ, mingaleeva-gr@mail.ru.

© O. V. Afanaseva, Ph.D., Associate Professor of department Equipment of Food Production, KNRTU, Engineer of department scientific research and development, KSPEU, eccolga@mail.ru; А. А. Galkeeva, Engineer the Research Laboratory "Physical and chemical processes in energy installation", KSPEU, prujinka1990@mail.ru; G. R. Mingaleeva, Doctor of Technical Science, Head of the Department of Power Engineering, KSPEU, mingaleeva-gr@mail.ru.