CC BY
130
УДК 621.311.2(470.46):621.438.018.7
С. В. Головко
ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК МАЛОЙ МОЩНОСТИ В ПРОМЫ1ШЛЕННЫ1Х ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ ГОРОДА АСТРАХАНИ
Надежность электроснабжения потребителей в долгосрочной перспективе зависит от определения объемов электрической энергии и мощности, необходимых для всех групп потребителей, в увязке с прогнозом развития энергосистемы и соответствующим вводом необходимых электрогенерирующих мощностей по всем уровням системы электроснабжения. Анализ состояния систем электроснабжения Астраханской области выявил следующие проблемы: на Астраханской ГРЭС и ТЭЦ «Северная» эксплуатируется морально устаревшее и физически изношенное оборудование, что свидетельствует о необходимости разработки программы их технического перевооружения; вследствие изношенности электротехнического оборудования электрических сетей требуется частичная реконструкция и замена электросетевых линий; в Астраханской области работает более 20 закрытых для подключения потребителей центров питания (подстанций), где нагрузка на оборудование не соответствует нормативным требованиям, что влечет за собой значительные потери при передаче электрической энергии, кроме того, вскоре сети не смогут обеспечивать требуемую надежность по энергоснабжению области. Исследование состояния энергосистемы г. Астрахани позволило определить энергодефицитные участки системы энергоснабжения для размещения газотурбинных установок малой мощности на базе существующих котельных. Разработаны и описаны структурные схемы энергоснабжения района, выбранного для исследований, и системы управления. Показана эффективность использования современных микротурбинных установок С-65, С-200 номинальной электрической мощностью 65 и 200 кВт производства компании Capstone Turbine Corporation (США), на базе которых осуществляется строительство энергоцентров, образующих независимую энергосистему. Отмечается, что применение газотурбинной установки малой мощности, работающей как автономно, так и совместно с электрической сетью, повышает надежность энергоснабжения и обеспечивает более качественные параметры электрического тока и напряжения.
Ключевые слова: микротурбина, электроснабжение, теплоснабжение, газотурбинные установки.
Введение
Энергосистема г. Астрахани и Астраханской области в целом является условно дефицитной. Для покрытия внутреннего потребления региона не хватает около 30 % электроэнергии собственного производства (эта часть поставляется из энергосистемы Волгоградской области). Энергобезопасность и энергонезависимость Астраханского региона не могут быть обеспечены только за счет существующих объектов генерации и электросетевого хозяйства. Кроме того, учитывая ожидаемый дальнейший перспективный рост энергопотребления региона, чрезвычайно важно обеспечить рост генерации в регионе и усилить связь энергосистемы Астраханской области с другими энергосистемами [1].
Для дальнейшего надежного обеспечения Астраханской области электрической энергией требуется введение в эксплуатацию новых электростанций с учетом компенсации выбывающих генерирующих мощностей. Развитию собственных электрических мощностей на территории Астраханской области способствуют и наличие собственной топливной базы, и географическое расположение Астраханской области (через область осуществляется транзит энергии в Калмыкию и Казахстан, возможно наращивание поставок электроэнергии в Закавказье и другие восточные регионы).
Исходя из перечисленных условий, увеличение установленных электрических мощностей, целесообразно осуществлять за счет модернизации существующих электрических станций и строительства новых генерирующих мощностей при одновременном развитии малой и нетрадиционной энергетики.
/ввм 1812-9498. ВЕСТНИК АГТУ. 2014. № 2 (58)
Анализ систем энергоснабжения
Анализ технико-экономических показателей систем энергоснабжения городов России за последние годы выявил их заметное ухудшение. В результате постепенного сокращения промышленного производства уменьшился отпуск электрической и тепловой энергии от теплоэнер-гоцентралей (ТЭЦ) и котельных, что привело к увеличению себестоимости генерации и транспорта энергоносителей. Кроме того, отказ от совместной выработки теплоты и электроэнергии в пользу раздельной схемы, как правило, приводит к увеличенному расходу топлива в системе, а также ухудшает экологическую обстановку в населенных пунктах страны [2].
В данной ситуации необходимо определить эффективные и рациональные решения по организации энергоснабжения потребителей. Наиболее перспективным методом является применение комбинированных систем энергоснабжения с использованием малых и крупных ТЭЦ. Малые ТЭЦ широко применяются за рубежом в качестве полупиковых и пиковых источников электрической энергии. В российских условиях применение малых ТЭЦ ограничено из-за отсутствия в стране законодательной и нормативно-правовой базы функционирования независимых производителей электрической и тепловой энергии, работающих параллельно с энерго-снабжающими организациями на региональном энергетическом рынке. Однако использование малых ТЭЦ позволяет получить заметную экономию топлива, повысить эффективность систем энергоснабжения.
Цель наших исследований - показать эффективность применения газотурбинных установок (ГТУ) малой мощности на базе существующих котельных для повышения надёжности электроснабжения жилых и общественных зданий г. Астрахани.
Для определения мест размещения ГТУ была изучена энергосистема г. Астрахани. При определении наиболее «проблемных» участков системы электроснабжения города использовались результаты исследований расположения электрических станций Астраханского региона, включая автономные и возобновляемые источники электроэнергии. Методом анализа графика рангового параметрического распределения был выявлен наиболее проблемный диапазон текущего состояния электрогенерирующих мощностей региона - от 500 кВт до 20 МВт, который необходимо развивать в первую очередь [3].
Основные особенности применения газотурбинных установок малой мощности
Во многих экономически развитых странах для генерации тепловой и электрической энергии широко применяют теплофикационные установки малой и средней мощности на базе ГТУ. Одно из главных условий применения таких установок - возможность их внедрения в действующие ТЭЦ и котельные при их модернизации или расширении. Зарубежные и отечественные компании производят газотурбинные двигатели для ГТУ мощностью от 4 до 20 МВт. Анализ их характеристик позволяет сделать вывод, что номенклатура ГТУ малой и средней мощности достаточно велика, и это дает возможность сделать обоснованный выбор типа агрегата для конкретных условий. Основной диапазон значений температуры перед газовой турбиной составляет порядка 1100...1250 °С, температура выхлопных газов находится в диапазоне 450...550 °С. В связи с этим использование ГТУ малой и средней мощности для выработки только электрической энергии, особенно выполненных по простейшему циклу, оказывается неэффективным. Простейшая принципиальная тепловая схема малой ТЭЦ на базе ГТУ приведена на рисунке. Коэффициент использования теплоты топлива в такой установке в зависимости от параметров газа и доли утилизируемой теплоты составляет от 80 до 90 %. Для покрытия максимальных тепловых нагрузок в схеме присутствует пиковый водогрейный котел (ПВК). Утечки воды из тепловой сети покрываются от водоподготовительной установки с вакуумным деаэратором. С целью сокращения капиталовложений в малую ТЭЦ на базе ГТУ перед газоводяным подогревателем (ГВП) устанавливается камера дополнительного сжигания топлива с использованием избыточного кислорода, который содержится в продуктах сгорания ГТУ или подается в камеру дополнительного воздуха.
Принципиальная тепловая схема малой ТЭЦ на базе ГТУ: К - компрессор; КС - камера сгорания; ДК - дожимной компрессор; ГТ - газовая турбина;
ЭГ - электрогенератор переменного тока; Э - эжектор; ОК - обратный клапан;
РТ - регулятор температуры; РО - регулятор отбора воды
Условия работы малых ТЭЦ на базе ГТУ определяют их следующие специфические особенности, отличающие их от традиционных ТЭЦ:
- применение к конкретному локальному объекту энергоснабжения с определенным графиком электро- и теплоснабжения, в связи с чем для расчета потребления топлива требуется учет энергопотребления объектом в суточном, недельном и годовом периоде;
- отсутствие распределительных устройств с повышающими и понижающими трансформаторами. Близость потребителей и малая мощность генераторов позволяют осуществлять электроснабжение на генераторном напряжении;
- повышение требований к экологической безопасности в связи с близким расположением малой ТЭЦ к потребителям.
Выбор оптимального места размещения газотурбинных установок малой мощности в г. Астрахани
Оптимальное место размещения ГТУ выбираем с учётом следующих условий:
1. Газотурбинная установка устанавливается рядом с действующей или подлежащей реконструкции газовой котельной для комбинированного производства электрической и тепловой энергии.
2. Действующие котельные должны размещаться на участках, удалённых от крупных генерирующих станций (ТЭЦ-2, ПГУ-235, ТЭЦ «Северная»).
3. Электрическая мощность потребителей микрорайона не должна превышать 10 МВт.
4. В искомом районе должны быть потребители II категории надежности (больницы, поликлиники, детские сады, школы, здания банков, органов власти, жилые дома выше 6-ти этажей и т. д.).
Изучению подлежали котельные муниципального унитарного предприятия г. Астрахани «Коммунэнерго». Данным условиям удовлетворяют котельные, расположенные в Трусовском районе (котельная № 23, котельная Т4, котельная Т9).
В качестве объекта исследования был принят район с размещением котельной № 23 проектной мощностью 4,32 Гкал/ч с 2-мя котлами КСВ мощностью по 2 МВт. Основными потребителями тепла котельной № 23 являются жилые и общественные здания.
Основными источниками электроснабжения микрорайона становятся энергоцентры, выполняемые на базе микротурбинных установок Capstone типа С-65 номинальной электрической мощностью 65 кВт и С-200 номинальной электрической мощностью 200 кВт производства компании Capstone Turbine Corporation (США). На основании существующих нагрузок потребителей энергоцентры строятся из следующих комбинаций установок с единой системой управления нагрузкой:
- ЭЦ1 - турбогенератор 2С600 - кластер из 6-ти газовых макротурбин С200 мощностью 1200 кВт;
- ЭЦ2 - турбогенератор 2С800 - кластер из 8-ми газовых макротурбин С200 мощностью 1600 кВт;
ISSN 1812-9498. ВЕСТНИК АГТУ. 2014. № 2 (58)
- ЭЦ3 - турбогенератор 8С65 - кластер из 8-ми газовых макротурбин С65 мощностью 520 кВт.
Для покрытия существующих электрических нагрузок и обеспечения нормативной кате-
горийности энергоцентры соединяются по петлевой схеме. Между энергоцентрами прокладываются магистральные линии, от энергоцентров до водно-распределительных устройств (ВРУ) потребителей прокладываются распределительные линии.
Энергоцентры и существующая котельная объединяются в одну общую систему диспетчеризации и автоматизации. Контроль и управление энергоцентрами осуществляются как из сервера управления, размещаемого на каждом энергоцентре, так и из удаленного диспетчерского пункта эксплуатирующей организации в г. Астрахани. Вся информация записывается в память серверов, что позволяет анализировать собранные параметры для дальнейшего применения данных технологий и, при необходимости, внесения изменений в технологические решения при последующих инсталляциях. Система автоматически управляет собой и, кроме того, осуществляет контроль и управление наружными сетями и нагрузками конечных потребителей через автоматику ВРУ.
Отметим, что применение ГТУ, работающей как автономно, так и совместно с электрической сетью, приводит к повышению надежности энергоснабжения по сравнению с надежностью снабжения от местных распределительных сетей, обеспечивая более качественные параметры электрического тока и напряжения. При установке дополнительного оборудования, дающего возможность работы на резервном топливе, надёжность энергоснабжения может быть ещё повышена.
Использование микротурбин, в отличие от использования альтернативных технологий, предоставляет возможность гибкого регулирования электрической нагрузки в широком диапазоне (начиная от холостого хода), что позволяет оперативно реагировать на изменение электропотребления объекта при сохранении высокой экономической эффективности.
Создание мини-электростанции на основе газовых турбин даёт возможность обеспечивать объект дешёвой электроэнергией и бесплатным теплом. Использование газовых турбин, в отличие от использования альтернативных технологий, также позволяет гибко регулировать электрическую нагрузку в широком диапазоне (от 15 до 100 % нагрузки) и, как следствие, оперативно реагировать на изменение электропотребления объекта.
Экономический анализ показал:
- срок реализации проекта - 6 месяцев (в межотопительный период);
- себестоимость тепловой энергии от ЭЦ - 0 руб./(кВт • ч);
- себестоимость электрической энергии от ЭЦ - 2,25 руб./(кВт • ч) (при существующем тарифе для населения 3,62 руб./(кВт • ч));
- стоимость годового обслуживания, включая расходы на газ, - 26,16 млн руб.;
- ежегодная прибыль компании - 61,83 млн руб.;
- срок окупаемости - 4,81 года.
Заключение
Подводя итоги, сформулируем основные результаты исследования:
1. Экономический анализ показал высокую технико-экономическую эффективность сооружения ГТУ на примере действующих предприятий.
2. В ходе исследований были выявлены технические особенности подключения генераторов собственной тепловой электростанции. Обоснована необходимость разработки дополнений к существующим нормам технологического проектирования электрических станций для использования на промышленных предприятиях.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Программа развития электроэнергетики Астраханской области на 2011-2015 годы // URL: http://mptpr.astrobl.ru.
2. Сизов С. В. Повышение эффективности малых ТЭЦ с ГТУ путём выбора оптимального количества агрегатов и режимов их работы: автореф. дис. ... канд. техн. наук / С. В. Сизов. Саратов, 2009. 24 с.
3. Абельдаев А. Р. Разработка методики ранговой оптимизации развития распределённых источников электроэнергии групп потребителей для повышения надёжности электроснабжения: дис. ... канд. техн. наук / А. Р. Абельдаев. М., 2009. 24 с.
Статья поступила в редакцию 27.10.2014
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРЕ
Головко Сергей Владимирович - Россия, 414056, Астрахань; Астраханский государственный технический университет; канд. техн. наук; доцент кафедры «Электрооборудование и автоматика судов»; [email protected].
S. V. Golovko
FEATURES OF THE APPLICATION OF LOW POWER GAS TURBINE INSTALLATIONS IN INDUSTRIAL ELECTRIC NETWORKS OF ASTRAKHAN
Abstract. Reliability of electricity supply in the long term depends on the determination of the volume of electric energy and capacity required for all consumer groups, in conjunction with the forecast of the power system and the corresponding input of the required electricity generation capacity at all levels of the power supply system. The analysis of the current state of the power supply systems of the Astrakhan region has shown that there are several issues that need to be resolved. At the Astrakhan GRES and " Severnaya" CHP operate obsolete and worn-out equipment, which indicates the need to develop the programs for their technical upgrading; deterioration of electrical equipment electrical area networks require partial reconstruction and replacement of grid lines; in the Astrakhan region there are more than 20 closed for connecting consumers feeding centers (substations), where the load on the existing equipment does not meet the regulatory requirements, resulting in significant losses occur in the transmission of electrical energy and the network will not soon be able to provide the required reliability of energy supply region. Therefore, with the use of the scientific method, the study of the state power grid of the city of Astrakhan helped identify energy-deficient areas of the power supply system to accommodate low-power gas turbines instead of the existing boilers. The structural schemes of the selected area and energy management systems were developed and described. The effective performance of using the advanced microturbine systems C-65, C-200 with the electrical power 65 and 200 kW produced by Capstone Turbine Corporation (USA), on the basis of which the construction of the energy centers take place, forming an independent power system. It is stated that the use of the gas turbine unit of small capacity, working both independently and in conjunction with the electric grid, increases the reliability of power supply and at the same time provides more qualitative parameters of the electric current and voltage.
Key words: microturbine, electricity, heating, gas turbine installation.
REFERENCES
1. Programma razvitiia elektroenergetiki Astrakhanskoi oblasti na 2011-2015 gody [Program of development of power engineering in the Astrakhan region in 2011-2015]. Available at: http://mptpr.astrobl.ru.
2. Sizov S. V. Povyshenie effektivnosti malykh TETs s GTUputem vybora optimal'nogo kolichestva agrega-tov i rezhimov ikh raboty. Avtoreferat dis. kand. tekhn. nauk [Increase in efficiency of small power stations with gas turbine units using optimal quantity of aggregates and regimes of their operation. Abstract of dis. cand. tech. sci.]. Saratov, 2009. 24 p.
3. Abel'daev A. R. Razrabotka metodiki rangovoi optimizatsii razvitiia raspredelennykh istochnikov elek-troenergii grupp potrebitelei dlia povysheniia nadezhnosti elektrosnabzheniia. Dissertatsiia kand. tekhn. nauk [Development of the methods of ranging optimization of development of distributed power sources of consumers to increase the power supply reliability. Dis. cand. tech. sci.]. Moscow, 2009. 24 p.
The article submitted to the editors 27.10.2014
INFORMATION ABOUT THE AUTHOR
Golovko Sergey Vladimirovich - Russia, 414056, Astrakhan; Astrakhan State Technical University; Candidate of Technical Sciences; Assistant Professor of the Department "Electrical Equipment and Ship Automation"; [email protected].
