CC BY
34
- © B.B. Слесаренко, A.C. Гридин,
С.Ю. Ефременко, 2014
УДК 621.432
В.В. Слесаренко, А.С. Гридин, С.Ю. Ефременко
ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ КОГЕНЕРАЦИОННЫХ УСТАНОВОК ПРИ ГАЗИФИКАЦИИ ДАЛЬНЕВОСТОЧНОГО РЕГИОНА РФ
Приведен анализ характеристик энергетических установок, реализующих принцип когенерапии тепловой и электрической энергии. Обоснованы преимущества применения когенераторов при газификации примышленных и социальных объектов Дальневосточного региона РФ. Рассмотрены условия, обеспечивающие решение экономических и экологических проблем региона за счет использования когенераторов.
Ключевые слова: теплоснабжение, электроснабжение, когенераторы, локальные электростанции, газофикация.
При газификации территорий Дальнего Востока РФ важной задачей является внедрение энергосберегающих технологий, основанных на совместной генерации электроэнергии и теплоты, а также привязке когенерационных энергетических установок к объектам, нуждающимся в автономном электро и теплоснабжении. В регионе за 2015 - 2025 гг. необходимо будет перевести на газ более 700 котельных и модернизировать 20-30 районных дизельных электростанций. Однако в силу отсутствия информационной базы и опыта применения когенерационных установок (КГУ) администрациями субъектов ДВ региона РФ и муниципальными структурами власти задачи внедрения энергетических источников малой и средней мощности на котельных и локальных электростанций (ДоЭС) на основе КГУ в ближайшей перспективе не рассматриваются [1].
В настоящее время возможно создание ДоЭС, оснащаемых когенерационными установками любого уровня мощности, как на жидком, так и на газообразном топливе [2, 3]. Производителями предлагаются КГУ различных типов с характеристиками, зависящими в основном от технологии их изготовления и способа преобразования энергии топлива в электричество и теплоту.
В то же время существенного опыты проектирования и создания ЛоЭС с КГУ в Дальневосточном регионе нет. В этих условиях целесообразно создание универсальной базы данных по типам и характеристикам когенерационных установок и эффективности их применения.
Актуальной и важной является задача разработки методики расчета технологических и технико-экономических показателей КГУ различного назначения. Это позволит обеспечить оптимизацию типа и структуры КГУ при проектировании и создании локальных энергоисточников средней и малой мощности.
В Дальневосточном регионе необходимо создать полигон, оснащенный КГУ различного типа для демонстрации преимуществ когенераторов перед традиционными генерирующими системами.
Материалы и методы исследования
На ДВ РФ необходима реализация ряда пилотных проектов, базирующихся на концепции децентрализованного энергоснабжения на основе КГУ и ВИЭ [1,3]. Заказчиками НИОКР, связанными с проектированием и созданием ЛоЭС с КГУ могут быть региональные и муниципальные органы власти, энергетические компании в структуре ОАО «РусГид-ро», реализующие программу модернизации ДЭС в отдаленных областях ДВ региона, промышленные предприятия и коммерческие структуры, стремящиеся повысить энергоэффективность производства.
При создании ЛоЭС основными задачами являются: с повышение уровня автоматизации и диспетчеризации энергоустановок, оптимизации процессов совместной генерации тепловой и электрической энергии на ЛоЭС, включающей КГУ и возобновляемые источники энергии, разработка и исследование перспективных видов когенераторов, основанных на использовании топливных элементов.
На КГУ почти все тепловые потери цикла используются для удовлетворения тепловых потребностей, это повышает термодинамическую эффективность когенераторв до 8090 % (табл. 1).
Таблица 1
Сравнение когенерацнн н раздельного производства электричества и тепловой энергии при типичных значениях КПД агрегатов [4, 5]
Раздельное производство тепла и электроэнергии
Топливо Э л ектр о стан ц ия Электричество
100% 36% *
Топливо Котельная Тепло
100% 80%
Когенерация
КПД = 1№й =
КГУ могут вырабатывать энергию для нужд всех отраслей хозяйственной деятельности, в том числе: на промышленных предприятиях, в сельском хозяйстве, в сфере обслуживания, в жилых массивах, в частных домах и т. д.
Важным фактором в пользу выбора когенератора как источника тепловой и электрической энергии является его экологическая безопасность [6]. Подобные установки имеют низкий уровень выбросов в атмосферу токсичных веществ и удовлетворяют самым жестким международным и российским стандартам.
Предприятия, оснащаемые КГУ обеспечивают собственные потребности в электроэнергии. При этом не только снижается себестоимость основной продукции предприятий, но и значительно возрастает энергетическая безопасность, поскольку подача электроэнергии от центральных энергетических компаний не будут влиять на ход технологического процесса. Кроме того использование КГУ позволяет реализовать следующие преимущества [7]:
— стоимость потребляемой электроэнергии снижается в 2 - 2,5 раза;
— обеспечивается существенный рост КПД и значительная экономия топлива (до 40 %);
— теплота и электроэнергия вырабатываются в непосредственной близости от потребителя, что снижает затраты на транспортировку энергии;
— КГУ более экологичны, так как требуют меньше топлива для производства такого же количества энергии и используют газообразное топливо;
— возможно потребление газа различного состава, в том числе биогаза и генераторного газа, использование распространенного резервного жидкого топлива;
— целесообразно применение КГУ как автономных источников электроэнергии и теплоты в местах непрерывного потребления;
— возможна реализация излишков электрической и тепловой энергии от КГУ сторонним потребителям.
Среди большого числа когенерационных установок можно выделить три основных варианта, которые по своим свойствам и характеристикам практически полностью удовлетворяют требованиям существующих потребителей. Эти варианты отличаются друг от друга тепловыми приводными двигателями, типами электрогенераторов, способами генерирования тепловой энергии. В соответствии с этим применяются КГУ следующих видов: установки на базе газотурбинных двигателей, на базе поршневых ЛВС, установки, реализующие комбинированный паровой или парогазовый цикл [7].
В КГУ первых двух типов базовым продуктом является тепловая энергия, а электрическая энергия - вспомогательным. Ее доля в общем объеме энергий, производимых коге-нерационной установкой, обычно не превышает 30 — 40 %. В третьем варианте доля выработанной электроэнергии может превышать 50 % и она в большинстве случаев является основным продуктом. Анализ характеристик различных видов двигателей, используемых в структуре КГУ, приведен в табл. 2.
Лостоинством КГУ является их многоцелевая направленность: кроме электрической энергии когенераторы могут производить теплоту различного потенциала в виде пара и горячей воды различных параметров (рис. 1). В схеме КГУ можно применить и режим тригенерации - то есть обеспечить дополнительно выработку большого количества промышленного холода, используя абсорбционные холодильные машины.
Таблица 2
Характеристики двигателей в структуре КГУ
Двигатель Используемое Диапазон Отношение КПД КПД
топливо мощностей (МВт) тепло электроэнергия электрический. общий
Паровая турбина Любое 1 — 1000 3:1 — 8:1 1020 % до 80 %
Газовая турби- Газ, биогаз, ди- 0,25 — 1,5:1 — 5:1 25- 65-
на зельное топливо, керосин. 300 42 % 87 %
Поршневой Газ, биогаз, ди- 0,2 — 20 0,5:1 — 3:1 35- 65-
двигатель с зельное топли- 45 % 90 %
воспламенени- во, керосин,
ем от сжатия
(дизель)
Поршневой дви- Газ, биогаз, ке- 0,003 — 6 1:1 — 3:1 35- 70-
гатель с воспла- росин, 43 % 90 %
менением от ис-
кры
Рис. 1. Принципиальная схема генерации электрической и тепловой энергии в КГУ
Результаты исследования
С учетом технико-экономические преимущества когенера-торов, концепция комбинированной выработки электроэнергии и теплоты при сжигании газообразного топлива на ТЭЦ для обеспечения теплоснабжения крупных городов должна быть пересмотрена. Обычно эффективность паросилового цикла при наличии теплофикации велика, КПД установок достигает 65 — 70 %. Но уже сегодня применение современных КГУ позволяет повысить коэффициент полезного использования теплоты сгорания топлива до 85 - 92 %. Таких высоких показателей можно достигнуть только на ТЭС, оснащенных парогазовыми установками (ПГУ), работающими в режиме теплофикации. Однако, если учесть потери тепловой энергии в многокилометровых теплофикационных сетях (достигающие порой 15 - 20 % от отпуска теплоты), а также расходы на прокачку теплоносителя, то ожидаемый КПД теплофикационных ПГУ окажется ниже на 10 - 15 %.
Транспортировка газа (даже сжиженного) к локальным мини-ТЭЦ, оснащенным КГУ и расположенным в непосредственной близости от промышленных и бытовых потребителей, обходится значительно дешевле, чем передача теплоты по сетям централизованного теплоснабжения, подключаемым к мощным городским ТЭЦ.
Целесообразно рассмотреть задачу применения КГУ и с точки зрения повышения эффективности использования жидкого топлива (бензины, керосин, дизельное топливо). Относительно высокая стоимость этих нефтепродуктов сегодня определяется не столько издержками их производства, сколько значительным уровнем их потребления различными видами транспорта. Однако не следует забывать, что развернутая в мире программа перевода автомобильного транспорта на электропривод через 15 - 20 лет практически обрушит рынок жидкого топлива. Потребность же в электрической энергии существенно возрастет.
В то же время КГУ, оснащенные ДВС или газовыми турбинами, столь же эффективно, как и газ используют жидкое топливо. Они могут стать основными потребителями продуктов нефтепереработки при условии приемлемой цены жидкого топлива. Следует отметить, что требования КГУ к качеству жид-
кого топлива не такие высокие, как установленные сегодня для транспортных ДВС. Важным моментом также является то, что развитые газовые сети есть не во всех регионах РФ, тогда как доставка и хранение нефтепродуктов налажены практически везде.
Для крупного промышленного предприятия инвестирование средств в КГУ решает сразу две задачи - обеспечивает его потребности как в электрической, так и тепловой энергии [3]. В бытовом секторе привлекательным для инвесторов становится создание специализированных объектов малой энергетики для целей теплоснабжения новых городских районов и пригородных котеджных поселков. Излишки электроэнергии, вырабатываемой КГУ, при этом будут реализованы на энергетическом рынке данного региона. Особенно эффективной является замена устаревших районных котельных на высокоэкономичные КГУ.
Массовое применение современных КГУ позволяет в перспективе уйти от монопольного производства электроэнергии на крупных ТЭС и АЭС и создать условия для конкуренции поставщиков энергии, что, безусловно, приведет к снижению ее стоимости.
Применение когенерационных ЁоЭС в городах позволяет эффективно расширять рынок энергоснабжения, без реконструкции сетей. При этом значительно возрастает качество доставки электрической и тепловой энергий. Автономность КГУ способствует подаче потребителю электроэнергии со стабильными параметрами по частоте и по напряжению, тепловой энергией с заданными параметрами по температуре. При внедрении когенерационных ЁоЭС решается проблема обеспечения потребителей теплом и электроэнергией без дополнительного строительства мощных линий электропередачи и теплотрасс.
Обсуждение результатов
Недостатком когенераторов является ограниченная мощность (до 3 МВт) одного агрегата. Однако средний промышленный потребитель в России имеет установленную электрическую мощность в 1-2 МВт. КГУ являются модульными агрегатами, которые легко перевозить и устанавливать. Они позволяют решить острый вопрос неравномерного суточного потребления электроэнергии, неразрешимый для крупных гене-
рирующих установок. Действительно, для когенератора, линейная зависимость потребления топлива имеет место, начиная с 15-20 % номинальной мощности. При секционировании общей мощности на 4-8 агрегатов, работающих параллельно, появляется возможность работы с 15 % до 100 % номинальной нагрузки при расчетном удельном потреблении топлива. В случае отсутствия нагрузки невостребованные агрегаты останавливаются, при этом в значительной степени экономится топливо и моторесурс первичных двигателей.
Развитие модульных КГУ стало возможным лишь в последнее время, когда появились надежные, высокоточные системы управления, основанные на достижениях микропроцессорной техники и компьютерных технологий [8]. За счет секционирования растет мощность когенераторных установок, при этом экономическая эффективность модульной КГУ остается не хуже единичного блока, работающего при номинальной нагрузке. Перспективно применение таких когенераторов для электроснабжения жилых массивов, в которых отсутствуют промышленные потребители и отношение максимальной и минимальной нагрузки в течение суток велико. Экономически модульные КГУ более выгодны, так как удельная стоимость (в расчете на 1 кВт мощности) малых установок ниже, чем удельная стоимость единичных когенераторов большей мощности.
Положительной особенностью системы модульных КГУ является их более высокая надежность. Действительно при выходе из строя, плановом ремонте или техническом обслуживании общая мощность системы равна (п-1)/п % от номинальной мощности, где п — число блоков в системе.
КГУ обычно вырабатывают электроэнергию и тепловую энергию в соотношение —1:1,2. Окупаемость капитальных вложений в КГУ происходит быстрее окупаемости средств, затраченных на подключение предприятия к тепловым сетям, обеспечивая тем самым быстрый и устойчивый возврат инвестиций. Существенная разница между капитальными затратами на энергоснабжение от сетей и энергоснабжение от собственного источника заключается в том, что капитальные затраты, связанные с приобретением КГУ, возмещаются, а капитальные затраты на подключение к сетям безвозвратно теряются при передаче вновь построенных подстанций на баланс
энергетических компаний. Капитальные затраты при применении КГУ компенсируются за счет низкой себестоимости энергии в целом. Обычно полное возмещение капитальных и эксплуатационных затрат происходит после эксплуатации ко-генерационной ЁоЭС в течение трех-четырех лет. Более того, энергоснабжение от КГУ позволяет снизить ежегодные расходы по сравнению с централизованным энергоснабжением от энергосистем примерно на 100$ за каждый кВт номинальной электрической мощности когенераторов, в том случае, когда КГУ работает в базовом режиме генерации энергии (при 100 % нагрузке круглогодично). Такое возможно, когда КГУ производит теплоту и электроэнергию для предприятия в непрерывном цикле работы, или если она работает параллельно с сетью.
В России необходимость в применении когенераторов для тепло- и энергоснабжения очевидна, поскольку качество централизованного энергоснабжения оставляет желать лучшего, да и монопольный характер российских энергопроизводителей вынуждает потребителей покупать электричество и тепло по дорогим тарифам.
Выводы
1. Создание газовых мини-ТЭЦ (локальных электростанций) на базе КГУ является одной из важнейших задач энергосбережения в РФ, если рассматривать перспективы модернизации энергетической отрасли на ближайшие 10 - 15 лет.
2. Предприятия, имеющие КГУ, всегда смогут обеспечить собственные потребности в электрической и тепловой энергии, при этом не только снижается себестоимость основной продукции предприятий, но и значительно возрастает энергетическая безопасность.
3. Для повышения эффективности применения КГУ необходимо создать условия для реализации излишков электричества и теплоты от КГУ на энергетическом рынке РФ.
4. Важным фактором в пользу выбора КГУ в качестве источника тепловой и электрической энергии является снижение выбросов в атмосферу токсичных веществ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Солоницын А.Г. Локальная энергетика в России: Сегодня и завтра // Энергетика и промышленность России. 2013, №01-02 - С.12-13.
2. Басок Б.И., Коломейко Д.А. Анализ когенерационнык установок // Промышленная теплотехника. 2006. Т. 28. №4. - С. 79 -83.
3. Томаров Г.В., Шипков А.А., Буданов В.В. Использование критери-ально-парометрического подхода при выборе оборудования когенерацион-ных установок в инвестиционных энергетических проектах // Энергосбережение и водоподготовка. 2009. №2 - С.13 -16.
4. Соколов Е.Я. Современное состояние и основные проблемы теплофикации и централизованного теплоснабжения // Теплоэнергетика. 1998. № 3. - С. 2 - 6.
5. Буров В.Д. Тепловые электрические станции. - М.: Издательство МЭИ, 2005. - 454 с.
6. Доклад Государственного департамента США (IIP Digital) «Когенера-ция: больше электроэнергии, меньше загрязнения окружающей среды от ископаемых видов топлива», 23 августа 2008. http://iipdigital.usembassy.gov (дата обращения: 15.12.2013).
7. Слесаренко В.В. К определению термодинамической эффективности когенерационных установок // Энергосбережение и водоподготовка. № 4. 2010, с. 36 - 38.
8. Петров С. П. Автоматизация когенерационных систем теплоснабжения с распределенными пиковыми нагрузками. Монография. Под общ. ред. д.т.н., проф. А. И. Суздальцева - М.: Машиностроение - 1, 2007. — 304 с.: ил. fiTTra
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Слесаренко Вячеслав Владимирович — доктор технических наук, профессор кафедры нефтегазового дела и нефтехимии Дальневосточного федерального университета, с.н.с. Института химии ДВО РАН, vslesarenkov@rambler.ru, Гридин Артур Сергеевич — магистр, Ефременко Светлана Юрьевна — магистр, Дальневосточный федеральный университет.
APPLICATION THE EFFECTIVE COGENERATION INSTALLATIONS FOR GASIFICATION OF RUSSIAN FAR EAST
Slesarenko V.V., Doctor of Technical Sciences, Professor of the Department of petroleum and petrochemical industry of the far Eastern Federal University, senior researcher of Institute chemistry Feb RAS, vslesarenkov@rambler.ru, Gridin A.S., master, Efremenko S. Y., master, Far Eastern Federal University.
An analysis the characteristics for power plants with the cogeneration principle of heat and electricity are shown. The advantages of application cogenerating power plants for gasification of industrial enterprises and social facilities of the Far East region of Russia are considered. The conditions that ensure the solution of economic and environmental problems of the region through the use of cogeneration are defined.
Key words: heating, electrification, cogeneration, local power plants, gasification.
REFERENCES
1. Solonicyn A.G. Lokal'naja jenergetika v Rossii: Segodnja i zavtra (Local power generation in Russia: Today and tomorrow)// Jenergetika i promyshlennost' Rossii. 2013, No 01-02, pp.12-13.
2. Basok B.I., Kolomejko D.A. Analiz kogeneracionnyh ustanovok // Promyshlennaja teplotehnika (Analysis of cogeneration plants //Industrial heat engineering). 2006, Vol. 28. No 4, pp. 79 -83.
3. Tomarov G.V., Shipkov A.A., Budanov V.V. Ispol'zovanie kriteri-al'no-parometricheskogo podhoda pri vybore oborudovanija kogeneracion-nyh ustanovok v inves-ticionnyh jenergeticheskih proektah // Jenergosberezhenie i vodopodgotovka (The use of criterion-referenced strategy parametricheskoe approach when selecting equipment, cogene-ration plants in energy investment projects // Saving and water treatment). 2009, No 2, pp.13 -16.
4. Sokolov E.Ja. Sovremennoe sostojanie i osnovnye problemy teplo-fikacii i central-izovannogo teplosnabzhenija (Current state and main problems of district heating and district heating)// Teplojenergetika. 1998, No 3, pp. 2 - 6.
5. Burov V.D. Teplovye jelektricheskie stancii (Thermal power plants). Moscow, Iz-datel'stvo MJel, 2005, 454 p.
6. Doklad Gosudarstvennogo departamenta SShA (IIP Digital) «Kogenera-cija: bol'she jelektrojenergii, men'she zagrjaznenija okruzhajushhej sredy ot is-kopaemyh vidov topliva», 23 avgusta 2008. http://iipdigital.usembassy.gov (data obrashhenija: 15.12.2013).
7. Slesarenko V.V. K opredeleniju termodinamicheskoj jeffektivnosti kogeneracionnyh ustanovok (To determine the thermodynamic efficiency of cogeneration plants)// Jenergos-berezhenie i vodopodgotovka. No 4, 2010, pp. 36 - 38.
8. Petrov S.P. Avtomatizacija kogeneracionnyh sistem teplosnabzhe-nija s raspre-delennymi pikovymi nagruzkami (Automation of cogeneration of heat supply systems with distributed peak loads). Monografija. Pod obshh. red. d.t.n., prof. A. I. Suzdal'ceva. Moscow: Mashinostroenie 1, 2007. 304 p.
