CC BY
32
ТРИГЕНЕРАЦИЯ НА ТВЕРДОМ ТОПЛИВЕ ДЛЯ АВТОНОМНОГО
ОБЕСПЕЧЕНИЯ Тимофеев С.В. Email: [email protected]
Тимофеев Семён Валерьевич — магистр, кафедра теплогазоснабжения и вентиляции, факультет инженерной экологии, Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет,
г. Санкт-Петербург
Аннотация: в статье рассматривается возможность обеспечения резервирования систем тепло- и электроснабжения, а также обеспечения автономности на базе твердотопливных паровых котлов с паровой машиной. В удалённых районах нашей страны имеются города «спутники», пункты геологоразведки, объекты министерства обороны, частные домовладения и т.д., нуждающиеся в постоянном, недорогом энергообеспечении. Зачастую мы имеем один источник теплоснабжения с одной линией электропередач, соответственно любая авария или прекращение подачи энергоносителей сказывается на жизнедеятельности людей. Также существуют объекты с полным отсутствием постоянного источника энергоснабжения, что накладывает дополнительные риски в обеспечении жизнедеятельности. На сегодняшний день вопрос бесперебойного энергоснабжения решается, как правило, энергоустановками, работающими на газообразном или жидком топливе, что в свою очередь влечёт за собой необходимость транспортировки топлива к источнику выработки энергии. И если данный аспект остаётся приоритетным в зонах арктических пустынь и тундр, то на других типах местности, где имеется возможность заготовки сырья в виде твёрдого топлива, появляется альтернатива по выработке тепловой и электрической энергий, что позволяет повысить экономические и экологические показатели. В статье показана основная концепция системы тригенерации с упрощённым экономическим обоснованием, для последующей более детальной проработки принятого решения. Система позволяет осуществлять работу параллельно с возобновляемыми источниками энергии. Ключевые слова: тригенерация, паровая машина, эжектор, АБХМ, автономная энергетика.
TRIGENERATION FOR A SOLID FUEL AUTONOMOUS
Timofeev S.V.
Timofeev Semyon Valerevich - Master, DEPARTMENT OF HEAT AND GAS SUPPLY AND VENTILATION, FACULTY OF ENVIRONMENTAL
ENGINEERING,
ST. PETERSBURG STATE UNIVERSITY OF ARCHITECTURE AND CONSTRUCTION,
ST. PETERSBURG
Abstract: the article discusses the possibility of providing backup systems of heat and power supply, as well as ensuring autonomy on the basis of solid fuel steam boilers with a steam machine. In remote areas of our country there are cities "satellites", exploration points, objects of the Ministry of defense, private households, etc. in need of constant, not expensive energy supply. Often we have one source of heat supply with one power line, respectively, any accident or interruption of energy supply affects the lives of people. There are also objects with a complete lack of a permanent source of energy supply, which imposes additional risks in the provision of life. To date, the issue of uninterrupted power supply is solved, as a rule, by power plants operating on gaseous or liquid fuel, which in turn entails the need to transport fuel to a source of energy production. And if this aspect remains a priority in the areas of Arctic deserts and tundra, then in other types of areas where it is possible to procure raw materials in the form of solid fuel there is an alternative for the production of thermal and electric energy that can improve economic and environmental performance. The article shows the basic concept of the system of trigeneration with a simplified economic justification, for the subsequent more detailed study of the decision.
The system allows to work in parallel with renewable energy sources. Keywords: trigeneration, steam machine, ejector, ABHM, Autonomous energy.
УДК 621.311.22:662.6/. 8
На сегодняшний день по ряду достоинств, всё большее внимание общественности уделяется твердотопливным котлам как водогрейным, так и паровым, работающим на отработке
древесины. В связи с этим появляется актуальность применения в системе теплоснабжения энергоустановок, работающих на паре низких параметров.
Выработку электроэнергии можно осуществлять за счёт паровой турбины или двигателя, а отработанный пар конденсировать, получая тепловую или холодильную энергию, тем самым повышая КПД системы, замыкая её цикл. Вопрос автономных источников энергии многие годы оставался открытым и не разрешенным. И на сегодняшний день эта тематика не теряет своей актуальности. Причина поиска новых источников комбинированной выработки заключается в том, что осуществить поставку топлива и электричества на участки без развитой инфраструктуры является очень трудоёмкой и не всегда экономически целесообразной задачей. Также нельзя оставлять без должного внимания природные катаклизмы имеющие тенденцию увеличиваться с каждым годом, что вызывает дополнительную озабоченность у населения.
Ну и основополагающей причиной постоянных поисков является увеличение цен на первичные и вторичные энергоносители. Все большее количество владельцев недвижимости задумывается об альтернативных источниках энергии, позволяющих вне зависимости от внешних факторов, автономно генерировать вторичные энергоносители.
Помимо подорожания топлива, повышается стоимость на подключение потребителей с последующей эксплуатацией инженерных систем и оборудования. В качестве примера можно привести ежегодное повышение тарифов по Санкт-Петербургу и Ленинградской области, начиная с 2011 г. Данные по основным источникам говорят нам о подорожании тарифов ежегодно в среднем: на электроэнергию - 6.9%; газ природный - 7.1%; тепловая энергия - 5.7%.
Известно, что комбинированная генерация тепловой и электрической энергии более экономична, чем раздельная. При малой величине потребления совместное производство тепловой и электрической энергии может производиться на небольших тепловых электростанциях (МТЭС) [1].
Рассмотрим в качестве источника выработки тепловой, холодильной и электрической энергии блочную установку (рис.1), состоящую из парового котла низкого давления, парового двигателя и абсорбционной холодильной машины (АБХМ). Применение АБХМ обусловлено наличием теплоносителя с низкими температурными параметрами после паровой машины. Таким образом, в летнее время тепло можно использовать для получения холода на технологические нужды или для холодоснабжения системы кондиционирования.
Рис. 1. Схема принципиальная системы тригинирации с составом основного оборудования
Такая схема может быть применена как на гражданских, так и на промышленных объектах. Данная система полностью автоматизирована, на единой раме установлен котёл и бункер для хранения и автоматической подачи топлива в котёл (рис. 2). В ротационной паровой машине практически весь поступающий пар в двигатель совершает работу. Степень расширения в двигателе достигает 4,2. Для более полной отработки пара можно рассмотреть каскадную схему. Таким образом, совершивший работу пар отправляется в следующий двигатель для дальнейшего расширения пара.
Рис. 2. Паровой твердотопливный котёл с автоматической подачей топлива из бункера
Для применения блоков тригенерации на гражданских объектах применяется оборудование, работающее на низких параметрах пара с давлением до 0.07 МПа и температурой до 115 0С с котлом без пароперегревателя. В качестве установки выработки электрической энергии представлены паровой ротационный двигатель и электрогенератор (рис. 3). В последующем данное оборудование монтируется на единую раму, валы машин соединяются гибкой муфтой.
Рис. 3. Паровой ротационный двигатель и электрогенератор
Колебания напряжения при переходных режимах на выходе из генератора выравниваются блоком бесперебойного питания с регулятором напряжения. Облегчённый ротор двигателя (рис. 4) даёт возможность снизить инерционность при изменении электрической нагрузки.
Рис. 4. Ротор парового ротационного двигателя: 1) Ротор двигателя в сборе; 2) Вал ротора;
3) сборная часть барабана; 4) Пазы для установки шиберов
Рассматриваемую выше систему можно использовать совместно с альтернативными источниками энергии (рис. 5). Автономная или резервная система бесперебойного питания обеспечивает работу в 2-х режимах: с использованием дополнительных источников электроэнергии ~220В или без них. Так, полная нагрузка альтернативных источников обеспечивается путём поддержания недостающей энергии генератором ТЭС.
Ветрогенератор Фотоэлектрическая Электрогенератор
панель
Аккумуляторы Инвертор Потребители
Рис. 5. Вариант системы электроснабжения
Основными элементами схемы (рис. 5) являются источник питания, также выполняющий функцию зарядного устройства, и обычный батарейный инвертор. Эти устройства являются
широко распространенными на рынке, поэтому весьма дешевы. Связь между такими элементами обеспечивается шиной постоянного тока, объединяя бесперебойный источник питания (ИБП), с преобразователями электроэнергии под управлением программируемого логического контроллера (ПЛК).
Технико-экономическое обоснование применения энергоблока
Основные требования и исходные данные:
- Обеспечить работу ТЭС без постоянного присутствия обслуживающего персонала;
- Для теплоснабжения потребителя используется вся тепловая мощность утилизаторов тепловой электростанции (ТЭС), выполненная на базе парового двигателя;
- Жизненный цикл проекта - 10 лет;
- Количество часов непрерывной работы ТЭС в год 8400 час;
- Тариф на электрическую энергию - 4,32 руб за 1 кВт*ч, в том числе НДС;
- Тариф на твёрдое топливо (пеллет) - 8000 руб за 1 т. топлива, в том числе НДС;
- Тариф на отпуск тепловой энергии - 2 029,7 руб/Гкал, в том числе НДС,
- Удельная теплота сгорания пеллет - 4099 ккал/кг.
Таблица 1. Основные показатели принятого технического решения
Количество агрегатов 1
Электрическая мощность блока, кВт 30
Тепловая мощность блока, кВт 197
Годовое производство электроэнергии, кВт»ч с коэфф. 1.7 223 380
Годовое производство тепловой энергии, кВт»ч с коэфф. 1.7 1 327 562
То же, Гкал 1 141
Суммарный КПД блока , % 72
Годовой расход топлива, кг 59 809
Допущения и условия, принятые при выполнении Технико-экономических расчетов простого срока окупаемости ТЭС
- Финансирование строительства ТЭС осуществляется за счет частного лица;
- Тарифы на энергоносители изменяются с учётом инфляции 6% в течение жизненного цикла;
- Стоимость строительных работ принята условно и будет уточнена в процессе проектирования, в зависимости от расположения энергоблока;
Капитальные затраты при строительстве ТЭС:
Затраты по разделам «Изыскания» и «Строительные работы» определены условно, и будут зависеть от местных условий, места посадки объекта, протяженности сетей тепло- и холодоснабжения, фоновых концентраций загрязнения окружающей среды и проч.
Таблица 2. Капитальные затраты при строительстве ТЭС
№ Статья затрат Сумма руб.
1 Изыскания 400 000
2 Затраты на проектирование 600 000
3 Строительные работы (основное и вспомогательное оборудование, топливоподача и склад хранения топлива) 920 000
4 Стоимость оборудования в модульном варианте 2 300 000
5 Доставка оборудования к месту эксплуатации 200 000
6 Коммутационное электрооборудование и кабель 150 000
7 Пуско-наладочные работы 350 000
ИТОГО без НДС: 6 300 000
ИТОГО с НДС: 7 434 000
Расчет годовых эксплуатационных затрат ТЭС:
Затраты по разделу «Эксплуатация» определены условно, и будут зависеть от имеющегося организационно-штатного расписания предприятия.
Таблица 3. Расчет годовых эксплуатационных затрат ТЭС
№ Статья затрат Руб/год
1 Стоимость твёрдого топлива в виде пеллет 478 472
2 Суммарная стоимость ТО и запчастей 73 448
3 Годовые расходы на ФЗП 2-х сотрудников 1 257 600
ИТОГО без НДС: 1 761 872
ИТОГО с НДС: 2 079 009
Таблица 4. Расчет простого срока окупаемости ТЭС
Доход, получаемый от замещения выработки тепловой энергии котельной, руб/год 3 009 843,9
Доход, получаемый от замещения покупки электроэнергии собственной выработкой, руб/год 1 327 078,2
Суммарный годовой доход от собственной выработки электричества и тепла, руб/год (без НДС) 4 336 922,1
Суммарные годовые расходы на эксплуатацию ТЭС, руб/год 2 144 498,3
Капиталовложения при строительстве ТЭС , руб/год (без НДС) 6 300 000
Годовая экономия, руб/год (без НДС) 62,773155
Простой срок окупаемости, год 2,10
В данной статье рассматривался один из вариантов применения паровых энергетических установок, в качестве источника обеспечивающего полную автономность потребителя, также дающего возможность применения для совместной выработки энергии с возобновляемыми источниками. Возможность применения в аварийных ситуациях или при работе альтернативных источников на минимальных режимах мощности.
Согласно основным законам термодинамики машины любой конструкции, преобразующие тепловую энергию в механическую, при одинаковых параметрах рабочего тела имеют одинаковую теоретическую величину КПД.
Только объёмные машины, в которых практически весь поступивший в них пар совершает работу, позволяют достигать наименьших удельных расходов теплоносителя.
Конструкция ротационного парового двигателя очень проста в сравнении с поршневыми двигателями, вследствие чего его габариты существенно меньше, меньше получается и стоимость с последующей эксплуатацией. При полном использовании энергии пара, проходящего через машину, общий КПД ТЭС может достигать до 65%. Результат соответствует использованию паропоршневых установок в составе ТЭС.
Из представленного материала следует, что наиболее углублённая проработка данного направления позволит обеспечить потребителя надёжным, эффективным и экономически целесообразным источником выработки энергии. Вырабатывая тепло, холод и электроэнергию мы максимально снижаем выбросы излишков теплоты в атмосферу, а сжигая древесное топливо, понижаем ПДК и ПДВ в данной зоне.
Список литературы / References
1. Жигалов В.А. Тепловая электростанция с поршневой паровой машиной. [Электронный ресурс]. Новости теплоснабжения. № 02 (198), 2017. Режим доступа: http://www.rosteplo.ru/nt/198/ (дата обращения: 02.08.2019).
2. Александров Н.Е., Богданов А.И., Костин К.И. Основные теории тепловых процессов и машин. Омск. Изд. (эл) М.: БИНОМ Лаборатория знаний, 2012. 571 с.: ил.
3. Пархимович А.Ю. Пластинчатые насосы. Ред.-изд. комплекс УГАТУ. Уфа, 2012. 109 с.
4. 3. Сибикин Ю.Д. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. М.: Кнорус. Москва, ул. Большая Переяславская, 46, 2010. 232 с.
5. Салихов А.А. Неоцененная и непризнанная «малая» энергетика. Новости теплоснабжения. Екатеринбург, ул. Советская, д. 64, 2009. 176 с.
6. Журнал «Новости теплоснабжения». № 2 (198). Москва. Изд. ООО «НТ». Февраль, 2017. 54 с.
