Альтернатива большой энергетике
Обычно, когда случаются техногенные аварии, повлекшие за собой тяжелые последствия, в СМИ говорят о них в лучшем случае спустя месяц. Потом эта тема становится неактуальной, и о ней забывают до следующей крупной аварии. Так произошло и после аварии 25 мая прошлого года в Москве. А ведь в России есть альтернативные, более надежные источники энергоснабжения. Исследования зарубежного опыта и мировых тенденций в области энергетики показывают, что использование автономных источников электроэнергии, которые отвечают требованиям качества, становится настолько популярным, что можно говорить о процессе децентрализации национальных систем электроснабжения. Это объясняется просто: во многих случаях собственный энергоисточник оказывается выгоднее.
Наиболее дешевым и приемлемым видом топлива, отвечающим современным требованиям, является газ (природный, биогаз и т. д.). По этой причине все передовые фирмы ориентируются на разработку экологически чистых и экономически эффективных агрегатов, работающих на газе.
Одним из цивилизованных решений энергетических проблем является строительство малых теплоэлектроцентралей (мини-ТЭЦ) с когенерационными установками – экономически эффективными и экологически безопасными. Мини-ТЭЦ – это автономный, локальный источник энергии, расположенный внутри микрорайона или предприятия. Внедрение таких теплоэлектроцентралей практикуется во всем мире. Мини-ТЭЦ может быть на базе газопоршневой, газотурбинной и микротурбинной установки с мощностью агрегатов от нескольких десятков кВт до десятков МВт.
Обычный (традиционный) способ получения электричества и тепла заключается в их раздельной генерации (электростанция и котельная). При этом значительная часть энергии топлива не используется. Существенно уменьшить общее потребление топлива можно путем когенерации (совместного производства электроэнергии и тепла).
Одновременная выработка энергии
Когенерация – технология, при которой одновременно вырабатывается электрическая и тепловая энергия внутри когенераторной установки (КУ). Она может быть на базе газопоршневой, газотурбинной или микротурбинной установки.
К примеру, газопоршневый двигатель приводит во вращение генератор, который вырабатывает электрическую энергию, но при этом значительное количество тепловой энергии, отводящейся от двигателя при охлаждении системы смазки, системы охлаждения и с теплом выхлопных газов, выбрасывается в атмосферу. В когенераторной установке все это тепло утилизируется. Когенераторы без всяких проблем могут быть интегрированы в систему теплоснабжения. Охлажденная вода в системе теплоснабжения, отдавшая часть своего тепла потребителям, ступенчато догревается до 95 оС или 130 оС за счет прохождения через теплообменник масляного контура, системы охлаждения двигателя и теплообменник (котел-утилизатор) на линии выхлопных газов, где выхлопные газы отдают тепло, охлаждаясь с 500 оС до 120 оС, тем самым повышая температуру сетевой воды до необходимых параметров. При этом при выработке 1 МВт электрической энергии получается 1 МВт тепла (а в газотурбинных установках до 1,7 МВт), которое уже не выбрасывается в атмосферу.
В России пока не налажено серийное производство таких качественных и надежных газопоршневых двигателей. В западных странах выпускают газопоршневые двигатели единичной выходной электрической мощности от десятков кВт. до десятков МВт, они могут быть установлены как в контейнерном исполнении, так и в отдельных зданиях. В России наиболее известны фирмы – производители когенерационных установок на базе газопоршневых двигателей: Deutz (Германия), Tedom (Чехия), Katerpillar (США), Jenbacher (Австрия), Wafrtsila (Финляндия), FG Wilson (Англия), Spark (Италия), Waukesha (США).
Микротурбины – это высокоскоростная газовая турбина (в камере сгорания которой сжигается газ природный, сжиженный, биогаз), выполненная в виде движущейся детали – вращающегося неразрезного вала, на котором расположены электрический генератор, компрессор и турбина. Вал поддерживается воздушными подшипниками, которые не требуют жидкой смазки. В отличие от газопоршневой установки (ГПУ) в микротурбинах утилизируется только тепло выхлопных газов, а отсутствие охлаждающих жидкостей не требует внешних систем охлаждения при отсутствии теплосъема, что значительно упрощает конструкцию. Благодаря преимуществам перед ГПУ малой мощности микротурбины на рынке начинают теснить ГПУ. Единичная мощность машин 30, 60, 80, 100 кВт. Микротурбины позволяют создавать мини-ТЭЦ с глубоким диапазоном регулирования от 10 до 100% электрической нагрузки, что важно для потребителей с цикличными, неравномерными в течение суток нагрузками. Производителями когенерационных установок на базе микротурбин являются: Turbec AB (Швеция), Elliott (США), Kabasaki (Япония), Capstone (США) На базе микротурбин комплектуются мини-ТЭЦ мощностью от 30 до 1 500 кВт.
Автономная работа когенератора позволяет обеспечить потребителей электроэнергией со стабильными параметрами по частоте и по напряжению, тепловой энергией со стабильными параметрами по температуре и горячей воде. Приближенность источников к потребителям позволит сократить протяженность сетей, потери при транспортировке энергии и улучшить ее качество, а значит, повысить коэффициент использования энергии природного газа.
Условия для подключения к электрическим и тепловым сетям часто ведут к значительным безвозвратным расходам и даже к пересмотру этих же подключений. Удельная стоимость подключения к энергетическим сетям уже достигла, а на ряде объектов превышает удельную стоимость когенерационной установки с одинаковыми энергетическими параметрами. Капитальные затраты на приобретение когенератора компенсируются за счет низкой себестоимости вырабатываемой энергии в целом. Обычно полное возмещение капитальных и эксплуатационных затрат происходит после эксплуатации когенератора в течение 3‑5 лет. При подключении к сетям вкладываются разовые инвестиции и потом покупаем энергоносители по установленным тарифам, а при строительстве мини-ТЭЦ инвестиции возвращаются через 3‑5 лет после окупаемости установки и потом приносят прибыль за счет значительной разницы себестоимости каждого киловатта вырабатываемой энергии и тарифов энергоснабжающих организаций.
Возможности тригенерации
Но надо знать и ряд нюансов. Газопоршневые установки – это генераторы, вырабатывающие электроэнергию, а утилизация (производство) тепла в них вторична. Выработка тепла зависит от режима работы генератора. Если снижается электрическая мощность установки, то пропорционально снижается и выработка утилизированного тепла. Например, если потребность в электроэнергии и тепле днем может составлять по 1 МВт, а ночью электрическая нагрузка падает до 0,5 МВт, а тепловая по-прежнему составляет 1 МВт, то покрытие дефицита тепла на мини-ТЭЦ решается путем включения котла (называемого пиковым), который работает совместно с когенератором в автоматическом режиме.
Летом, когда тепловые нагрузки значительно ниже, чем количество получаемого от утилизации тепла, появляется избыточное тепло, которое можно при помощи абсорбционных холодильных машин преобразовывать в холод для обеспечения работы систем централизованного кондиционирования, для нужд производственных технологий, получая охлажденный носитель с температурой до 8 оС. Такая технология, где одновременно получают три вида энергии (электроэнергия, тепловая энергия и холод), получила название тригенерация. Технология позволяет эффективно использовать КУ и повысить экономическую эффективность всей системы
Когенераторы в мире получили очень широкое применение в различных отраслях хозяйства и работают в жилом секторе и на объектах соцкульбыта; на городских мусорных свалках от получаемого биогаза и др. В случае уменьшения количества выработанного метана двигатели в автоматическом режиме без остановки в течение 20 минут переходят на режим работы от природного газа. Установки на вырабатываемом метане очистных сооружений обеспечивают потребности до 48% электрической энергии и 30‑35% потребности в тепле данных сооружений.
Оптимальный выбор вида оборудования для мини-ТЭЦ определяется не только удельной стоимостью 1 кВт установленной мощности, но и другими факторами: эксплуатационными расходами; требованиями по охране окружающей среды (содержание вредных веществ в выхлопных газах, уровень шума); режимом работы, моторесурсом когенератора; графиком загрузки оборудования в течение года и суток (пики‑спады); вариантом конструктивного исполнения.
ГПУ устойчиво работает при нагрузке свыше 50%, оптимальный режим – 80‑90%. Исходя из этого, а также из минимальных суточных электрических нагрузок, подбирается единичная мощность установок для их оптимальной загрузки. Она рассчитана на работу 8 700 часов в году. На Западе установки проработали уже и по 23 года, давно многократно окупив вложенные инвестиции.
В связи с крупными авариями целесообразно рассмотреть вопрос установки когенераторов на газовых котельных и других потребителях электрической и тепловой энергии, где не допускаются перебои в обеспечении теплом и электричеством, в качестве аварийных источников или автономного электротеплоснабжения. Тем самым потребители надежно, без каких-либо сбоев, обеспечиваются тепловой и электрической энергией со стабильными параметрами, имея полную независимость и автономность.
Универсальность расположения
В мире широкое применение получило размещение когенераторов в подвальных помещениях зданий различного назначения, на крышах и под землей внутридворовой территории, экономя площадь плотной городской застройки. В Германии даже в подвале музыкальной школы, под музыкальными классами смонтированы газовая котельная и установка когенерации электрической мощности 2 МВт, которая снабжает 3 школы, 2 бассейна и 2 спортивных центра, а на первом этаже дети без всяких помех музицируют. Применение когенераторов в центральной части крупных городов позволяет эффективно дополнять рынок энергоснабжения без реконструкции старых перегруженных сетей. В странах Западной Европы когенераторы в основном работают параллельно с энергосетями. Этим достигается работа когенераторов на оптимальных режимах загрузки, а когда потребление электроэнергии падает, излишки отдаются в распределительные сети.
Дата публикации: 14.07.2015