Портал по тригенерации, когенерации и мини-ТЭЦ

Малые теплоэлектроцентрали - поршневые или турбинные

Замоторин Роман Владимирович, компания "Мировая Техника", к.т.н.

В настоящий период времени топливно-энергетический комплекс страны переживает кризисное состояние. Это связано с общим кризисом, охватившим все сферы экономики страны. Основное проявление кризиса в энергетике заключается в нарушении снабжения отдельных регионов и потребителей топливом, электрической и тепловой энергией. Главно причиной напряженности топливно-энергетического баланса страны является устойчивая, начиная с 1990 года, тенденция снижения объемов добычи нефти и угля, а также наметившаяся тенденция снижения объемов добычи природного газа.

Во всех сценариях развития экономики и топливно-энергетического баланса России /1, 2, 3/ предусматривается покрытие дефицита потребности в энергоресурсах исключительно за счет природного газа (на 2005 год в размере 750 млрд. м3). Добыча газа в ОАО "Газпром" планируется в следующих объемах: 2001 год - 520,0 млрд. м3; 2002 год - 520 млрд. м3. При этом потребителям газа будет направлено в 2001 году - 376,8 млрд. м3 и в 2002 году - 371,6 млрд. м3. Экспорт газа планируется следующим: 2001 год - 141,0 млрд. м3 и 2002 год - 150,0 млрд. м3 /3/. Из приведенных данных следует, что повышение эффективности использования газа при производстве электрической и тепловой энергии является исключительно актуальным.

В теплоэнергетике положение усугубляется тем, что сокращение объемов промышленного производства на 50 - 60% по сравнению 1991 годом не сопровождалось адекватным снижением объемов потребления электрической и тепловой энергии. Сложилась ситуация, когда в условиях наличия большого резерва электрической мощности в региональных энергосистемах, невозможно его использовать вследствие падения потребления технологического пара промышленными потребителями. В результате противодавленческие турбоагрегаты теплоэлектроцентралей (ТЭЦ) фактически простаивают, а турбины типа ПТ являются незагруженными. Кроме того, в новых экономических условиях перехода к социально-ориентированным рыночным отношениям, высокого уровня инфляции, невозможности использования централизованных средств для восполнения отработавших свой ресурс и требующих замены генерирующих мощностей, ориентация на традиционное централизованное теплоэнергоснабжение от крупных источников становится проблематичной. Традиционные централизованные теплофикационные системы не обеспечивают расчетной экономии топлива и общей эффективности. Это связано, в основном, с двумя причинами. Эффект системной экономии топлива от централизации теплоснабжения практически сведен к нулю вследствие того, что КПД промышленных и отопительных котельных повышен до уровня КПД энергетических котлов. Вторая составляющая топливного эффекта от комбинированной выработки электрической и тепловой энергии на ТЭЦ также оказалась ниже расчетной вследствие тепловых потерь и потерь с утечками при транспорте горячей воды на большие расстояния. Эти потери достигают 20 - 25%. Кроме того, магистральные тепловые сети от ТЭЦ имеют низкую надежность, что приводит в ряде случаев к нарушению теплоснабжения и соответствующему ущербу как материальному, так и социальному.

Таким образом, строительство новых крупных ТЭЦ для покрытия дефицита тепловых мощностей неизбежно связано с омертвлением капитала и проблемой отыскания источников финансирования. Ориентация же на строительство крупных котельных с точки зрения обеспечения системной экономичности является неперспективной из-за увеличения потребностей в топливе и необходимости решения экологических проблем.

В этих условиях в стране наметилась тенденция на строительство децентрализованных комбинированных источников электро- и теплоснабжения. Создание таких энергоустановок имеет ряд преимуществ. Среди них основными являются короткие сроки строительства, повышение надежности теплоснабжения потребителей, снижение инерционности теплового регулирования и потерь в тепловых сетях. Однако существует ряд недостатков, связанных с трудностью их размещения, необходимостью решения экологических задач и вопросов отпуска избытка электроэнергии в общую сеть.

Необходимость строительства собственной электростанции, как правило, обусловливается одной из следующих причин:

- затраты на подвод электроэнергии и тепла сопоставимы с расходами на строительство собственной электростанции (новое строительство);

- есть проблемы с региональными энергосетями либо со стоимостью дополнительной электроэнергии (расширение мощностей);

- наличие и качество электроэнергии критично с точки зрения непрерывности технологического процесса или нарушения технологии;

- штрафы за выбросы в атмосферу попутного газа, прочих продуктов сопоставимы со стоимостью оборудования электростанции (нефтедобывающие компании);

- возможность использования дешевого или "бесплатного" газа в качестве топлива для электростанции (добывающие и транспортные топливные компании);

- ожидание роста тарифов на электроэнергию.

На сегодняшний момент возможными приводами генераторов для децентрализованных мини-ТЭЦ являются газовые поршневые и турбинные двигатели. "Сколько это стоит?" - первый вопрос, который задается при принятии решения "строить или не строить собственную электростанцию".

Рисунок 1. Удельная стоимость поршневой и турбинной установок

Как видно из рисунка, при единичных мощностях менее 3,5 МВт наименьшая удельная стоимость оборудования у поршневых машин. Здесь нужно заметить, что стоимость оборудования и стоимость станции не одно и то же, особенно в том случае, когда речь идет о подводе газа высокого давления (как требуется для газовых турбин).

Следующими очень важными для будущих владельцев станций являются вопросы расхода топлива и эксплуатационных затрат, которые напрямую связаны с выгодами, которые получит владелец и со сроком окупаемости оборудования станции.

Рисунок 2. Удельный расход топлива поршневой и турбинной установками

Удельный расход топлива на выработанный кВт·ч меньше у газопоршневой установки, причем при любом нагрузочном режиме. Это объясняется тем, что КПД поршневых машин составляет 36…45%, а газовых турбин - 25…34%.

Рисунок 3. Эксплуатационные затраты на электростанцию мощностью 5 МВт

Эксплуатационные затраты на электростанцию с поршневыми машинами ниже, чем на электростанцию с газовыми турбинами. Резкие скачки на графике ГТД - капитальные ремонты двигателя. У эксплуатационных затрат ГПД таких скачков нет, капитальный ремонт требует значительно меньше финансовых и людских ресурсов.

Сравнение газопоршневых и газотурбинных двигателей по другим немаловажным вопросам установки и эксплуатации приведено в таблице 1.

Таблица 1

Показатель

Газопоршневой привод (ГПД)

Газотурбинный привод (ГТД)

Долговечность

без ограничения при соблюдении правил эксплуатации и обслуживания

без ограничения при соблюдении правил эксплуатации и обслуживания

Ремонтопригодность

·   ремонт производится на месте

·   ремонт требует меньше времени

·   ремонт производится на специальных заводах

·   затраты времени и денег на транспортировку, центровку и т.д.

Сохраняемость

·   не теряет свойств при правильном хранении

·   может перевозиться любым видом транспорта

·   не теряет свойств при правильном хранении

·   транспортировка железнодорожным транспортом не желательна

Экономичность

КПД мало меняется при нагрузке от 100% до 50% мощности

КПД резко снижается на частичных нагрузках

Удельный расход топлива при 100% и 50% нагрузках

9,3…11,6 МДж/кВт·ч
0,264…0,329 м3/кВт·ч

13,2…17,7 МДж/кВт·ч
0,375…0,503 м3/кВт·ч

Падение напряжения и время восстановления после 50% наброса нагрузки

22%
8 с

40%
38 с

Влияние переменной нагрузки

·   не желательна долгая работа на нагрузках менее 50% (сильно влияет на интервалы обслуживания)

·   при меньшей единичной мощности агрегата, более гибкая работа электростанции в целом и выше надежность энергоснабжения

·   работа на частичных нагрузках (менее 50%) не влияет на состояние турбины

·   при высокой единичной мощности агрегата, отключение вызывает потерю 30…50% мощности электростанции

Размещение в здании

·   требует больше места, т.к. имеет больший вес на единицу мощности

·   не требует компрессора для дожима газа, рабочее давление газа на входе - 0,1…0,35 бар

·   при мощности электростанции 5 МВт выигрыш от меньшего размера помещения не значителен

·   минимальное рабочее давление газа на входе - 12 бар, требуется газ высокого давления, либо дожимной компрессор, а так же оборудование для запуска турбины

Обслуживание

·   останов после каждой 1000 ч. работы, замена масла

·   кап. ремонт через 72000 ч., выполняется на месте установки

·   останов после каждых 2000 ч. (данные фирмы Solar)

·   кап. ремонт через 60000 ч., выполняется на специальном заводе

Сравнение турбинных и поршневых двигателей для применения на мини-ТЭЦ показывает, что установка газовых турбин наиболее выгодна на крупных промышленных предприятиях, которые имеют значительные (больше 8…10 МВт) электрические нагрузки, собственную производственную базу, высококвалифицированный персонал для эксплуатации установки, ввод газа высокого давления. Мини-ТЭЦ на базе газопоршневых двигателей перспективны в качестве основного источника электроэнергии и теплоты на предприятиях самого широкого диапазона деятельности, а именно: в сфере обслуживания - в гостиницах, санаториях, пансионатах и предприятиях пищевой промышленности; в промышленности - на деревообрабатывающих и химических предприятиях; в сельском хозяйстве - в тепличных хозяйствах, на птицефермах и животноводческих комплексах.

На сегодняшний день ведущим поставщиком энергоустановок для поршневых мини-ТЭЦ в Юго-Западном регионе России является компания "Мировая Техника" - официальный дилер корпорации Катерпиллар (Caterpillar, США).

Высокая надежность оборудования Катерпиллар известна во всем мире и основывается на большом опыте производства таких установок и едином производителе всех комплектующих (двигатель, генератор, системы топливоподачи, управления и др.), что позволяет обеспечивать уникальную согласованность работы всех систем и давать единую гарантию на все узлы поставляемого оборудования.

"Мировая Техника" поставляет поршневые газовые мотор-генераторы в диапазоне мощностей от 10 кВт до 6,1 МВт, производит монтаж, пусконаладку и сервисное обслуживание поставляемых энергоустановок.

Список литературы:

1. Об основных положениях Энергетической стратегии России на период до 2020 г. - Энергетик, 2000, № 9, с. 2 - 6.

2. Батенин В.М. О некоторых нетрадиционных подходах к разработке стратегии развития энергетики России. - Теплоэнергетика, 2000, № 10, с. 5 - 13.

3. Дьяков А.Ф. Энергетика России и мира в 21-м веке. - Энергетик, 2000, № 11, с. 2 - 9.