Источник: Лаборатория " Технологии энергоресурсосбережения " Удмуртский государственный университет,
www.enlab.ru
Мини-ТЭЦ – одно из приоритетных направлений развития ТЭК республики
Рубиновский А.В., Кочуров Е.Л, Насибуллин Р.М., Хисамутдинов Н. Ф.
В настоящее время в мире прослеживается стойкая тенденция к увеличению производства и потребления электрической и тепловой энергии. Даже с учетом структурных изменений в промышленности и перехода на энергосберегающие технологии, потребности в тепло- и электроэнергии в ближайшие десятилетия будут увеличиваться.
Известно, что станциями удмуртского филиала ОАО ТГК5 вырабатывается около 35 процентов необходимой республике электроэнергии (см., например, [1]). Таким образом, уже сегодня существует зависимость удмуртской энергосистемы от ситуации на федеральном оптовом рынке электроэнергии и мощности. В связи с этим, одним из приоритетных направлений развития ТЭК Удмуртии на 2003-2010 годы объявлено использование комбинированных установок, производящих одновременно электрическую и тепловую энергию.
Строительство децентрализованных комбинированных энергоустановок, возможно как “с нуля”, так и на базе существующих отопительных или производственных котельных. Создание таких энергоустановок имеет ряд преимуществ: короткие сроки строительства, повышение надежности тепло- и электроснабжения потребителей, снижение инерционности теплового регулирования и потерь в тепловых сетях, относительно сетей подключенных к крупным РТС и ТЭЦ. Далее будут рассматриваться мини-ТЭЦ только на двигателях внутреннего сгорания и газотурбинных установках.
Комбинированные энергоустановки, исключая ПТУ, можно разделить на две большие группы:
Энергетические установки на базе двигателей внутреннего сгорания (ДВС)
Энергетические газотурбинные установки (ГТУ)
Среди ДВС, использующих газообразное топливо, можно выделить 2 группы:
Двухтопливные двигатели – это дизельные двигатели, переведенные на частичное сжигание газа. Количество потребляемого жидкого топлива в них может меняться в процессе эксплуатации от 10-15% до 100%. Остальная часть топлива - природный газ, который смешивается с воздухом на входе в двигатель.
Газопоршневые двигатели, в которых о топливом является газ. Отличаются пониженной степенью сжатия и, в большинстве случаев, меньшей экономичностью.
Производимые в настоящее время ГТУ можно разделить на два основных типа:
созданные на базе газотурбинных двигателей (авиационных или для морского использования)
созданные специально для использования в энергетике
ГТУ первого типа - более форсированные и более легкие установки, отличающиеся простотой обслуживания, меньшими требованиями к инфраструктуре, но также и меньшим ресурсом. Обычно, общее число независимых валов в ГТУ на базе авиационных двигателей и двигателей морского применения 1-3, причем валы, расположенные в газогенераторе, в зависимости от нагрузки, могут вращаться с разным числом оборотов (6-14 тыс. оборотов/мин.). Мощность таких установок составляет от нескольких МВт до 15-20 МВт. ГТУ, относящиеся ко второму типу, это значительно более тяжелые и, как правило, одновальные установки. Они имеют постоянную частоту вращения, совпадающую с частотой вращения генератора. Для обеспечения надежности, тепловой экономичности, снижения стоимости и эксплуатационных затрат, данные энергетические ГТУ проектируются по простейшему циклу по принципам, сложившимся в проектировании ПТУ. Срок службы таких установок значительно выше срока службы ГТУ первого типа и соответствует срокам службы ПТУ. Мощность таких установок составляет, как правило, более 100 МВт.
Классификацию по мощности и сравнительные характеристики различных ГПУ и ГТУ, а также описание опыта эксплуатации подобных установок можно найти в подробном отчете [2].
Создаваемые на базе комбинированных энергетических установок мини-ТЭЦ должны включать в себя также: котел утилизатор, систему отведения дымовых газов, насосное и другое вспомогательное оборудование.
При выборе типа и мощности комбинированной энергоустановки необходимо пользоваться предварительным технико–экономическим обоснованием (ТЭО). Выполнение экономических расчетов должно включать в себя не только вычисление срока окупаемости и расчет эффективности инвестиций, но также и оценку существующих и будущих тарифов на тепловую и электрическую энергию.
Одним из существенных пунктов в ТЭО является определение расхода топлива на эксплутационных режимах. Для определения расхода топлива на эксплутационных режимах, например, для ГТУ необходимо определить параметры рабочего тела в осевом компрессоре, провести тепловой расчет основных параметров камеры сгорания ГТУ, далее определить основные параметры рабочего тела и рассчитать энергетические параметры ГТУ, выбрать котел-утилизатор и сделать для него поверочный тепловой расчет. Расчеты выполняются для следующих режимов: максимально зимний, средний наиболее холодного месяца, средний отопительного сезона, летний, Расчеты выполняются также для пятого характерного режима, соответствующего точке излома температурного графика тепловых сетей. Режим работы рассчитывается по соответствующей температуре наружного воздуха. Далее определяются параметры работы основного оборудования и делается оценка воздействия на окружающую среду.
Отметим, что поскольку эффективность работы ГТУ сильно зависит от степени загрузки оборудования, решение о выборе числа и единичной мощности агрегатов необходимо принимать исходя из существующих и планируемых графиков электрических и тепловых нагрузок.
Ниже приведена сводная ведомость технико-экономических показателей для мини-ТЭЦ на базе ГТУ-4П производства «Авиадвигатель» (г. Пермь) применительно к территории Удмуртии. ГТУ-4П создана на на базе авиационного двигателя Д-ЗОЭУ-2. Электрическая мощность установки мини-ТЭЦ на базе ГТУ -4П равна 4 МВт, тепловая мощность 9,88 МВт. Такая мини-ТЭЦ может быть использована как промышленными предприятиями, так и предприятиями ЖКХ.
Таблица 1
| Параметры работы | Расчетные режимы | |||||
| максимально
зимний |
средний наиболее холодного месяца | средний отопи
тельного сезона |
в точке излома темпер. графика | летний | летний | |
| Температура наружного воздуха, оС | -34 | -23 | -15 | 0 | +8 | >8 |
| Относительная нагрузка отопления | 1 | 0,83 | 0,64 | 0,37 | 0,19 | 0 |
| Мини – ТЭЦ на базе ГТУ-4П | ||||||
| Доля от количества дней отопительного периода, Σ = 6000 часов | 0,02 | 0,09 | 0,22 | 0,4 | 0,25 | 0 |
| Доля от количества дней периода выработки Эл/энергии, Σ = 8760 часов | 0,01 | 0,06 | 0,15 | 0,28 | 0,17 | 0,33 |
| Температура сетевой воды в обратном трубопроводе, оС | 95 | 95 | 95 | 95 | 95 | 95 |
| Расход сетевой воды на отопление, кг/с | 103,77 | 101,64 | 99,39 | 96,25 | 94,68 | 0 |
| Расход топлива на установку, кг/с | 0,62 | 0,594 | 0,57 | 0,533 | 0,52 | 0,5 |
| Себестоимость эл. энергии, руб./кВт*ч. | 0,59 | 0,62 | 0,67 | 0,75 | 0,81 | 0,87 |
| Себестоимость тепловой энергии, руб./Гкалл. | 243,99 | 244,39 | 244,92 | 245,84 | 246,41 | 246,92 |
| Прибыль от реализации Электрической энергии, млн. руб. | 0,370746 | 1,455033 | 3,005005 | 3,654363 | 1,701342 | 2,294378 |
| Прибыль от реализации тепловой энергии, млн. руб. | 0,215157 | 0,817714 | 1,589172 | 1,565838 | 0,540657 | 0 |
| Суммарная прибыль от реализации тепловой и электрической энергии в течении периода с данной температурой наружного воздуха, млн. руб | 0,585903 | 2,272747 | 4,594176 | 5,220201 | 2,242 | 2,294378 |
| Суммарная прибыль от реализации тепловой и электрической энергии, млн. руб | 17,209406 | |||||
| Капитальные затраты, млн. руб | 120 | |||||
| Срок окупаемости, лет. | 6,97 | |||||
При выполнении ТЭО для мини-ТЭЦ на ГПУ надо сделать тепловой поверочный расчет двигателя с учетом параметров сжигаемого газа, выбрать теплообменник и другое оборудование тепловой схемы, а также рассчитать системы удаления дымовых газов. Основными оценочными параметрами газообразного топлива являются: элементарный состав, теплотворная способность, метановое число, воспламеняемость, степень очистки газов от загрязняющих примесей. Мини-ТЭЦ на ГПУ, как и миниТЭЦ на ГТУ может быть использована предприятиями ЖКХ и промышленными предприятиями.
Для нашей республики актуальной задачей является использование для энергетических целей попутного нефтяного газа (ПНГ). В случае использования ПНГ для ГПУ важной задачей является определение потребности в топливе для наиболее экономичных режимов, исключающих появление детонации в двигателе. Отметим, что при выполнении ТЭО для мини-ТЭЦ на ПНГ необходимо учесть также неравномерный по времени выход газа на месторождении. Кроме того, использование ПНГ в качестве топлива предполагает наличие на мини-ТЭЦ оборудования для очистки газового потока от нефти, газоконденсата, влаги и механических примесей.
Многими ведущими нефтяными компаниями зарубежом ПНГ уже широко используется для выработки электроэнергии для промысловых нужд. При постоянно растущих тарифах на электроэнергию использование ПНГ для выработки электроэнергии можно считать экономически вполне оправданным. Спецификой использования энергетической установки на попутном газе является практически полное отсутствие затрат на топливо. Себестоимость вырабатываемой энергии значительно ниже той, которую поставляют энергосбытовые компании.
Ниже приведены результаты расчета двигателя J 312 GS (производства австрийской фирмы Jenbacher ) для мини-ТЭЦ на ПНГ Лозолюкско-Зуринского месторождения, находящегося на территории Удмуртии. (таблица 2). Все приведенные в таблице данные получены для оптимального избытка воздуха.
Таблица 2
| Оптимальный коэффициент избытка воздуха α | 1,2 |
| Давление наддува Рк, МПа | 0,45 |
| Коэффициент молекулярного изменения горючей смеси µ0 | 1,144 |
| Среднее эффективное давление в цилиндре Рэ, МПа | 1,15 |
| Эффективный КПД двигателя η | 0,152 |
| Эффективный удельный расход топлива ge, м3/(кВт/час) | 0,924 |
| Электрическая мощность МВт | 0,42 |
| Крутящий момент на валу М, Н·м | 2674 |
| Часовой расход топлива GT, м3/ч | 388 |
| Температура уходящих газов tух, ºС | 377 |
| Теплоемкость продуктов сгораня сp, кДж/(кмоль · ºС) | 26,9 |
| Тепловая мощность МВт | 0,39 |
Технико - эконмические показатели работы мини-ТЭЦ на ПНГ Лозолюкско-Зуринского месторождения приведены в таблице 3.
Таблица 3
| Капитальные затраты, тыс. руб. | 10000 |
| Топливные затраты, тыс. руб. | 0 |
| Затраты на масло, тыс. руб. | 50 |
| Амортизационные затраты, тыс. руб. | 630 |
| Затраты на текущий ремонт, тыс. руб. | 500 |
| Затраты на заработную плату, тыс. руб. | 360 |
| Отчисления на соц. страхование, тыс. руб. | 130 |
| Себестоимость эл. энергии, руб./кВт*ч. | 0,49 |
| Себестоимость тепловой энергии, руб./Гкал | 135 |
| Прибыль, тыс. руб. | 2717 |
| Срок окупаемости, лет. | 3,68 |
Литература
1. В.К.Преснухин. Состояние и перспективы ТЭК Удмуртии. Энергосбережение. Региональный подход. с. 15-16.
2. Энергетические газотурбинные установки и энергетические установки на базе газопоршневых и дизельных двухтопливных двигателей. Отчет. Некоммерческое партнерство “Российское теплоснабжение”. Москва, 2004г. Часть1, Часть2.
