Размещено на http://www.allbest.ru/

Мини-ТЭЦ на базе микротурбинных установок

когенерационный микротурбинный энергетический

Одним из цивилизованных решений существующих энергетических проблем является строительство малых теплоэлектростанций (мини-ТЭЦ) с когенерационными установками - экономически эффективными и экологически безопасными. Мини-ТЭЦ (энергоцентр) - это автономный, локальный источник энергии. Внедрение таких теплоэлектростаций практикуется во всем мире. Мини-ТЭЦ может быть на базе газопоршневых, газотурбинных и микротурбинных установок с мощностью агрегатов от нескольких десятков кВт до десятков МВт.

«Гигантомания» в энергетике Советского Союза сделала свое дело. Были времена, когда шла ликвидация малых котельных, малых ГЭС, даже если они были вполне рентабельны. Со временем было запрещено строительство и размещение газового оборудования под жилыми домами. В эксплуатации остались только ранее построенные или переоборудованные котельные. Тем самым был перекрыт путь широкому применению когенерации в жилых застройках, что наблюдается в нашей стране и по сегодняшний день в отличие от мировой практики.

Удельная стоимость подключения к энергетическим сетям уже достигла, а в ряде регионов превышает удельную стоимость когенерационной установки с одинаковыми энергетическими параметрами, т.е. в большинстве случаев соизмерима с объемом инвестиций в собственную мини-ТЭЦ. При этом при подключении к энергосетям заказчик несет безвозвратные финансовые затраты за техническое присоединение и в дальнейшем платит за получаемую энергию по существующим тарифам. В то же время капитальные затраты, связанные с приобретением когенерационной установки и строительством энергоцентра, возмещаются за счет разницы тарифов и низкой себестоимости выработанной энергии в целом. Обычно полное возмещение капитальных затрат происходит после эксплуатации когенерационной установки в течение 3-8 лет в зависимости от режима их работы. Кроме того, отпадает необходимость в строительстве и обслуживании внешних инженерных сетей.

Наибольший эффект применения когенерационных установок достигается при работе последних параллельно с внешней сетью. При этом возможна передача в распределительную сеть излишков электроэнергии, например, в ночное время, а также получение ее из сети в случаях, когда выработанная электроэнергия не покрывает собственные потребности (например, когда один из когенераторов остановлен для профилактических работ или при пиковых нагрузках). По такому принципу работают 90% когенераторов во многих других странах. При такой схеме работы достигается ряд значительных преимуществ:

¦ приводные агрегаты когенерационных установок работают в постоянном режиме при оптимальных 90% нагрузках, что положительно сказывается на их эксплуатационных характеристиках, моторесурсе и достигаются минимальные сроки окупаемости;

¦ появляется возможность не устанавливать резервный агрегат для покрытия дефицита мощности при остановке одного из агрегатов для профилактических работ, уменьшается стоимость энергоцентра, экономятся площади.

В зарубежных странах правительствами экономически поощряется строительство энергоцентров и присоединение их к распределительным сетям, в то время как у нас строятся в основном только энергоцентры, работающие автономно, в так называемом «островном режиме». Это накладывает определенные сложности в подборе когенерационного оборудования и реализации проектов для объектов с цикличным потреблением электрических нагрузок, т.к. единичная мощность газопоршневых агрегатов (ГПА) подбирается исходя из минимальных часовых электрических нагрузок. На таких объектах, к примеру, днем электрическая нагрузка может достигать до 1 -2 МВт, а ночью падать до 20-30 кВт. Применение ГПА в таких случаях не целесообразно, т.к. минимальная рекомендуемая долговременная нагрузка ГПА составляет не менее 40-50% единичной мощности агрегата, а работать параллельно с сетями у нас не только не поощряется, а даже делается все возможное, чтобы владельцу энергоцентра это было крайне не выгодно.

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.

Уже в течение ряда лет на российском рынке внедряется новое энергетическое оборудование на основе микротурбинных установок. Интерес к этому оборудованию постоянно растет.

Микротурбина - это высокоскоростная газовая турбина, в камере сгорания которой сжигается газ (природный, сжиженный, биогаз), выполненная в виде конструкции с одной движущейся деталью - вращающимся неразрезным валом, на котором соосно расположены электрический генератор, компрессор и турбина. В отличие от ГПАв микротурбинах утилизируется только тепло выхлопных газов, а отсутствие охлаждающих жидкостей, при отсутствии теплосъема, не требует внешних систем охлаждения, что значительно упрощает конструкцию. Единичная электрическая мощность машин - 30, 65, 100 кВт, а тепловая - 51, 115, 160 кВт соответственно. Микротурбины позволяют создавать мини-ТЭЦ с глубоким диапазоном регулирования от 0 до 100% электрической нагрузки, что важно для потребителей с цикличными, неравномерными в течение суток нагрузками. Электрический КПД установок составляет 27-31%, а при утилизации тепла общий КПД достигает 75-80%. На базе микротурбин комплектуются мини-ТЭЦ мощностью от 30 кВт до 2 МВт. Производство таких установок освоено в США, Швеции и Японии.

Особенности работы микротурбинных установок

Рассмотрим принцип работы когенерационной микротурбинной установки.

Первоначально очищенный атмосферный воздух попадает в воздухозаборник, откуда подается на вход компрессора (рис. 1). В компрессоре воздух сжимается и за счет этого нагревается. После компрессора воздух дополнительно подогревается в специальном газо-воздушном теплообменнике (рекуператоре). Затем нагретый сжатый воздух смешивается с газообразным топливом, и уже гомогенная газо-воздушная смесь подается в камеру сгорания для горения. Предварительное смешение воздуха с топливом позволяет снизить уровень эмиссии NOx в выхлопных газах до 24 ppm (содержание О2 - 15%) при 100% электрической нагрузке и почти до нуля - при нагрузке ниже 50%.

После камеры сгорания выхлопные газы попадают в колесо турбины, где, расширяясь, совершают работу, приводя его в движение, а также колесо компрессора и высокоскоростной генератор. Затем по газоходу выхлопные газы попадают в рекуператор, где отдают часть своего тепла воздуху после компрессора. На выходе из рекуператора установлена байпасная заслонка, которая направляет выхлопные газы либо по байпасному газоходу, либо напрямую в котел-утилизатор (газо-водяной теплообменник) для нагрева сетевой воды.

Если количество выработанного (утилизированного) тепла становится меньше, чем потребности объекта, то устанавливаются и автоматически включаются в работу котлы пиковых нагрузок, которые покрывают образовавшийся дефицит тепла. В летний период тепловая энергия выхлопных газов может использоваться для получения холода с применением абсорбционного теплонасосного оборудования, что позволяет значительно повысить экономическую эффективность всей системы (тригене-рация).

В конструкции турбины отсутствует редуктор. Вырабатываемое высокочастотное напряжение подвергается двойному преобразованию: из высокочастотного переменного в постоянное, а затем в переменное напряжением 380, 400 или 480 В с частотой 50 или 60 Гц. Принципиальная схема преобразования аналогична применяемой в источниках бесперебойного питания (ИБП).

Это обеспечивает выходное трехфазное напряжение с правильной формой синусоиды. Такая особенность позволяет использовать для обслуживания и эксплуатации оборудования специалистов, которые знакомы с обслуживанием трехфазных ИБП.

Главная особенность микротурбинных установок - это возможность применения на объектах с большой цикличностью нагрузок (зима-лето, день-ночь и основное - это часовые перепады). Характерным примером потребителей с большими перепадами часовых нагрузок, как правило, являются: жилые дома, офисные здания, развлекательные и торговые центры, бани, бассейны, складские помещения, предприятия быстрого питания, малого и среднего бизнеса, больницы, прачечные, автоцентры и др. с единовременной нагрузкой 100-1500 кВт.

Микротурбинная установка может работать в течение длительного времени при очень низких нагрузках, в том числе в режиме холостого хода, вырабатывая при этом тепловую энергию.

Кроме того, микротурбины отличаются от газопоршневых установок высокими эксплуатационными характеристиками. К ним можно отнести низкие затраты на эксплуатацию и обслуживание, высокую заводскую готовность, практически полное отсутствие вибрации и возможность установки на крыше зданий, экологически чистый выхлоп (содержание NOx до 20 раз меньше, чем у ГПА), большой диапазон изменения нагрузок, отсутствие внешних охладителей, необходимых ГПАпри отсутствии теп-лосъема.

Высокие экологические характеристики и низкие уровни вибраций делают данное оборудование единственно возможным для применения в местах плотной застройки, таких как жилые кварталы и деловые районы, в крышном варианте размещения.

Применение микротурбинных установок особенно перспективно при точечной застройке в центре городов, реконструкции существующих зданий, строительстве в курортных зонах. Основанием для реализации таких проектов является плотность существующей застройки, высокие экологические требования, дорогая земля под застройку, отсутствие свободных площадей, а также технические сложности или невозможность подключения к электрическим сетям.

Появление на рынке микротурбинных установок для эксплуатации снаружи помещений до -40 ОC с воздухозаборником, обеспечивающим пониженный уровень шума, позволяет их монтировать без специальных ограждающих конструкций, что удешевляет строительство и упрощает согласование архитектурно-планировочных решений.

Преимущества микротурбинных установок

В диапазоне суммарных электрических нагрузок у потребителей до 2 МВт и с учетом возможности использовать газ низкого давления ГПА являются ближайшими конкурентами микротурбинных установок. В то же время в сравнении с ГПА микротурбинные установки обладают следующими преимуществами:

¦ возможен единовременный прием (наброс) 100% нагрузки, в то время как у ГПА существует жесткое ограничение - не более 15-25%;

¦ автоматическая синхронизация с сетью (у ГПА требуется внешний синхронизатор);

¦ встроенная защита генератора (у ГПА требуется специальное внешнее устройство);

¦ отсутствует дрейф частоты;

¦ возможность работы в течение длительного времени при очень низких электрических нагрузках, в том числе в режиме холостого хода, с выработкой тепловой энергии (у ГПА ограничение - не менее 40-50%);

¦ возможность работы на низкокалорийном топливе с минимальной концентрацией метана 30%(уГПА60-65%);

¦ ресурс до капитального ремонта в среднем в 2,5-4 раза выше (40-75 тыс. ч против 15-20 тыс. ч У ГПА);

¦ более высокая надежность вследствие отсутствия большого количества трущихся вращающихся и других частей, таких как поршни, распределительные и коленчатые валы, клапаны и др.);

¦ затраты на техническое обслуживание и эксплуатацию в 1,5-6 раз ниже (0,3-1 цента США против 1,5-2 центов США у ГПА за 1 кВт .ч), также номенклатура требуемых во время технического обслуживания запасных частей примерно на порядок меньше;

¦ интервал между техническими обслуживаниями - около 8 тыс. ч (у ГПА- 750-1500 ч);

¦ интервал между заменой масла в газовой турбине 24 тыс. ч (у ГПА- 750-1000 ч);

¦ уровень эмиссии по NОx ниже (24 ppm против 200-500 ppm у ГПА);

¦ низкий уровень вибраций;

¦ более простое конструктивное исполнение системы утилизации тепла (только один котел-утилизатор, ГПА требуются дополнительные системы для снятия тепла с контура охлаждения двигателя и масла).

Микротурбинная установка поставляется полностью подготовленной заводом-изготовителем к работе. После монтажа требуется лишь проверка и подстройка рабочих параметров.

При одинаковом принципе работы микротурбинные установки разных производителей имеют свои особенности технического исполнения, что вносит ограничения на область применения некоторых из них в отдельных случаях. Но разговор о преимуществах и недостатках микротурбинных установок разных производителей, сравнительных характеристиках, вариантах применения и исполнения - это отдельная тема для обсуждения.

Реализованные проекты энергоцентров на основе микротурбин

Исполнение микротурбинного оборудования может быть как для установки внутри помещений, так и для наружной установки (под навесом, на кровле). Варианты размещения микротурбинного оборудования: открытая площадка вблизи потребителя, крыша здания, технический этаж, встроенное помещение, отдельное помещение. Эти проектные возможности позволяют легко адаптировать имеющиеся унифицированные решения по строительству энергокомплексов под практически любые требования архитектуры и градостроения. Установка крышных энергокомплексов позволяет обеспечить дополнительное или основное энергоснабжение за счет минимальных строительных решений и не потребует пересмотра или уменьшения полезных площадей.

Так, например, в г. Москве для офисного комплекса «Городская усадьба конца XVIII - начала XIX века» построена автономная теплоэлектростанция общей электрической мощностью 1 МВт и тепловой -1,6 МВт на базе микротурбинных установок (10 шт.) с утилизацией тепла для эксплуатации снаружи помещений (до -40 ОС). Выработка тепловой энергии осуществляется за счет утилизации тепла отработанных газов в уже встроенных котлах-утилизаторах, входящих в конструкцию каждой установки. Мини-ТЭЦ размещается на крыше здания (рис. 2). Вспомогательное оборудование и электрощитовая размещены в отдельных технических помещениях. На объекте потребители первой категории дополнительно запитаны от городской электросети.

В 2007 г. в г. Зеленогорске (Ленинградская обл.) реализован проект энергокомплекса для обеспечения электро- и теплоснабжения Парка культуры и отдыха санатория «Энергетик» и яхт-клуба «Териоки».

В состав энергокомплекса входит следующее оборудование: 15 микротурбинных установок (рис. 3) единичной электрической мощностью 100 кВт, работающих параллельно со встроенной системой утилизации тепла на каждом агрегате (общая электрическая мощность -1,5 МВт, тепловая - 2,4 МВт), два пиковых водогрейных котла единичной тепловой мощностью 3 МВт, один резервный дизель-генератор единичной мощностью 300 кВт, повышающая подстанция 0,4 кВ/10 кВ. Все утилизированное тепло от микротурбинных установок интегрировано в тепловую схему котельной (рис. 4). Возможно также аналогичное строительство энергоцентров на крыше ЦТП со сбросом выработанного тепла в ЦТП.

Представляет также большой интерес реконструкция отдельно стоящей котельной ЦС «РОС-ТО» в г. Москве с использованием микротурбинного оборудования.

До начала реконструкции существующие котлы (рис. 5) не обеспечивали номинальную теплопроизводительность, оборудование физически и морально устарело, здание котельной нуждалось в ремонте. Также имелось предписание Ростехнадзора на запрещение эксплуатации котельной, т.к. автоматика безопасности не соответствовала современным требованиям, а дымовая труба находилась в аварийном состоянии. В котельной были установлены 4 водогрейных чугунных котла типа «Универсал-6» суммарной тепловой мощностью 2,8 МВт, переведенные в 1965 г. с угольного топлива на газ (давление газа - 0,25-0,3 МПа).

На первом этапе реконструкции была смонтирована одна микротурбинная установка (электрическая мощность 100 кВт, тепловая - 160 кВт) и три водогрейных котла заменены на новые (рис. 6). В результате тепловая мощность котельной увеличилась до 3,5 МВт, а расход природного газа сократился с 900 до 400 тыс. м3/год. Расход электроэнергии на собственные нужды котельной сократился с 61 до 27 кВт.ч.

Электроснабжение котельной выполнено от двух независимых источников: от микротурбинной установки и от городской электросети (электроснабжением по первой категории). В случае аварии на электросетях котельная, имеющая собственный источник электроэнергии, автономно работает в штатном режиме. В случае же отсутствия газа (при аварии на газопроводе) сетевые насосы работают от городской электрической сети, обеспечивается циркуляция теплоносителя в тепловой сети на период восстановительных работ на газовых сетях и предотвращается угроза размораживания трубопроводов, а также возникновение более серьезной аварии.

На втором этапе реконструкции котельной предусмотрено внедрение еще двух аналогичных микротурбинных установок.

В настоящее время также разработан проект строительства дистанционно управляемого автоматического тригенерационного центра с применением микротурбинных установок для пансионата «Золотая лагуна» (г. Сочи). В помещениях энергоцентра (рис. 7), входящего в единую архитектуру здания пансионата, планируется установить 22 микротурбинные установки, три пиковых водогрейных котла и абсорбционные холодильные машины (могут работать на воде, нагретой выхлопными газами когенерационных установок и при прямом нагреве газовыми горелками) для электро- (2,2 МВт), тепло- (9 МВт) и холодоснабжения (4,5 МВт).

Проведенные расчеты показывают, что благодаря низкой себестоимости производимой энергии (электрическая - 0,83 руб./кВт.ч, тепловая - 0,33 руб./кВт.ч (ГВС - 33,58 руб./м3), холод - 0,44 руб./кВт.ч) срок окупаемости энергоцентра составит 3-4 года.

Выводы

На основании опыта проектирования, строительства и эксплуатации энергоцентров на базе микротурбинных установок в России можно сделать следующие выводы.

1. Микротурбинные установки обладают уникальными техническими характеристиками, позволяющими считать их одной из наиболее передовых и перспективных технологий получения электро- и теплоэнергии на объектах «малой» энергетики.

2. Обладая низкими уровнями эмиссии и шума во всем диапазоне нагрузок, они являются самым экологически чистым оборудованием в своем классе.

3. Могут применяться в качестве основного источника электро- и теплоснабжения различных общественных зданий, объектов ЖКХ, автономных источников для котельных.

4. Микротурбинные установки, работающие на биогазе, свалочном, генераторном газе и др., могут быть использованы на промышленных предприятиях малого и среднего бизнеса, перерабатывающих и сельскохозяйственных предприятиях, очистных сооружений, мусоро- и деревоперерабатывающих заводах и т.д.

5. Высокий ресурс, надежность и простота эксплуатации открывают широкие возможности использования микротурбинных установок в будущем.

6. Как уже упоминалось ранее низкий уровень эмиссии и шума, отсутствие вибрации делают это оборудование единственно возможным для применения в местах плотной застройки и на крыше зданий.

Все сказанное подтверждает востребованность и перспективность применения микротурбинных установок в энергетических комплексах малой мощности.

Размещено на Allbest.ru