Микроэнергокомплекс на базе влажно-паровой турбины

Размещено на http://www.allbest.ru/

Микроэнергокомплекс на базе влажно-паровой турбины

Н.Н. Ефимов, В.И. Паршуков,

И.В. Русакевич, В.В. Копица,

Производство электрической и тепловой энергий в России происходит, в основном, на крупных тепловых, атомных и гидроэлектростанциях мощностью 50 - 800 МВт, а также котельных. Считается, что такие энергоустановки вырабатывают энергию более экономично. Однако, существующие в настоящее время эффективные энергоагрегаты большой мощности, входящие в структуру Единой энергетической системы страны, имеют ряд недостатков. Во-первых, стоимость электроэнергии, поставляемой потребителю, только на 50% зависит от её производства. Другие составляющие ценообразования тарифов, это: услуги системного оператора - 5%; потери электроэнергии по линиям дальних передач высокого напряжения - 7%; потери электроэнергии по межрегиональным сетям низкого напряжения - 22%; транспортировка по местным коммунальным сетям и распределение по потребителям электроэнергии - 10 %; сбытовые надбавки - 6%. Таким образом, экономичность энергоснабжения потребителей снижается, несмотря на более высокую эффективность генерирующего оборудования. Во-вторых, с увеличением неравномерности суточных графиков нагрузок потребления электроэнергии, возрастает скорость ее изменения, особенно при прохождении вечернего пика нагрузок. Такую скорость изменения нагрузок все труднее обеспечивать при существующей инерционности системы передачи энергии на большие расстояния от производителя к потребителю.

В этих условиях все большее значение приобретает малая распределенная энергетика. Распределенная энергетика в России в последние годы развивается опережающими темпами по сравнению с другими производителями электроэнергии. Доля малой электрогенерации в установленной мощности всех электростанций страны достигла 5,2%, а в выработке электроэнергии - 2,3%. Разница в цифрах объясняется меньшим временем использования мощностей малой генерации по сравнению с большой (2105 и 4670 ч/год, соответственно) [1, 2].

В стране уже сегодня функционирует порядка 50 тысяч объектов малой распределенной генерации. Они способны обеспечивать дополнение и резервирование централизованных систем. При этом потребитель, обладающий собственным источником энергии: получает ее по себестоимости ниже установленных тарифов; повышает надежность своего энергоснабжения; имеет возможность самостоятельно регулировать пиковые нагрузки; может выбирать к применению местное топливо и использовать энергию возобновляемых источников.

В табл.1 представлены объемы вводов в России электрогенерирующих установок малой мощности на базе двигателей внутреннего сгорания и газотурбинных двигателей, а также крупных электростанций. Из данных таблицы видно, что мощности вводимых малых электроустановок больше чем крупных, особенно в последние годы. Наибольшей популярностью пользуются энергоагрегаты мощностью до 60 кВт и более 300 кВт.

Таблица 1. Объемы вводов в России электрогенерирующих установок малой и крупной мощности, МВт (данные Росстата 2007 г)

Причинами опережающего развития распределенной энергетики являются следующие факторы:

- технические достижения в средствах малой генерации электроэнергии (стали доступными электрогенераторы малой мощности с приемлемыми технико-экономическими показателями: высокоэффективные газопоршневые и газотурбинные установки, ветрогенераторы, фотопреобразователи и др.);

- экономический рост в зонах централизованного электроснабжения при отсутствии технологических возможностей подключения к электрическим сетям;

- территории, не охваченные централизованным электроснабжением, но требующие своего освоения;

- снижение качества действующей системы электроснабжения (низкая надежность поставок электроэнергии, несоответствие параметров электроэнергии нормативным требованиям);

- небольшие сроки ввода объектов малой генерации в эксплуатацию и меньшие требуемые начальные инвестиции.

Анализ развития малых электростанций (13,4 ГВт) в приведенных оценках объемов реализации за период 2001-2007 гг. (табл. 1) в России показывает, что:

- большое количество установок приобретается взамен существующих для модернизации и реконструкции действующих дизельных электростанций (муниципальных и производственных);

- большое количество реализуемых установок, особенно мощностью менее 60 кВт, приобретается в качестве резервных, в том числе, в коттеджной застройке, предприятиях мобильной связи, котельных и т.д.;

К этому необходимо добавить, что не все устанавливаемые в стране электрогенераторы учитываются отечественной статистикой. Достаточно полно отслеживаются только электростанции мощностью 500 кВт и выше, и значительно хуже электростанции меньшей мощности, особенно находящиеся на балансе организаций-потребителей собственной генерации.

Применение автономных микроэнергокомплексов позволяет избегать дополнительных финансовых затрат, а эксплуатационные расходы полностью переложить на производителей электроэнергии и тепла. Эффективность энергоснабжения в малой распределенной энергетике можно добиваться не только за счет приближения производителя энергии к потребителю, но и за счет комплексного производства электрической и тепловой энергией, холода, т.е. за счет когенерации и тригенерации. В этом случае можно повысить экономичность энергоустановок до 90 % и даже более.

При использовании когенерации и тригенерации разные энергетические турбомашины способны создавать вполне определенные соотношения в производстве электроэнергии и тепла. Например, газопоршневые агрегаты при производстве 1 кВт электрической энергии способны выдавать 1,2-1,5 кВт тепловой. Газотурбинные машины имеют возможность увеличить это соотношение и на 1 кВт электрической энергии выдать 1,5-2,0 кВт тепловой. Еще большего соотношения можно добиваться при использовании паросиловых установок. На 1 кВт электрической энергии они способны производить 12,0-13,0 кВт тепловой [3, 4]. Тем не менее, в Западной Европе, при их климатических условиях, в когенерации часто используются газопоршневые и газотурбинные установки.

Климатические условия Европы значительно расходятся с российскими. Температура воздуха зимой в Западной Европе (см. табл. 2) изменяется от -2,5 ⁰С до +8 ⁰С, а разность между зимней и летней температурами составляет не более 20 ⁰С, в то время как в России она изменяется от 25 ⁰С до 58 ⁰С. Температура самой холодной пятидневки в РФ колеблется от -20 ⁰С до -55 ⁰С [5, 6]. Как показывает анализ, только южные регионы европейской части России и Приморский край по климатическим условиям сравнимы с условиями энергообеспечения Западной Европы. Северные регионы России по энергообеспечению находятся в более жестких условиях, как по сезонным температурным изменениям, так и по продолжительности отопительного периода. Отопительный сезон в климатических зонах России также изменяется в широких пределах от 150-170 до 300 дней в году [5]. Для большинства регионов России в отличие от Европы отопление более значимо, чем кондиционирование воздуха в помещениях.

Таблица 2. Климатические условия России в сравнении с Европой.

Анализ особенностей энергоснабжения индивидуального домостроения показывает, что в месяц средняя семья из 4-х человек потребляет 200-500 кВт ч электроэнергии. Отсюда среднесуточная мощность электрогенератора составляет 300- 700 Вт, но по электропотреблению энергоустановка должна иметь возможность изменять свою нагрузку до 90%. При этом полностью останавливать энергоисточник не представляется возможным, поскольку имеются приборы, которые работают постоянно (например, система управления и автоматики, пожарная сигнализация и дежурное освещение). Отсюда, электрическая нагрузка в течение суток при индивидуальном автономном энергопотреблении в любой период года изменяется крайне неравномерно. Минимальное электропотребление приходится на ночное время в осенне-весенний периоды. Однако, ночная и дневная нагрузки начинают возрастать, если появляется необходимость включать кондиционирование (летом), или отопление (зимой). В такие периоды потребляемая электрическая мощность в отдельные моменты достигает своего максимума.

Нагрузка на отопление, в отличие от обеспечения электроэнергией, при теплоснабжении индивидуальных и автономных потребителей практически не изменяется в течение суток. Тепловая отопительная нагрузка изменяется сезонно в зависимости от температуры наружного воздуха. Максимальная отопительная нагрузка возникает при минимальной температуре зимой и определяется теплопотерями через внешние ограждения здания. Например, для здания площадью 200 м² при относительно хорошо утепленной конструкции (класс А и В⁺⁺) она составляет примерно 5 - 12 кВт для умеренной климатической зоны.

Горячее водоснабжение в течение суток потребляется также неравномерно, как и электроэнергия. Однако, энергии на нагрев такого количества воды требуется незначительно.

Основной недостаток газопоршневых и газотурбинных энергетических установок заключается в одновременном регулировании электрической и тепловой энергии. При снижении уровня потребляемой электрической энергии в автономных системах, одновременно снижается и уровень поставляемой тепловой энергии. Данный режим работы совершено не подходит для более суровых климатических условий России.

Паросиловая энергетическая установка более приспособлена для комбинированного производства электроэнергии и тепла при автономном энергообеспечении индивидуального децентрализованного потребителя, чем газопоршневые и газотурбинные агрегаты. Она очень эффективна для комплексного производства, как электроэнергии, так и тепла для отопления и горячего водоснабжения зимой, и для абсорбционного кондиционирования и горячего водоснабжения летом. Влажно-паровая турбинная установка удобна для индивидуального потребителя еще и тем, что в отличие от когенерационных газовой турбины и газопоршневого агрегата она способна раздельно регулировать производство электроэнергии и тепла.

Учитывая востребованность в таких паросиловых установках в ООО НПП «Донские технологии» были разработаны и изготовлены влажно-паровые микротурбинные агрегаты с активной ступенью давления электрической мощностью 5 кВт и 30 кВт в составе микроэнергокомплексов (МЭК-5 и МЭК-30) [7], которые способны выдавать тепловую мощность до 70 и 400 кВт соответственно. Характеристики разработанных энергетических установок приведены в табл. 3.

распределенный энергетика микроэнергокомплекс автономный

Таблица 3. Характеристики энергетических установок.

Рабочий процесс во влажно-паровой турбине связан с фазовыми переходами от пара к конденсату. Разработанные микротурбины работают при сравнительно низких параметрах рабочего среды: температура 160⁰С, давление 0.6 МПа. В разработке учитывалось, что капли влаги при сверхзвуковых скоростях способны вызвать эрозионный износ металла рабочего колеса микротурбины. Поэтому, во-первых, скорость движения пара в турбине ограничивалась: не более 700 м/с; а, во вторых, теплоноситель лучше применять с температурой кипения 80-60 ^оС при давлении 0,1-0,06 МПа.

Конденсатор микротурбинной установки МЭК-5 и МЭК-30 является теплообменником системы отопления и ГВС. При реальном электропотреблении (0,3-0,7 кВт среднесуточно) МЭК электрической мощностью 5 кВт в климатических условиях России обеспечит 90% в отоплении индивидуального потребителя, а оставшиеся 10%, при включении пропуска пара помимо турбины в конденсатор через байпас. Альтернативная газопоршневая установка сможет обеспечить только 14,3% потребности в отоплении, не имея возможности регулировать тепловую нагрузку. Аналогичная ситуация возникает, если анализировать когенерацию на базе газотурбинных установок. К тому же, эти агрегаты работают при высоких температурах (500-800 ⁰С) и давлениях горючего газа, что является взрывоопасным.

Поддержание необходимых характеристик теплоносителей микроэнергокомплекса, системы отопления и ГВС требуют применения трех циркуляционных контуров (см. рис. 1) для систем: пароприготовления, микротурбинной установки, отопления и горячего водоснабжения.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1. Принципиальная тепловая схема микроэнергокомплекса; где 1 - вакуумные солнечные нагреватели; 2 - сепаратор пара; 3 - трехходовой клапан; 4 - влажно-паровая турбина; 5 - электрический генератор; 6 - конденсатор турбины; 7 - бойлер; 8 -тепловая сеть на отопление; 9 - тепловая сеть на горячее водоснабжение; 10 - циркуляционный насос охлаждения конденсатора турбины; 11 - питательный насос; 12 -парогенератор на органическом топливе; 13 - циркуляционный насос греющего контура.

Циркуляционный контур системы пароприготовления осуществляет подготовку влажного пара и может, частично или полностью, использовать солнечные нагреватели 1, парогенератор 12 параллельно или последовательно подключенные в циркуляционном контуре, циркуляционный насос 13 и другие вспомогательные элементы оборудования. Система пароприготовления должна: удовлетворять максимальную потребность в паре МЭК; поддерживать номинальные начальные параметры пара; иметь возможность работы как совместно (солнечные нагреватели + парогенератор), так и раздельно (солнечные нагреватели или парогенератор). Параметры системы пароприготовления по условиям прочности солнечных нагревателей: давление не более 1.7 МПа; температура 180-200 ⁰С.

Рабочий контур производства электроэнергии, в котором рабочая среда последовательно проходит сухопарник 2, влажно-паровую микротурбину 4, конденсатор 6, питательный насосы 6 и охлажденной возвращается в сухопарник. Помимо этого в этот контур входит эжектор (или вакуумный насос) для удаления газов из конденсатора и создания в нем вакуума, байпасная линия от трехходового клапана 3 для независимого регулирования тепловой нагрузки и др. Параметры в этом циркуляционном контуре: давление влажного пара перед микротурбиной 0,6 МПа, температура 160 ⁰С; давление рабочей среды за микротурбиной 0,025 - 0,06 МПа с температурой насыщения 60 - 80⁰С. Основное назначение рабочего контура - преобразование потенциальной энергии пара в механическую энергию вращения ротора турбины с дальнейшим превращением ее в электрическую энергию в генераторе 5, а также созданием условий для отбора тепловой энергии в конденсаторе микротурбины от клапана 3.

Циркуляционный контур, передающий тепловую энергию, полученную в результате конденсации пара на выходе из микротурбины, на отопление и ГВС состоит из трубных поверхностей нагрева конденсатора 6. Нагретая вода направляется в накопительную емкость (бойлер) 7, где она передает тепло теплоносителю системы отопления 8 и ГВС 9. Движение воды по контуру осуществляется с помощью циркуляционного насоса 10. Температура конденсации пара (температура насыщения) регулируется расходом охлаждающей воды и поддерживается зимой до 80 ⁰С, а летом до 60 ⁰С.

Экономичность микротурбины по производству электроэнергии мала. Поэтому МЭК на базе влажно-паровой микротурбинной установки использовать для производства только электроэнергии нецелесообразно. Оптимальная конфигурация МЭК рассчитана на его использование в схемах когенерации и тригенерации. В этом случае общий КПД (для режима когенерации) составляет не менее 80 %.

Анализ показывает, что снижение доли органического топлива можно получить при увеличении доли использовании солнечного нагрева при производстве влажного пара для микротурбинной установки. Коэффициент использования органического топлива по электрической составляющей при комбинированной выработке от традиционных (затратных на топливо) и возобновляемых источников энергии определяется по уравнению:

з_эл= 100·N_эл /(N_нагр - N_солн) %,

где N_эл - электрическая мощность микротурбинной установкой, кВт;

N_нагр - полная мощность нагревателя, складываемая из мощностей полученных за счет солнечной энергии и энергии сжигания органического топлива в котле (природного газа, дизтоплива и др.), кВт;

N_солн - тепловая мощность солнечных нагревателей, кВт.

Опытный образец микро энергетического комплекса МЭК-5 прошел предварительные стендовые испытания и передан ГОСНИИТИ (г. Москва) для отработки вариантов возможного применения в составе энерготехнологического комплекса при переработке промышленных отходов и ТКО. Опытный образец МЭК-30 находится в стадии опытной эксплуатации на Новочеркасской ГРЭС. На рис. 2 представлен испытательный стенд МЭК-30 на станции.

Рис. 2. Испытательный стенд микроэнергетического комплекса МЭК-30; где

1 - турбогенератор; 2 - конденсатор; 3 - главный паровой клапан; 4 - вакуумный насос; 5 - конденсатный насос; 6 - устройство преобразования и регулирования электроэнергии, 7 - электронные регуляторы нагрузки.

Структура, алгоритмы и параметры управления автоматизированной системы приведены в статье [8].

Выполненные расчеты экономической эффективности для использования в когерационных микро энергетических установках показывают, что рекомендуемым оптимальным вариантом на первом этапе внедрения таких установок следует использовать вакуумные солнечные коллекторы Vitosol 300 T c теплоносителем Thermagent - 65, обеспечивающих коэффициент замещения традиционного топлива К_зам?0,3. Такой коэффициент замещения, например для МЭК-5, обеспечивается коллекторами Vitosol 300 T в количестве 10 штук, которые и входили в состав опытного образца, приведенного на рис. 1.

Заключение

Проведенный анализ применения энергетических установок с турбоприводами позволяет сделать следующие выводы:

1. В последние годы в мировой практике, в том числе и в России, активно внедряются установки малой энергетики, такие как газопоршневые и газотурбинные.

2. В качестве когенерационных энергоустановок в климатических условиях Европы применяются газопоршневые и газотурбинные установки. В России лучшие показатели энергоснабжения достигаются при использовании паросиловых микроэнергокомплексов.

3. Для индивидуального автономного, децентрализованного когенерационного энергоснабжения следует применять микроэнергокомплексы электрической мощностью 5 кВт и 30 кВт и тепловой мощностью до 70 кВт и 400 кВт соответственно.

Литература

1. Энергетическая стратегия России на период до 2030 года: утв. распоряжением Правительства РФ от 13.11.2009 г. № 1715-р [Электронный ресурс]. - М.: Институт энергетической стратегии, 2009. Режим доступа: http://www.energystrategy.ru/projects/docs/ES-2030_(utv._N1715-p_13.11.09).rar

2. Кузнецова О.Р. Экономическая эффективность систем децентрализованного энергоснабжения: на примере Хабаровского края / О. Р. Кузнецова: дисc. канд. экон. наук: 08.00.05.- Комсомольск-на-Амуре, 2002. -180 с.

3. Ефимов Н.Н. Микроэнергокомплекс на базе влажно-паровой турбины /Энергосбережение. Специализированный журнал. - № 6, 2013. - С. 54-55

4. Ефимов Н.Н., Паршуков В.И. и др. Микротурбинная установка для эффективного энергоснабжения автономных индивидуальных потребителей // Изв. вузов Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. - 2013, № 1, С. 51-55.

5. СНиП 2.01.01-82 Строительная климатология.

6. Попель О.С., Фрид С.Е., Киселева С.В., Коломиец Ю.Г., Лисицкая Н.В. Климатические данные для возобновляемой энергетики (база климатических данных). Учебное пособие. - М.: ОИВТРАН. 2010. 56 С.

7. Разработка влажно-паровой микро турбинной установки для систем малой распределенной энергетики на основе комбинированного использования традиционных и возобновляемых источников энергии: отчет об ОКР (этап № 1, промежуточный) / Донские технологии; рук. Паршуков В. И.; испол.: Ефимов Н. Н., Кихтев И. М. и др. - Новочеркасск, 2012. - 320 с.

8. В. М. Горбачев, В. В. Папин, Р. В. Безуглов и др. Система автоматизированного контроля и регулирования параметров микроэнергокомплекса мощностью 5 кВт с солнечным коллектором // Научное обозрение, № 4, 2014 г., с. 122-126.

Размещено на Allbest.ru