Создание оптимальных проектных решений при использовании комбинированной генерации различных видов энергии

Размещено на http://www.allbest.ru/

CОЗДАНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ ПРОЕКТНЫХ РЕШЕНИЙ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ КОМБИНИРОВАННОЙ ГЕНЕРАЦИИ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ ЭНЕРГИИ

Малая Э.М., Николаева Е.И.

Малая Элла Максовна, кандидат технических наук, доцент кафедры «Теплогазоснабжение и вентиляция». Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.», Саратов, Российская Федерация, тел.:+7(8452)23-09-59;

Николаева Евгения Игоревна, студент кафедры «Теплогазоснабжение и вентиляция». Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.», Саратов, Российская Федерация, тел.:+7(919)836-06-56; e-mail: zhenkanikolaeva@mail.ru

Рассмотрены основные проектные решения использования комбинированной генерации различных видов энергии - когенерации. Когенерация представляет собой оптимальный способ обеспечения и теплом и электрической энергией.

Ключевые слова: электрическая энергия, тепловая энергия, когенерация, дизельные когенераторы, газотурбинная установка, парогазотурбинная установка, газопоршневая установка.

когенерация тепло энергия электрический

CREATING OPTIMAL DESIGN DECISIONS WHEN USING COMBINED GENERATION OF DIFFERENT TYPES OF ENERGY.

Malaya E.M., Nikolaeva E.I.

Small Ella Maxova, candidate of technical Sciences, associate Professor of Department "heat and gas supply and ventilation". Federal state budgetary institution of higher education" Saratov state technical University named after Gagarin", Saratov, Russian Federation, tel.:+7(8452);

Evgenia I. Nikolaeva, student of the Department "heat and gas supply and ventilation". Federal state budgetary educational institution of higher professional education "Saratov state technical University named after Y. A. Gagarin", Saratov, Russian Federation phone:+7(919)836-06-56; e-mail: zhenkanikolaeva@mail.ru

The main design solutions for the use of combined generation of different types of energy - cogeneration-are considered. Cogeneration is the best way to provide both heat and electricity

Keywords: electric energy, thermal energy, cogeneration, diesel cogenerators, gas turbine installation, steam and gas turbine installation, gas piston installation.

Дефицит недорогой и качественной электрической и тепловой энергии - одна из главных проблем современной экономики. Неэффективный и устаревший процесс централизованного производства самой энергии усложняется проблемами ее транспортировки, что приводит к ее значительному удорожанию.

Термин «когенерация» обозначает комбинированную генерацию различных видов энергии. В техническом отношении, когенерация представляет собой процесс, при котором тепло и электричество вырабатываются одновременно в особом устройстве, называемым «когенератор».

Когенерация представляет собой оптимальный способ обеспечения и теплом и электрической энергией. Принцип когенерации лежит в основе различных современных технических решений.

Собственное производство энергии снижает ее стоимость, одновременно повышая надежность и качество. Наибольшая экономическая эффективность достигается при комбинированном производстве электрической и тепловой энергии с помощью так называемых когенерационных установок, где генератор, приводимый в движение силовыми агрегатами, вырабатывает электрическую энергию, а теплота получается из выхлопных газов и системы охлаждения, что позволяет в разы снизить себестоимость энергии по сравнению с раздельной генерацией энергии.

В качестве силового агрегата для когенерационных установок небольшой мощности применяются поршневые двигатели внутреннего сгорания, работающие как на жидком, так и на газообразном топливе. С точки зрения капитальных затрат наиболее дешевыми являются дизельные когенераторы.

Однако из-за дороговизны солярки, большего расхода масла и высоких эксплуатационных затрат себестоимость вырабатываемой ими электроэнергии оказывается выше чем у газовых установок.

Основные области применения и перспективные отрасли промышлености, в которых возможно эффективное внедрение данной разработки, оценка рынка.

Техническое описание, содержащее основные принципы технологии.

Использование сжиженного углеводородного газа в качестве топлива для когенераторов имеет ряд неоспоримых преимуществ:

- нет необходимости в магистральных газопроводах, а значит, есть возможность быстрого введения в эксплуатацию практически в любом доступном для автомобильного транспорта (газовозов) месте;

- высокая экологичность -- возможность установки в местах, где проводится строгий экологический контроль;

- низкий уровень шума, безопасность оборудования, отсутствие специфического запаха дизельного топлива, сажи в отработанных газах, обеспечивают установку непосредственно вблизи жилых объектов без ущерба для комфортности;

- длительность автономности определяется только объемом хранилища СУГ;

- быстрое и гибкое наращивание мощностей за счет модульной системы всего ассортимента оборудования СУГ.

Преимущества когенерации

Главным преимуществом технологии когенерации является эффективность топливоиспользования, недостижимая при раздельном производстве тепловой и электрической энергии. КПД электростанций составляет от 30 до 50% (остальная часть энергии первичного топлива теряется в виде неиспользуемого тепла). КПД котельной в среднем составляет около 80%. Таким образом, полный КПД системы с раздельным производством тепла и электричества находится в пределах 55-65%. При этом для когенерационных установок (их также называют мини-ТЭЦ или когенераторами), где наряду с генерацией электрической энергии осуществляется утилизация тепла, полный КПД может достигать 90%.

В течение последних трех десятилетий задача экономии энергоресурсов является приоритетной для многих стран. С этой точки зрения дополнительным преимуществом когенерационных установок является возможность использования в них как природного газа, так и других газообразных топлив характеристики, в которых различаются в весьма широком диапазоне (пропан, бутан, ПНГ, газы химической промышленности, древесный газ, биогаз, пиролизный газ и т.д.). Современный уровень развития технологии позволяет выбрать подходящий тип когенерационной установки для работы на местном газообразном топливе.

Существуют также когенерационные установки, работающие на жидком и твердом топливе.

С автономностью когенерационных систем и возможностью их установки в непосредственной близости от потребителя связаны такие преимущества, как надежность энергоснабжения, отсутствие затрат на подключение к сетям, отсутствие потерь энергии, весьма значительных при ее передаче на большие расстояния в централизованных сетях.

Также следует отметить высокое качество электрической (стабильность частоты и напряжения) и тепловой (стабильность температуры) энергии, вырабатываемой когенерационными установками. Из преимуществ энергоэффективности и гибкости технологии когенерации напрямую вытекает высокий экономический потенциал автономных систем энергоснабжения на базе когенерационных установок. По ряду оценок, сделанных применительно к российским условиям, рационально спроектированная система когенерации позволяет добиться сокращения затрат на энергию приблизительно в 7 по сравнению со стоимостью электричества и тепла от централизованных сетей энергоснабжения. Это в свою очередь, означает существенное снижение себестоимости продукции или услуг в целом. Окупаемость такого рода проектов составляет в среднем от 3 до 6 лет.

По своим экологическим характеристикам когенерационные установки соответствуют требованиям сегодняшнего дня. Основным же их преимуществом с точки зрения экологии является то, что повышенная эффективность использования первичного топлива в когенераторах позволяет снизить выбросы вредных веществ в атмосферу в 2- 3 раза по сравнению с использованием традиционных энерготехнологий, основанных на раздельном производстве тепла и электричества.

Помимо перечисленного набора общих «плюсов» когенерации, существует также ряд специфических факторов, повышающих привлекательность данной технологии в условиях России. Главные из них -- это: кризис централизованной энергетики, изношенность оборудования, высокая частота аварий и перегруженность сетей тепло- и электроснабжения; рост тарифов на электроэнергию и тепло; высокая стоимость подключения к сетям, сопоставимая с затратами на сооружение мини-ТЭЦ (к тому же подключение доступно не везде, и даже там, где оно доступно, решение этого вопроса нередко занимает длительное время); необходимость освоения удаленных регионов, не охваченных сетями централизованного энергосбережения.

При этом когенерация -- относительно новая для России технология. Только в последнее десятилетие в нашей стране стал наблюдаться серьезный интерес к проектам мини-ТЭЦ, тогда как опыт использования этой технологии на Западе составляет порядка 25 лет.

Основные принципы реализации и виды когенерационных систем

Основными компонентами любой системы когенерации являются:

- первичный двигатель;

- электрогенератор;

- система утилизации тепла.

Тип первичного двигателя -- базовый признак, по которому классифицируются системы когенерации. В настоящее время распространены следующие виды когенерационных установок:

- газотурбинные;

- газопоршневые;

- микротурбинные.

В газотурбинных мини-ТЭЦ роль первичного двигателя (привода электрогенератора) выполняет газовая турбина (ГТ). Установки данного типа используются преимущественно для обеспечения энергетических нужд крупных промышленных потребителей; их применение целесообразно в диапазоне мощностей от 6 МВт и выше.

Недостатками малых ТЭЦ с газотурбинными двигателями являются довольно низкий электрический КПД (около 30%)'И высокий расход топлива. Дополнительные расходы связаны с необходимостью подавать топливный газ под высоким давлением (для газотурбинной электростанции мощностью 2,5 МВт оно составляет 10-12 кгс/см2; для более мощных установок этот показатель выше). Значительны эксплуатационные затраты (техническое обслуживание).

К достоинствам данного оборудования следует отнести способность работать на различном топливе, в том числе на мазуте, относительно небольшой удельный вес, высокий потенциал утилизируемого тепла. Благодаря последнему свойству ГТУ предпочтительнее там, где на выходе требуется пар.

К разновидности газотурбинных установок следует отнести паровые турбины, утилизирующие пар от уже действующих котлов.

Для получения электрической энергии с наиболее эффективным использованием топлива разработаны комбинированные парогазотурбинные установки. В них тепло выхлопных газов газотурбинного двигателя утилизируется в паровом котле, а пар приводит в движение отдельно стоящую турбину с собственным электрогенератором.

Эффективными мощностями, на которых имеет смысл использовать паровые турбины, является диапазон 5-25 МВт. В нем преимущества паровой турбины -- высокая производительность, гибкость по отношению к типу сжигаемого топлива, длительный срок службы, -- проявляются наиболее ярко. Впрочем, недостатков тоже хватает: длительный период запуска, большие начальные капиталовложения, дисбаланс производства тепла и электроэнергии, высокий порог эффективного применения.

В газопоршневых мини-ТЭЦ приводом электрогенератора служит поршневой ДВС на газообразном топливе. На сегодняшний день этот тип установок является наиболее распространенным.

Основной вид топлива для газопоршневых установок -- природный газ. Также в газовых ДВС могут использоваться альтернативные виды газообразного топлива, как высококалорийные (пропан-бутановые смеси), так и газы с низкой и средней теплотворной способностью (древесный, пиролизный, коксовый, попутный нефтяной, биогаз и т. д.). Многие виды газопоршневых когенерационных установок допускают перенастройку с одного вида газового топлива на другой.

Газопоршневые установки характеризуются высокой эффективностью топливоиспользования (общий КПД может достигать 90%).

Микротурбинные когенераторы представляют собой новейший тип когенерационных установок, в которых выработка тепла и электроэнергии осуществляется газотурбинным генератором малой мощности (25-300 кВт).

Основное преимущество микротурбинных когенерационных установок - возможность работы с переменной нагрузкой в диапазоне от 0 до 100% без сокращения ресурса. Также микротурбинные установки характеризуются низким уровнем шума при работе и хорошими экологическими показателями, что делает возможным их использование в жилых районах. Общий КПД микротурбинных когенераторов составляет 85-90%.

Основным недостатком микротурбинных установок по сравнению с газопоршневыми является их высокая удельная стоимость.

Выбор установки

Мини-ТЭЦ на базе газового двигателя должна покрывать приблизительно 30-50% максимальной ежегодной потребности предприятия в тепловой энергии. Остальная тепловая нагрузка обеспечивается пиковыми водогрейными котлами.

Более полное использование энергии первичного топлива в когенераиионных системах -- основной фактор, относящий когенерацию к числу перспективных технологических направлений 8 энергетике, отвечающих требованиям стратегической задачи ресурсосбережения.

Список литературы

1. Городские и поселковые системы теплоснабжения: учеб. пособие / сост. Э.М. Малая, Н.Н. Осипова, С.Г. Культяев. Саратов, 2018. С. 160.

2. Энергосберегающие системы теплоснабжения крупных городов: меж. Вуз. Научный сборник/ сост. Э.М. Малая, С.А. Сергеева. Саратов, 2001.С. 33.

3. Энергоснабжение в системах теплоснабжения: учеб. пособие / сост. Э.М. Малая. Саратов, 1999. С. 95.

Размещено на Allbest.ru