 |
Глава 1. Классификация автономных источников тепловой и электрической энергии малой мощности
|
|
|
|
ВВЕДЕНИЕ
Сфера производства тепловой энергии является самым крупным потребителем топлива. Однако следует признать, что топливные энергетические ресурсы страны используются неэффективно. На теплоэнергетических предприятиях жилищно-коммунального хозяйства (ЖКХ), а также промышленных предприятиях фактическое потребление тепловой и электрической энергии в несколько раз выше, чем в ряде зарубежных стран на аналогичных предприятиях.
Такое положение объясняется изношенностью на 60-70 % основного оборудования источников энергоснабжения и коммуникаций для транспортировки энергоносителей к потребителям. Особенно высоки реальные тепловые потери в централизованных системах теплоснабжения, которые могут составлять 20-50 % вырабатываемой тепловой энергии в зимний период и от 30 до 70 % в летний период. При этом утечки теплоносителя превышают нормы, принятые в развитых странах в десятки раз. К этому следует добавить, что срок службы трубопроводов при плохой деаэрации сетевой воды не превышает 4 -6 лет [1].
Таким образом, в тепловых сетях теряется практически вся экономия, получаемая за счет комбинированной выработки тепловой и электрической энергии на ТЭЦ.
Сложившаяся в стране система теплоснабжения характеризуется высокой степенью централизации. В крупных городах расстояние от источника теплоснабжения до наиболее удаленных потребителей может достигать десятки километров. Активное строительство новых жилых домов и особенно проведение, так называемой уплотнительной застройки, приводят к значительному увеличению тепловых нагрузок на источник теплоснабжения. В ряде случаев имеется возможность увеличить тепловую мощность источника теплоснабжения путем его расширения, однако увеличить пропускную способность присоединенных к нему тепловых сетей не всегда возможно. В этом случае требуется перекладка труб всей системы теплоснабжения, а это связано с существенными капитальными затратами и удорожанием стоимости отпускаемой тепловой энергии.
|
|
|
Достаточно эффективным решением покрытия возрастающих энергетических нагрузок может явиться создание автономных (децентрализованных) источников энергоснабжения. Автономные источники энергоснабжения, на которых может вырабатываться как тепловая, так и электрическая энергия, могут быть максимально приближены к энергопотребляющим объектам, что существенно сокращает транспортные коммуникации энергоносителей. Такие источники энергоснабжения могут работать и на одного потребителя (отдельное здание) при этом транспортные коммуникации могут полностью отсутствовать.
Значительный интерес представляет формирование современных систем теплоснабжения на базе централизованных схем с использованием автономных (локальных) источников энергоснабжения.
Однако необходимо помнить, что повальное увлечение созданием автономных источников энергоснабжения без учета особенностей уже существующих систем энергоснабжения может иметь негативные последствия для региона.
Практика показывает, что вновь строящиеся источники энергоснабжения малой мощности практически не работают в полном автономном режиме. Руководители предприятий, добиваясь независимости от централизованных поставок энергии, в первую очередь преследуют интересы своих организаций без учета интересов региональных энергосистем. Такое положение может способствовать росту потребления топливно-энергетических ресурсов по региону в целом.
Можно согласиться с созданием автономного источника энергоснабжения при условии дефицита электрической энергии в регионе. Однако если такого дефицита нет, то ввод дополнительных мощностей автономных источников энергоснабжения может привести к снижению нагрузок базовых турбогенераторов ТЭЦ или ГРЭС региона и, как следствие, снижению их энергетических показателей и в конечном итоге к перерасходу топлива.
|
|
|
Как уже упоминалось, самым выгодным способом производства электрической энергии является выработка на тепловом потреблении, осуществляемая на ТЭЦ. Это означает, что там, где есть теплопотребитель и от автономного источника энергоснабжения производится отпуск тепловой энергии, целесообразно устанавливать электрогенерирующее оборудование для производства электрической энергии. Необходимо помнить, что электрическая энергия является более ценным видом энергии, чем тепловая.
В настоящей книге рассматривается широкий круг вопросов, связанных с выбором типа источника энергоснабжения, а также с тепловыми расчетами и выбором основного и вспомогательного оборудования самого источника энергоснабжения.
ГЛАВА 1. КЛАССИФИКАЦИЯ АВТОНОМНЫХ ИСТОЧНИКОВ ТЕПЛОВОЙ И ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ МАЛОЙ МОЩНОСТИ
Автономные источники - это источники энергоснабжения, не связанные с централизованными системами теплоснабжения и единой энергетической системой страны, предназначенные для получения тепловой и/или электрической энергии.
Автономные источники энергоснабжения можно разделить по назначению на:
─ автономные источники, вырабатывающие только тепловую энергию, это так называемые модульные котельные;
─ автономные источники, вырабатывающие как тепловую, так и электрическую энергию. Процесс одновременного производства электроэнергии и теплоты называется когенерацией, а автономные источники энергоснабжения называют когенерационными. При применении паровых турбин малой мощности такие источники называют мини-ТЭЦ;
─ автономные источники, вырабатывающие, помимо тепловой и электрической энергии, холод, называют тригенерационными источниками (тригенерационными установками).
Модульная котельная – это транспортабельная котельная контейнерного типа, предназначенная для применения в системах теплоснабжения в качестве автономного источника отопления, вентиляции, горячего водоснабжения и технологии административных, технических, бытовых и промышленных объектов, имеющая определенные ограничения по нагрузке. Модульные котельные поставляются к месту установки в максимальной заводской готовности.
|
|
|
По виду вырабатываемого теплоносителя модульные котельные можно разделить на:
─ паровые модульные котельные, с установкой паровых котлов;
─ водогрейные модульные котельные, с установкой водогрейных котлов.
Все типы водогрейных или паровых котлов работают на газообразном, жидком или твердом топливе. Особую группу составляют котлы, работающие на возобновляемых видах топлива (древесина, древесные отходы).
Тепловая мощность модульных котельных составляет:
• водогрейных - на твёрдом топливе до 8,0 МВт (6,88 Гкал/ч);
• водогрейных - на газообразном и лёгком жидком топливе (дизельное) до 6,4 МВт (5,5 Гкал/ч);
• паровых - на твёрдом топливе до 10 т пара/ч;
• паровых - на газообразном топливе до 10 т пара/ч;
• паровых - на лёгком жидком топливе (дизельное) до 10 т пара/ч;
• паровых - на тяжёлом жидком топливе (мазут) 1-10 т пара/ч.
В настоящее время широкое применение в системах тепло- электроснабжения отдельных жилых зданий (группы зданий), а также небольших промышленных предприятий, складских комплексов, крупных торговых предприятий и других объектов находят когенерационные электростанции или мини-ТЭЦ.
В некоторых случаях отсутствие источника электроэнергии или его удаленность делает создание собственной мини-ТЭЦ безальтернативным решением. В других случаях создание независимого источника, выполняющего роль резервного источника электроэнергии, позволяет освободиться от зависимости единой энергосистемы страны или снизить ее влияние.
Когенерационные электростанции (мини-ТЭЦ) классифицируют по типу применяемых электрогенерирующих установок:
─ когенерационные установки на базе паровых турбин (ПТУ);
─ когенерационные установки на базе газовых турбин (ГТУ);
|
|
|
─когенерационные установки на базе газопоршневых двигателей (ГПД) или дизельных двигателей (ДД).
Когенерационные электростанции (мини-ТЭЦ) оборудуются системой теплообменников для утилизации теплоты, отводимой от электрогенерирующих установок.
Оптимальный выбор типа электрогенерирующей установки зависит от условий, в которых она используется, включая суточную и сезонную неравномерность потребления тепловой и электрической энергии. Основными критериями выбора являются экономическая целесообразность, надежность, простота обслуживания. При выборе типа электрогенерирующей установки также необходимо учесть финансовые возможности, ограничения земельных площадей для строительства, вопросы экологии, способы доставки топлива и т.д.
Можно выделить два основных режима работы мини-ТЭЦ:
1. Полностью автономный – при котором объект полностью обеспечивается тепловой и электрической энергией от собственного автономного источника энергоснабжения. В этом случае требуется достаточный резерв в случае аварийного останова основного оборудования.
2. Частично автономный – при котором объект сохраняет связь с внешней тепловой и электрической сетью и свои потребности частично покрывает за счет отборов данных видов энергии из внешних сетей. В этом случае внешняя сеть является резервной на период проведения плановых ремонтов, и установка дополнительных резервных агрегатов может не потребоваться.
В последнее время в Российской Федерации большое внимание уделяется созданию тригенерационных энергоустановок.
В летний период при отсутствии отопительных нагрузок нагрузка ГВС не может обеспечить требуемую утилизацию теплоты, отводимую от источника энергоснабжения, вырабатывающего в этот период только электрическую энергию. В то же время могут потребоваться затраты энергии на кондиционирование производственных и административных зданий. В этом случае целесообразно в схему генерирующей установки включить холодильную машину (трансформатор теплоты).
На стадии принятия предпроектных решений о типе создаваемого автономного источника энергообеспечения и выборе основного оборудования необходимо проанализировать следующие возможные варианты.
1-й вариант. Потребителю энергоресурсов требуется только тепловая энергия для нужд отопления, вентиляции и ГВС. Электрическая энергия подводит-
ся от энергосистемы. В этом случае можно рассматривать вариант создания модульной котельной с соответствующим выбором котлов в зависимости от вида теплоносителя (вода, пар) и применяемого топлива (жидкое, газообразное или твердое). На рис.1.1 представлена блок-схема данного варианта.
|
|
|
2-й вариант. Потребителю энергоресурсов, помимо тепловой энергии для нужд отопления, вентиляции и ГВС, требуется холод. Электрическая энергия, как и в предыдущем случае, подводится от энергосистемы.
В этом варианте в качестве источника тепловой энергии можно рассматривать котельную, а в качестве источника холода – холодильную станцию с использованием парокомпрессионных или абсорбционных холодильных машин. На рис.1.2 представлена блок-схема данного варианта.
Рис.1.2. Автономный источник на базе модульной котельной и холодильной станции
3-й вариант. Данный вариант по характеру и видам энергопотребления аналогичен второму варианту. Однако в данном варианте в качестве автономного источника тепловой энергии и холода рекомендуется рассмотреть холодильную станцию с применением абсорбционной бромистолитиевой холодильной машины (АБХМ). Такие машины работают на газообразном топливе при прямом его горении в камере генератора. На рис.1.3 представлена блок-схема данного варианта.
4-й вариант. В данном варианте источник энергоресурсов не связан с энергосистемой, поэтому выработка электрической энергии должна производиться на самом источнике. Потребителю энергоресурсов, помимо электрической энергии, требуется тепловая энергия на отопление, вентиляцию и ГВС. Потребители холода отсутствуют.
В этом варианте автономным источником энергоснабжения может служить когенерационная установка на базе газовых турбин, газопоршневых двигателей, дизель-генераторов либо паровых турбин с созданием мини-ТЭЦ. В этом варианте для покрытия дефицита тепла в дни максимального теплопотребления целесообразно предусмотреть на источнике энергоснабжения установку пикового котла. На рис.1.4 представлена блок-схема данного варианта.
5-й вариант. В данном варианте потребителю энергоресурсов требуется тепловая энергия, холод и электрическая энергия. Как следует из поставленной задачи, автономный источник энергоснабжения должен создаваться как тригенерационный центр в составе когенерационной и холодильной установок. В качестве холодильной машины рекомендуется применять абсорбционную бромистолитиевую холодильную машину, работающую на выхлопных газах когенерационных установок, либо на отработавшем паре в паровой турбине мини-ТЭЦ, либо на горячей воде пиковой котельной. Кроме того, АБХМ может работать на сжигаемом в ней газе. На рис.1.5 представлена блок-схема данного варианта.
6-й вариант. Данный вариант целесообразно рассматри-
вать в том случае, когда потребитель энергоресурсов имеет надежную связь с энергосистемой при отсутствии необходимой системы топливоснабжения. В этом случае потребитель вынужден использовать электрокотлы для выработки тепловой энергии. Такое использование электрической энергии крайне не выгодно, так как себестоимость полученного тепла будет значительно выше себестоимости тепла, выработанного в автономной котельной. В этом случае для снижения стоимости тепловой энергии целесообразно применять теплонасосные установки (ТНУ). На рис. 1.6 представлена блок-схема данного варианта.
Рис.1.6. Автономный источник на базе теплонасосной установки
Как правило, создание автономного источника энергоснабжения дает экономический эффект от снижения себестоимости электрической и тепловой энергии с дополнительным эффектом за счет отказа от покупной электроэнергии.
Капитальные затраты на строительство мини-ТЭЦ составляют в среднем порядка 800 евро за 1 кВт электрической мощности. Срок окупаемости капитальных затрат от применения мини-ТЭЦ равен примерно 5-7 годам.
|
|
|
