Е.Н. Елисеев – Консалтинговая компания «Локальные энергетические решения»

В последнее время появляется все больше объектов, подключение которых к централизованной системе энергоснабжения неэффективно и экономически невыгодно. Необходимо искать альтернативные пути в решении вопросов энергоснабжения, которые позволят избежать проблем традиционной энергетики, таких как низкое качество электроэнергии, неразвитость коммуникаций, перебои в электроснабжении и т.д.

В мировой энергетике накоплен большой опыт эксплуатации автономных источников тепловой и электрической энергии, которые обеспечивают прочную технологическую связь между производством электрической, тепловой и охлаждающей энергии.
Переход на локальные газовые электростанции – это прогрессивное решение проблемы энергоснабжения, сокращение сроков ввода новых мощностей и расходов на строительство ЛЭП, уход от неэффективного инвестирования крупных долгосрочных проектов. Выбор природного газа в качестве энергоносителя для двигателей оправдывается его приемлемой ценой на внутреннем рынке, к тому же он обладает существенным экологическим преимуществом по отношению к твердым и жидким топливам.

Описание энергообъекта

Автономный энергетический блок, используя природный газ, обеспечивает электрической, тепловой и охлаждающей энергией в течение всего года Деловой центр ООО «Мострансгаз» площадью 105000 м² (далее Комплекс), состоит из нескольких объектов различного назначения, строительство которых велось поэтапно: первая очередь 46000 м²; вторая – 36000 м²; третья – 23000 м².
На основании предварительного анализа максимальной электрической нагрузки и максимального суточного потребления тепловой и охлаждающей энергии Комплекса и при условии обеспечения надежного резерва у источника энергии ~30% в энергоблоке смонтировано следующее оборудование:
•    4 газопоршневые установки электрической мощностью по 1,4 МВт, тепловой – 1,7 МВт;
•    3 газовых котла фирмы DanStoker (Дания) тепловой мощностью по 9 МВт;
•    3 абсорбционные охладительные машины фирмы Carrier (США) мощностью по 0,67 МВт.
Энергетические модули общей электрической мощностью 5,6 МВт находятся в рабочем режиме в зависимости от нужд потребителей Комплекса.
В состав каждого модуля входит:
•    газопоршневой двигатель JMS 616 GS-N.L (фирма Jenbacher);
•    генератор переменного тока (фирма AVK, Германия);
•    теплообменник для охлаждающей воды;
•    охладитель смазочного масла; водогрейный теплообменник выхлопных газов;
•    распределительные, командные и энергетические шкафы с автоматикой для синхронизации и параллельной работы с внешней распределительной сетью.
Во время работы двигатель охлаждается через теплообменники водой, нагревая теплом (от водяной рубашки) сетевую воду от 70 °С до 90 °С. Выхлопные газы выходят из двигателя с температурой 450 °С. Далее сетевая вода нагревается в теплообменнике от 90 °С до 110 °С.
Предусмотрена возможность выброса выхлопных газов в атмосферу, минуя теплообменник, через боковой газоход. Таким образом, кроме электрической энергии, модуль производит и тепловую энергию. Общая степень использования энергии выхлопных газов превышает 86%, то есть из 1 м³ природного газа получается 3,67 кВт (38,7%) электрической энергии и 4,49 кВт (47,2%) тепловой.
Одновременное производство электрической и тепловой энергии повышает общую эффективность энергетического цикла.

Эксплуатация системы

Энергоблок работает по технологии тригенерации – производство электрической, тепловой, а также охлаждающей энергии для кондиционирования Комплекса – путем введения абсорбционной охладительной машины в общую технологическую систему и использования рекуперированной тепловой энергии энергетических модулей.
Энергоблок обеспечивает:
•    подготовку горячей санитарной воды с циркуляцией; гигиеническую обработку питьевой воды;
•    подачу питьевой воды и поддержание давления в сети; подачу пожарной воды и поддержание давления в сети;
•    химическую подготовку воды для теплокондиционных систем комплекса.
Модули, в зависимости от нужд потребителя, могут работать в трех разных режимах:
•    работа от внешнего источника (генераторы выключены);
•    автономная работа в присутствии городской сети (генераторы синхронизированы с городской сетью);
•    параллельная работа с городской сетью – из сети берется минимальное (заданное) количество электроэнергии.

Эксплуатация в холодное время года

Как уже было отмечено, модули находятся в рабочем режиме в зависимости от нужд потребителей и одновременно обеспечивают соразмерную рекуперированную тепловую мощность для отопления, вентиляции и подготовки горячей санитарной воды. Максимальное потребление тепла при этом (наружная температура минус 26 °С и коэффициент одновременной работы 0,85) составляет 19,9 МВт.
При наружной температуре 10...13 °С котельная находится в нерабочем режиме, так как рекуперированная тепловая энергия газовых двигателей обеспечивает достаточно тепла для потребителей. Если во время ночной работы установки тепловой энергии достаточно (при условии повышения аккумуляции) для подготовки санитарной воды, время подключения первого котла при наружной температуре 10 °С можно сместить.
При температуре ниже минус 9 °С в рабочий режим включается и второй котел, обеспечивая тепловую мощность для максимального потребления всего Комплекса. Третий котел является аварийным резервом.

Эксплуатация в теплое время года

Потребление газа одним модулем при максимальной часовой нагрузке составляет 386 м3. При этом происходит трансформация механической энергии газового двигателя через генератор в 1417 кВт•ч электроэнергии. Одновременно рекуперированная тепловая энергия, полученная при охлаждении двигателя и выхлопных газов (1732 кВт•ч), используется для подготовки 10 м³/ч санитарной воды температурой 65 °С и для работы абсорбционной машины охлаждающей мощностью 679 кВт.
Косвенно охладительная машина, используя рекуперированное тепло двигателя, обеспечивает экономию 220 кВт•ч электроэнергии (количество, необходимое для работы соответствующего охладительного компрессора).
Таким образом, 1000 кВт•ч рекуперированной тепловой энергии газового двигателя, которая превращается в 670 кВт•ч охлаждающей энергии, условно снижает потребление электроэнергии на 220 кВт•ч.

Энергетический баланс

Комплекс эксплуатируется с полностью автономным производством необходимой тепловой, охлаждающей и электрической энергии. Для определения энергетического баланса приведены данные о производстве электроэнергии по месяцам в течение года и диаграмма суточной электрической нагрузки. Определено потребление электроэнергии:
•    общегодовое – 11757,9 МВт•ч;
•    среднесуточное – 32,2 МВт•ч;
•    среднесуточное в рабочий день – 36,6 МВт•ч;
•    максимальное в рабочий день – 44,8 МВт•ч.
На основании показателей суточной электрической нагрузки среднего рабочего дня при эксплуатации Комплекса (с соответствующей диаграммой производства электрической и сопутствующей тепловой энергией) определены исходные данные для достижения энергетического баланса.
Пик потребления электроэнергии приходится на 10 часов и составляет 3,5 МВт, что на 18% меньше предполагаемой величины. Интенсивная работа установок в пиковом режиме (с 9:30 до 12 часов) демонстрирует необходимую проектную надежность автономной работы энергоблока – при постоянной рабочей готовности трех модулей.
Потребление тепловой энергии во всем Комплексе рассчитано на базе среднесуточных температур атмосферного воздуха и суточного цикла работы теплотехнических установок, за вычетом потерь тепла, определенных из соотношения рабочих и нерабочих дней в течение года и составляет 70% средней электрической нагрузки.
Потребление тепла в летний период определяется исходя из потребности санитарной воды и подготовки холодной воды для установок кондиционирования.
Половину необходимого тепла обеспечивает котельная и половину – энергия рекуперации тепла от газопоршневых двигателей.
Одновременно отмечается высокая степень использования энергии рекуперации на годовом уровне – при 6% неиспользованной тепловой энергии.
В летний период увеличить мощность охлаждения можно за счет аккумулирования ночного тепла в виде горячей санитарной воды. Для этого можно построить дополнительные первичные резервуары – аккумуляторы теплой воды от охлаждения газопоршневых двигателей и выхлопных газов.
Исходными данными для оценки экономичности работы модулей являются стоимость природного газа и стоимость электроэнергии из распределительной сети пользователей.

Заключение

На основании анализа результатов эксплуатации мини-ТЭЦ можно сказать, что она отвечает самым жестким требованиям к современным теплоэнергетическим коммуникациям и устройствам.
Высокий уровень коэффициента полезного действия при обеспечении тепловой, охлаждающей и электрической энергией, которая составляет 85% потенциальной энергии природного газа, обеспечивается высоким процентом использования рекуперированной тепловой энергии.
В зимний период эксплуатации 38% тепла, используемого Комплексом, обеспечивается рекуперированной энергией газопоршневых двигателей, годовой уровень которой составляет 50%.
Строгую технологическую последовательность в производстве электрической, тепловой и охлаждающей энергии обеспечивает абсорбционная охладительная машина, которая трансформирует рекуперированную энергию газопоршневого двигателя в охлаждающую энергию, не повышая потребления электроэнергии.
Экономия капиталовложений в производство электрической энергии с применением газопоршневых двигателей соразмерна разнице в цене электроэнергии из энергосистемы и энергетических модулей, а также в количестве использованной тепловой энергии рекуперации и количестве рабочих часов в течение года.
Затраты, необходимые для строительства собственного энергоблока, значительно ниже, чем затраты на подключение к городским сетям тепло- и электроснабжения. При этом обеспечивается полная автономия его работы и высокий КПД использования энергии.
Проект по использованию когенерационных установок на базе газопоршневых двигателей для энергоснабжения Делового центра ООО «Мострансгаз» можно признать успешным.
Таким образом, при строительстве объектов в районах с неразвитой сетевой структурой в случае необходимости увеличения энергоснабжения существующих промышленных и социальных объектов и т. д. рекомендуется проводить сравнительный анализ вариантов подключения к централизованным сетям и вариантов строительства собственных автономных источников энергии.