Б.И. Басок, Д.А. Коломейко, Е.Т. Базеев – Институт технической теплофизики НАН Украины, Киев

Классификация когенерационных установок

Понятие «когенерация» появилось сравнительно недавно – его введение было обусловлено развитием новых технологий в энергетике, характеризующихся более высокой термодинамической и энергетической эффективностью [1]. В настоящей работе под этим понятием подразумевается совместное производство (комбинированная выработка) тепловой и электрической энергии в рамках одного технологического процесса и из одного первичного топлива (или сбросного энергетического ресурса).
Благодаря своим преимуществам (высокая эффективность использования топлива, автономность, децентрализация энергоснабжения, высокая маневренность и т. д.) когенерационные технологии нашли государственную поддержку и широкое распространение во многих странах Европы и СНГ. В частности, на Украине для развития этого направления энергетики принят закон «О комбинированном производстве тепловой и электрической энергии и использовании сбросного энергопотенциала», предусматривающий некоторые льготы для когенерационных производств. На 2005 год здесь было введено в эксплуатацию (или находилось в стадии сооружения) несколько десятков когенерационных установок суммарной электрической мощностью до 250...300 МВт и тепловой – до 300...350 МВт.
Нужно отметить, что в энергетике уже давно используется термин «теплофикация», который также характеризует «...централизованное теплоснабжение на базе комбинированного производства электроэнергии и теплоты на ТЭЦ». Таким образом, и когенерация, и теплофикация означают комбинированное производство электрической и тепловой энергии – в этом их сходство. В технологическом плане они отличаются типом применяемого оборудования (в когенерационных установках в качестве привода обычно используются газовые двигатели внутреннего сгорания или газовые турбины, а в последнее время для индивидуальных бытовых нужд – мини- или микротурбины).
В термодинамическом аспекте отличие связано с особенностями собственно термодинамических циклов, которые реализуются в одном случае как когенерационный цикл, в другом – как теплофикационный. Во многих когенерационных технологиях предполагается использование различных тепловых двигателей (в настоящее время это ДВС, ГТУ, но могут рассматриваться и другие двигатели – термоэлектрический, термоэмиссионный, магнитогидродинамические генераторы). Они применяются для производства электроэнергии в качестве надстроек, например котельных, паротурбинных установок, с последующей утилизацией в них сбросной теплоты надстроек и превращением таких комбинированных установок в мини-ТЭЦ или парогазовые установки. В термодинамическом цикле таких когенерациионных схем используются, как правило, два рабочих тела. Например, в надстройке применяются продукты сгорания (или плазма) с более высокой средней начальной температурой цикла – примерно 1200 °С (более 2500 °С для плазмы), а в котлах или паротурбинных установках – водяной пар с более низкой рабочей температурой – до 600 °С. Если надстраивается паросиловой цикл, то весь комбинированный цикл превращается в бинарный.
В традиционных теплофикационных установках ТЭЦ отсутствуют такие надстройки. Для производства теплоты в них используется потенциал пара, уже частично отработавшего в турбине при выработке электроэнергии. Для теплофикационных схем применяется одно рабочее тело – водяной пар.
При теплофикации выработка и отпуск электроэнергии является основной задачей, а отпуск тепла – вторичной, снижающей себестоимость производства электроэнергии. При этом экономический эффект определяется снижением потерь в конденсаторах турбин за счет утилизации остаточной эксергии рабочего тела на конечном этапе технологического процесса. Основная же цель когенерации – выработка тепловой энергии нужных параметров, по заданному графику нагрузки, а полученная электроэнергия является сопутствующим продуктом, повышающим экономичность всей установки. Экономический эффект при этом определяется снижением эксергетических потерь на первом этапе технологического процесса (за счет более полного использования эксергии продуктов сгорания).
Довольно оригинальная технология производства тепловой и электрической энергии STIG (Steam Intention Gas Turbine) и «Водолей» получила название монарной когенерации [2]. Здесь в качестве части рабочего тела используется водяной пар, подаваемый в камеру сгорания газовой турбины.
Когенерационные технологии выработки энергии имеют достаточно широкое применение – от использования в топливных элементах до идей продления ресурса атомных энергоблоков путем их надстройки газотурбинными установками. Сегодня наибольшее распространение эти технологии получили в малой, или децентрализованной энергетике, где они реализуются главным образом на основе газопоршневых или газотурбинных двигателей. Выбор типа двигателя обусловливается объемами суточной и месячной потребности каждого вида энергии для конкретного производства. Как правило, для получения электрической мощности до 5...10 МВт применяются газопоршневые двигатели-генераторы, а для мощности более 10 МВт – газовые турбины.

Основные показатели когенерационных установок

Для каждой из когенерационных установок есть свой набор показателей эффективности, который определяется с помощью энергетического аудита [3, 4].
К основным показателям энергетической эффективности можно отнести электрический, тепловой и эксергетический КПД установок, которые определяются соответственно из первых трех формул. Коэффициент использования теплоты топлива, который главным образом определяет интегральную энергоэффективность установки, определяет формула 4. Методика определения эксергетического КПД когенерационных установок представлена в работе [5].
Под показателем квалификации когенерационной установки подразумевается эффективность использования дополнительного и основного топлива (КИТ при отпуске энергии), которая должна быть не менее 42%. Причем объемы отпущенного в течение года тепла должны быть более 10% всего производства тепловой и электрической энергии.
В состав экономических показателей когенерационной установки входит наличие рынка сбыта тепловой и электрической энергии по удовлетворяющим потребителя тарифам. При определении этих показателей возникают трудности, связанные с тем, что разделить топливо, используемое на выработку разных видов энергии, довольно трудно [4]. В этом случае можно рассмотреть оценки показателей топливной эффективности в эксплуатационных режимах когенерационных установок, предложенные в [6].
К технологическим показателям можно отнести эксплуатационный показатель эффективности. Он включает в себя наличие современных систем автоматизации, возможность работы установки в различных условиях, ее чувствительность к составу газа. Показатель надежности характеризует как ресурс работы установки до капитального ремонта, так и ремонтопригодность. Надежность работы установки зависит не только от ее типа, но и от проекта, фирмы-производителя, монтажа и т. д.
Безусловный интерес вызывают экологические показатели когенерационных установок, особенно если они внедряются и эксплуатируются по совместным проектам в рамках выполнения Киотского протокола, позволяющего получать дополнительные инвестиции от других государств.

Анализ энергетической эффективности когенерации на базе газопоршневых двигателей

В связи с разнообразными вариантами суточного и месячного потребления энергии, производимой когенерационными установками, возможна реализация схемного решения на базе различного типа оборудования. На взгляд авторов, наименее затратным и менее трудоемким является когенерация на базе газопоршневого энергоблока. Подобрать красивую девушку на ночь помогут фирмы досуга Тюмени. Сексуальные девушки Тюмени уже ждут своего принца. Фирмы досуга Тюмени – это посредник между мужчиной и девушкой, которые хотят завести интимные знакомства, при этом обеспечивая всем полную защиту и конфиденциальность. Когенерация на базе газопоршневого двигателя (ГПД) может быть реализована с использованием низкокалорийного горючего газа, например шахтного метана, биогаза, технологического газа металлургических производств, попутного нефтяного газа и т. п.
Для сравнительного анализа были взяты установки с электрической мощностью, близкой к 1 МВт.
К сожалению, производитель когенерационных установок ОАО «Первомайскдизельмаш» не выпускает газопоршневые агрегаты мощностью, близкой к 1 МВт. Но при эксергетическом анализе диапазон мощностей существенно не влияет на результат.
Как видно из результатов анализа, энергетическая эффективность установок зарубежных производителей находится в одном диапазоне. Различие в эффективности работы отечественных и зарубежных установок можно объяснить наличием у последних современных дорогостоящих систем АСУ ТП. Они позволяют не только оптимизировать процессы генерации энергии, но и управлять установкой на расстоянии. Кроме того, АСУ ТП объединяет несколько установок в один энергетический объект, что существенно снижает затраты топлива и увеличивает срок службы оборудования.

Анализ энергетической эффективности различных схемных решений когенерации

При анализе энергетической эффективности были рассмотрены эксплуатирующиеся объекты малой энергетики - пять когенерационных установок, а также типовая ТЭЦ в г. Лучанске.
Первый объект – это установка на симферопольском заводе «Фиолент». Электрическая мощность, потребляемая предприятием, составляет 1030 кВт, тепловая мощность контура охлаждения двигателя – 400 кВт. Тепловой потенциал пара, вырабатываемого за счет утилизации выхлопных газов ГПД, – 477 кВт. Тепловая схема установки представлена в [7].
Электрическая мощность установки на Гостомельском стеклозаводе Киевской обл. составила 1000 кВт, тепловая – 1250 кВт в виде горячей воды с температурой 80 °С. Более подробно эта установка описана в работе [5].
Третьим объектом исследования был геотермальный когенерационный модуль в с. Медведевка. Установка имеет электрическую мощность 60 кВт, а тепловую – 225 кВт [8]. Четвертой стала энергоустановка UGT16000C на Рубежанском комбинате электрической мощностью 14,5 МВт, тепловой – 27 МВт.
Пятой была рассмотрена бинарная установка производства СНПО [9], в схеме которой использованы две турбины – газовая и турбина на низкокипящем рабочем теле (ТНРТ). В этой установке выхлопные газы после ГТУ, а также теплота контура охлаждения турбины поступают в утилизационный теплообменник. Затем теплоноситель направляется в теплообменник перегрева пентана, где происходит перегрев жидкого n-пентана, и далее пар n-пентана поступает в ТНРТ. Часть тепла после теплообменника идет потребителю. Суммарная электрическая мощность обеих турбин составляет 20 МВт [9]. Установка может работать при выключенной ТНРТ – в этом случае потребителю поступает вся тепловая энергия после ГТУ (25 МВт), но электрическая мощность установки снижается при этом до 16 МВт.
Для сравнения энергетических показателей была также проанализирована малая типовая ТЭЦ, которая обеспечивает технологические нужды Лучанского сахарозавода. В состав ТЭЦ входит паровая турбина типа Р-6-35-5, три паровых котла типа «Тампелла-Карлсон» (производительность пара - 25 т/ч, давление – 3,9 МПа, температура – 400 °С) и один паровой котел БМ-35М. Электрическая мощность ТЭЦ составляет 3,8 МВт, тепловая – 34 МВт.
При расчете показателей энергетической эффективности была использована методика, предложенная в [5].
Из результатов следует, что наиболее эффективной с точки зрения эксергетического показателя является когенерационная установка на базе газового двигателя внутреннего сгорания, работающая на Гостомельском стеклозаводе. Это связано с более высоким термическим КПД газопоршневых двигателей (по сравнению с подобными схемами, работающими на базе ГТУ), а также с потерями эксергии в камере сгорания ГТУ. Применение общей системы утилизации выхлопных газов и системы охлаждения двигателя дало существенный выигрыш в эксергетическом КПД.
Геотермальная когенерационная установка, реализованная в с. Медведевка, имеет низкие показатели энергетической эффективности – это связано с малой мощностью установки и невозможностью глубокой утилизации.
Но особенность состоит в том, что она работает на газе-метане, растворенном в геотермальной воде. Когенерационная установка с пентановым рабочим циклом обладает достаточно высоким эксергетическим КПД и может быть реализована там, где потребность в тепловой мощности меняется.
Приведенный анализ показал, что рассмотренные когенерационные схемы совместного производства тепловой и электрической энергии, реализованные главным образом на базе газопоршневых двигателей, являются достаточно эффективными технологиями генерации энергии. В связи с этим они могут быть востребованы рынком для автономного энергоснабжения различных производств и, безусловно, для децентрализованного муниципального теплоэлектроснабжения.

Использованная литература

1.    Шпильрайн Э.Э. К вопросу о термодинамике получения низкопотенциального тепла//Теплоэнергетика. 1998, № 9. С. 20-23
2.    Любчик Г.М., Варламов Г.Б., Маляренко В.А. Теплоенергетичнi установки та екологiчнi аспекти виробництва енергii. К.: IВЦ «Полiтехшка». 2003. – 232 с.
3.    Клименко В.Н., Сабашук П.П., Клименко Ю.Г. и др. Энергетические характеристики когенерационной установки на частичных тепловых нагрузках//Промышленная теплотехника. 1997, № 3. С. 51-56
4.    Клименко В.Н. Проблемы когенерационных технологий в Украине // Промышленная теплотехника. 2001, № 4-5. С. 106-110
5.    Коломейко Д.А., Корнеев И.Ю. Анализ энергетической эффективности когенерационной установки фирмы Wilson типа PG1250B // Промышленная теплотехника – 2005, №3
6.    Андрющенко А.И., Семенов Б.А. Система по¬казателей для оценки топливной эффективности эксплуатационных режимов ТЭЦ //Промышленная энергетика. 2005, № 12. С. 2-7.
7.    Коломейко Д.А. Термодинамический цикл когенерационной установки TEDOM серии QUANTO//Промышленная теплотехника. 2004, Мб. С. 62-64
8.    Долинский А.А., Шурчков А.В., Резакова Т.А. Геотермальные когенерационные установки для автономного электро- и теплоснабжения //Промышленная теплотехника – 2004, №3. С. 62-67
9.    Бухолдин Ю.С., Олиференко В.М., Парафей-ник В.П., Сухоставец СВ., Теплоэнергетические и энергоутилизационные установки конструкции ОАО «Сумское НПО им. М.В. Фрунзе»/Тезисы 1 Международной конференции «Когенерация в промышленности и коммунальной энергетике», 18-20 октября 2004 г. Киев. 2004. С. 174-175.