Сравнение различных вариантов мини-ТЭЦ
Среди ассортимента мини-оборудования, вырабатывающего электроэнергию из природного газа, можно выделить электростанции двух типов: газопоршневые установки малой мощности (ГПУ) и газотурбинные машины (ГТУ). И первые, и вторые установки имеют свои плюсы и минусы. В табл. 8 оцениваются технические характеристики данных установок.
Таблица 8 – Сравнение особенностей газопоршневые установки малой мощности (ГПУ) и газотурбинной машины (ГТУ)
| Параметр | ГПУ (поршневые) | ГТУ (турбинные) |
| Площадь под размещение объекта | Двольнобольшие размеры, монтаж в контейнерах на специально подготовленной площадке | Меньшая возможность монтажа на крышах зданий |
| Стоимость за кВт мощности | 400-600 долл. | 1000-1400 долл. |
| Экономичность общая по теплоте электричеству, КПД с когенерацией | Высокая (до 85 %) | Высокая (до 85 %) |
| Экономичность на кВт КПД по электричеству | Высокая 40-47 % | Низкая 17-36 % |
| Стоимость обслуживания | Нормальная | Низкая |
| Удобство использования | Нормальная | Высокая |
| Мобильность на нагрузку | Нормальная (15-110 %) | Высокая (25-110 %) |
| Быстрая загрузка | Нормальная | Нормальная |
| Наброс нагрузки | Высокая | Высокая |
| Наработка на отказ | 40-100 тыс. часов | 30-60 тыс. часов |
| Соотношение электричество/теплота | 1/1,5 | 1/2,5 |
| Требования к газу | Низкое (возможно бытовое давление меньше 10 мбар) | Высокое среднее давление порядка 16,2 бар |
| Экологичность | Высокая | Высокая |
| Шумность | Нормальная | Низкая |
|
|
|
Из сравнения параметров можно сделать вывод, что газотурбинное оборудование подходит к ситуации с ограниченной площадью, которую можно выделить для его размещения. Так как оно отличается низким уровнем шума, то это хорошее решение для районов с высокой плотностью застройки. Станции данного типа отлично вписываются в инфраструктуру небольших предприятий, изолированных цехов, коммерческих объектов, где каждый квадратный метр на счёту, а иногда и на виду.
Газопоршневые мини-ТЭС могут работать с минимальным шумом, если установить на них дополнительные глушители. Но это не поможет избавиться от низкочастотной вибрации. Так что подобное оборудование не устанавливают на крышах строений, как это бывает с установками типа микротурбин. В то же время высокий уровень экономичности газопоршневых электростанций на газу, позволяет монтировать её в любой части объекта, включая проходные помещения.
Есть разница в работе этих источников энергии, которая заключается в том, что газопоршневые машины более ориентированы на производство электричества, а от ГТУ можно получить больше теплоты. Вторые демонстрируют значительную гибкость, когда работают с низкой нагрузкой (до 2 %). Однако есть возможность установить на ГПУ современные топливные системы. И тогда их гибкость на низких нагрузках возрастает (15 % максимум).
|
|
|
Эксплуатация при таких условиях влечёт за собой ухудшение КПД. Это чревато увеличением стоимости кВт/часа электроэнергии, а у турбин все выбрасывается на тепловой хвост. Таким образом, перенаправление работы, особенно электростанции на сжиженном газе, в нецелевое русло с целью сэкономить на оборудовании является нерациональным как с финансовой, так и с технической точки зрения. В первом случае наблюдается увеличение платы за электроэнергию, во втором – сокращение эксплуатационного срока оборудования.
Количество пусков: газопоршневой двигатель может запускаться и останавливаться неограниченное число раз, что не влияет на общий моторесурс двигателя. 100 пусков газовой турбины уменьшают её ресурс на 500 часов.
Время запуска: время до принятия нагрузки после старта составляет у газовой турбины 15-17 минут, у газопоршневого двигателя – 2-3 минуты.
Наивысший электрический КПД – до 30 % ‒ у газовой турбины, и более 40 % у газопоршневого двигателя достигается при работе под 100 %-ной нагрузкой (рис. 46). При снижении нагрузки до 50 %, электрический КПД газовой турбины снижается почти в 3 раза. Для газопоршневого двигателя такое же изменение режима нагрузки практически не влияет ни на общий, ни на электрический КПД
|
|
|
Графики наглядно показывают – газовые двигатели имеют высокий электрический КПД, который практически не изменяется в диапазоне нагрузки 50 – 100 %.
Рис.46 – Графики зависимости КПД от нагрузки.
Отмечается, что малая ГТУ значительно дороже, чем миниэлектростанция. Высокая стоимость оборудования и ограниченность выбора объясняется тем, что такие установки выпускает меньшее число производителей, отдельные детали и запчасти стоят недёшево сами по себе, за счёт чего увеличивается и стоимость установки в целом.
Газопоршневые машины чаще требуют выполнения технического обслуживания. Например, в них нужно довольно часто менять масла и фильтры. Но такой нюанс можно компенсировать, если установить на оборудование дополнительно системы, которые будут выполнять долив и очистку масла. В таком случае возрастёт период времени между обслуживанием. В среднем, он может составлять около 3000 часов, то есть оно производится один раз в квартал. В целом же ресурс ГПУ считается немного большим, чем у ГТУ.
|
|
|
Если миниэлектростанция на газе ориентирована на выработку электричества, мини-турбины будут проигрывать, так как выделяют больше теплоты. Но этот недостаток исправим. Для этого оборудование дополняют паровой турбиной (для блоков большой мощности от десятков МВт). Другие нюансы и у ГПУ, и у ГТУ также можно компенсировать.
Например, для уменьшения высокого давления газа на выходе, свойственного для микротурбин, устанавливают дожимные компрессора особого типа. Однако есть и у одного, и у второго оборудования недостатки, которые невозможно устранить. Для микротурбин это высокая стоимость, а для ГПУ – большие размеры и низкочастотные вибрации, что предопределяет ограничения при поиске места для их размещения.
Преимущества перед дизельными двигателями Основное преимущество газопоршневых двигателей перед дизельными – более дешёвое топливо. Значительная разница в цене отражена в диаграммах на рис. 14. Даже при использовании в качестве резервного топлива газовой смеси пропан-бутан, стоимость единицы электрической энергии, произведённой на газопоршневой установке, в 1,3 раза меньше, чем на дизельной.
Рис.47 – Сравнение затрат на топливо.
В целом ГПУ окупаются быстрее, не зависимо от того какая мощность электростанции. Но при условии, что достаточно площади для установки такого оборудования. Микротурбины же находят своё применение в городских районах с плотной застройкой.
Другое важное преимущество перед дизельными установками - экологическая безопасность, например, уровень выбросов NOx в 3 раза меньше (рис.15).
Рис. 48 – Уровень вредных выбросов
Применение ГПА в составе мини-ТЭЦ может быть рационально в следующих случаях:
‒ на предприятиях, имеющих технологическую потребность в тепловой энергии в виде пара (до 10-12 бар и 180-200 ºС) и горячей воды круглый год;
‒ предприятиях, имеющих технологическую потребность в холоде круглый год;
‒ в отопительных и промышленно-отопительных котельных для покрытия собственных нужд по электроэнергии и частично (полностью) тепловой нагрузки горячего водоснабжения;
‒ на газодобывающих предприятиях для использования остаточного низконапорного газа, который экономически невыгодно транспортировать, для выработки электроэнергии и тепла в районе добычи газа;
‒ предприятиях нефтедобывающей промышленности для утилизации попутного нефтяного газа;
‒ предприятиях угольной промышленности для утилизации шахтного газа, что позволяет избежать выброса метана в атмосферу и выработать электроэнергию и тепло в районе добычи угля;
‒ предприятиях, имеющих большое количество разнообразных биоотходов для их утилизации и выработки тепловой и электрической энергии. В этом случае часть тепловой энергии идет на нагрев отходов, что ускоряет производство биогаза;
‒ совместно с установками, в которых происходит дросселирование природного газа (турбодетандерной, ГРП и др.) для выработки электроэнергии и подогрева природного газа.
Применение мини-ТЭЦ с ГТУ может быть рационально в следующих случаях:
‒ при модернизации малой отопительной или промышленно-отопительной котельной с тепловой мощностью 50-180 Гкал/ч;
‒ на предприятиях, имеющих технологическую потребность в тепловой энергии круглый год и подвод газа высокого давления;
‒ при малых мощностях (20-450 кВт – микротурбины) для утилизации биоотходов животноводческих ферм и птицефабрик. Когенерационные установки с ТЭ. Наиболее высокие качество вырабатываемой электрической энергии и экологические характеристики имеют энергоустановки на основе ТЭ. Высокие капитальные затраты за один киловатт установленной мощности (4000-5000 $/кВт) при относительно небольшом заявленном их ресурсе (20000-50000 ч), а также небольшая мощность серийно выпускаемых ТЭ (до 200 кВт) сдерживают их широкое внедрение. Однако следует учесть, что производители ТЭ активно и успешно работают над увеличением ресурса и расширением коммерческой линейки мощностного ряда ТЭ, а прогнозируемое повышение цен на углеводородное топливо, при одновременном ужесточении экологических норм.
Удельное капиталовложение в производство электрической и тепловой энергии газопоршневыми двигателями ниже. Это преимущество газопоршневых двигателей неоспоримо для мощностей до 30 МВт. ТЭЦ мощностью 10 МВт на основе газопоршневых двигателей требует вложений около 7,5 миллионов $, при использовании газовой турбины затраты возрастают до 9,5 миллионов $ (рис.49)
Таблица 9 – Интервалы техобслуживания
| Ремонтные работы, интервал (часты) | Газопоршневой двигатель | Турбины, авиационные и малые промыщленные | Турбины промыленные |
| Ремонт камеры сгорания | - | 5000 | 10000 |
| Средний ремонт | Ремонт головок цилиндров | Ремонт турбины и камера сгорания | |
| 30000 | 10000 | 15000 | |
| Полный капитальный ремонт | 60000 | 20000 | 30000 |
Рис.49 – Объёмы капитальных вложений в ТЭЦ
с разными силовыми агрегатами
Эффективность различных типов энергоисточников
Для удобства сравнения различных вариантов энергоисточников, приведем их к равным условиям и выполним технико-экономическую оценку. В расчетах к каждой установке подводится 1 нм3 природного газа - 8100 ккал, что эквивалентно 9,41 кВт.
Технические характеристики энергоустановок представлены в табл. 10.
Таблица 10 – Технические характеристики энергоустановок
| № | Наименование | Единица измерен-ия | ГТУ | ГПУ | ТГУ |
| 1. | Тип оборудования | Газовая микротурбина МTI 250 | Двигатель внутреннего сгорания – J208GS | Паровой котёл ДКР-6,5-13 и паровая турбина Р-0,25-1,3/0,15 | |
| 2. | Установленная мощность: | ||||
| - электрическая | кВт | 250 | 250 | 250 | |
| - тепловая | Гкал | 0,315 | 0,315 | 4,0 | |
| 3. | КПД использования топлива | 80 | 81 | 89 | |
| - электрический | % | 30 | 39 | 26 | |
| - тепловой | % | 50 | 42 | 63 | |
| 4. | Регулировочный диапазон | % | 0-100 | 50-100 | 0-100 |
| 5. | Расчётный ресурс до капитального ремонта | тыс.час | 60-80 | 40-60 | 100-120 |
| 6. | Используемый вид топлива | - | природный и сжиженный газ, биогаз | природный и сжиженный газ, биогаз | природный газ, мазут, местные виды топлива |
| 7. | Полная мощност, полученная при сжигании 1 мм3 природного газа, в том числе: | кВт | 7,53 | 7,62 | 8,37 |
| -электрическая | 2,82 | 3,67 | 2,43 | ||
| -тепловая | 4,71 | 3,95 | 5,94 | ||
| 8. | Удельные капиталовложения | Евро/кВт | 2000 | 1300 | 1000 |
| 9. | Стоимость капитального ремонта от первоначальной стоимости | % | 40-80 | 70-90 | 20-40 |
Срок службы ГПА до капитального ремонта составляет 40000-60000 часов (4-6 лет). Стоимость капитального ремонта ГПА составляет от 70 % до 90 % от первоначальной стоимости. Это значит, что через пять шесть лет мини-ТЭЦ с ГПА начнут выходить в капитальный ремонт. Понадобится изыскать сотни тысяч евро для ремонтной компании ГПА, которые начнут выводиться в капитальный ремонт.
Удельный расход топлива на ГПА составляет 308 г.у.т./кВт ∙ ч (к.п.д. по выработке электроэнергии 40 %), против 180-200 г.у.т./кВт ∙ ч на ТЭЦ с противодавленческими турбинами. На каждом 1кВтч, выработанном на ГПА происходит перерасход топлива порядка 100-120 г.у.т./кВт ∙ ч.
Удельные капиталовложения 1 кВт установленной мощности в блок-станции с ГПА составляют порядка 1100-1300 евро за 1 кВт. Сроки сдачи в эксплуатацию подобной электростанции 1,5-2 года. В сравнение, удельные капиталовложениями в мини-ТЭЦ с паровыми турбинами составляют 800-900 долларов США («под ключ»). Срок сдачи в эксплуатацию – 1,0-1,3 года.
Анализируя выше сказанное, можно сделать вывод, что строительство блок-станций с ГПА – это экономическая бомба замедленного действия.
В мировой практике, установленная мощность ГПА не превышает 1 % от мощности энергосистемы. ГПА в основном применяются в труднодоступных районах, там, где экономически нецелесообразно строить ТЭЦ или мини-ТЭЦ.
Cтоимость перевода котельной в мини-ТЭЦ значительно дешевле, чем строительство блок-станций с ГПА. Годовые эксплуатационные издержки паровой турбины значительно меньше годовых издержек ГПА.
Во-первых, неконтролируемая выдача невостребованной мощности мини-ТЭЦ (блок-станциями) в энергосистему в ночные часы суток, приводящая к вынужденной разгрузке генерирующего оборудования ТЭЦ и КЭС. В указанные периоды суток более экономичное оборудование энергосистемы подвергается вынужденной разгрузке, в том числе и на тепловых электрических станциях.
Во-вторых, как отмечалось выше, срок службы ГПА до капитального ремонта составляет 40000-60000 часов. Стоимость капитального ремонта ГПА составляет от 70 % до 90 % от первоначальной стоимости. Это значит, что через пять шесть лет понадобится изыскать около 100 млн. евро для ремонтной компании ГПА, которые начнут выводиться в капитальный ремонт.
В-третьих, эффект, который заключается от внедрения ГПА, на предприятии сводится к разнице покупной электроэнергии из энергосистемы и собственной выработки. В реальности, удельный расход топлива на ГПА составляет 308 г.у.т./кВт ∙ ч (к.п.д. по выработке электроэнергии 40 %), против 275 г.у.т./кВт ∙ ч в среднем по энергосистеме. На каждом 1 кВт ∙ ч, выработанном на ГПА, в рамках народного хозяйства, происходит перерасход топлива порядка 33 г.у.т./кВт ∙ ч. При доведении установленной мощности блок-станций до 500 МВт (-5 % от установленной мощности энергосистемы) перерасход топлива составит порядка 53000 т.у.т. Убытки составят порядка 31 млрд. рублей.
В-четвертых, удельные капиталовложения 1 кВт установленной мощности в блок-станции с ГПА составляют порядка 1100-1300 евро за 1 кВт. Сроки сдачи в эксплуатацию подобной электростанции 1,5-2 года. В сравнение, удельные капиталовложениями в мини-ТЭЦ с паровыми турбинами составляют 700-800 евро. Срок сдачи в эксплуатацию – 1,0-1,3 года. При установленной мощности блок-станций 500 МВт переплата в генерирующее оборудования составит от 200 до 250 млн. евро.
Приложение 10
Список литературы
1. Черемных Д. Н. Газопоршневые установки как альтернативный способ генерации электроэнергии / Д. Н. Черемных, Е. В. Ташлыкова, М. Г. Разепина. ‒ Текст : непосредственный // Молодой учёный. ‒ 2014. ‒ № 21 (80). ‒ С. 245-247.
2. Гудков С. А., Лебедева Е. А. Когенерация, использование когенерационных установок / Нижегородский государственный архитектурный архитектурно-строительный университет (ННГАСУ). – 2018 г.
3. Ховдошко Ю.В., Артюшевская Е.Ю. Когенерационные установки в малой энергетике амурской области / Вестник АмГУ. – 2020. – № 89. – С. 60-63.
4. Иванов А., Левин Д. Работа по распределению – есть ли будущее у российской малой энергетики // Up Great. – 2020.
5. Якунина А.О. Малая энергетика / Факультет финансов и банковского дела Белорусский государственный экономический университет. – 2011.
6. Анализ рынка малой генерации / Определение понятия малая энергетика и предмета исследования. – 2018.
7. Стимулирование использования когенерационных установок / Компактные когенерационные установки тип GG, FG, BG. – SOKRATHERM.
8. Актуальные проблемы развития Новосибирской области и пути их решения / под ред. А.С. Новоселова, А.П. Кулаева. В 2 ч. Часть 1. – Новосибирск: ИЭОПП СО РАН, 2014. – 312 с
9. Чуршаев В. Н., Маркова В. М. Мини-ТЭЦ – перспективное направление развития энергетики новосибирской области. – 2018.
10. Пейсахович В. Я. Особенности развития и функционирования малой энергетики / Открытый семинар – «Экономические проблемы энергетического комплекса». – 2011.
11. Щинников П.А., Марасанов Н. В. Комбинированная мини-ТЭС на базе газопоршневой установки и паровой турбиы / Новосибирский государственный технический университет. – 2018.
12. Комбинированная выработка электрической и тепловой энергии [Электронный ресурс] URL: https://docplayer.ru/46092863-Kombinirovannaya-vyrabotka-elektricheskoy-i-teplovoy-energii.html.
13. Кабанов А. Н., Липинский М. С., Кузьменко А. П. Газопоршневые микро-ТЭЦ на основе автомобильных поршневых двигателей / ФГОУ ВО «Крымский федеральный университет им. В. И. Вернавского». – 2017.
14. Мусон Р. И., Юрик Е. А. Энергетические установки для мини-ТЭЦ / кафедра тепловых двигателей и теплофизики, Калужский филиал Московского государственного техническоо университета им. Н. Э. Баумана. – 2016.
15. Матвеенко В. Т., Дологлонян А. В., Очеретяный В. А.. Работа когенерационных газотурбинных установок сложных циклов на переменных режимах. – 2020.
16. Булавин В. А. Использование газовых турбин для комбинированноо производства энергии. Вестник Дагестанского государственного технического университета. Технические науки. – 2020. – 47 (1): 8-18.
17. Болдырев О.Н. Судовые энергетические установки. Дизельные и газотурбинные установки.– 2003.
18. Приложение №3. «Модернизация электроэнергетики России на период до 2020 года». Мини-ТЭЦ на базе двигателей внутреннего сгорания (ДВС) [Электронный ресурс] URL: https://es-techno.ru/news/articles_about_energetic s/chp_based_on_ice/.
19. Спагар И. Н., Васюк О. А. Мини-ТЭЦ с паровыми турбинами – решение больших проблем малой энергетики. – 2018. – 12 июля.
20. Васькин В. В., Петрущенков В. А. Регулирование режимов работы мини-ТЭЦ с противодавленческими турбинами при работе на отопительную нагрузку. – 2018.
21. Мусин Р. И., Юрик Е. А. Энергетические установки для мини-ТЭЦ / Калужский филиал Московского государственного технического университета им. Н. Э. Баумана // Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук. – 2008.
22. В сравнении газопоршневые машины (ГПУ) и газотурбинные станции (ГТУ) https://www.gazecos.ru/microturbines.html.
23. Сагнар И.Н. К выбору технологии выработки электроэнергии в малой энергетике. – 2020. – 09 ноября.
Дата добавления: 2021-04-24; просмотров: 324; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!