На сегодняшний день в России уже реализовано несколько подобных проектов. В частности, в Москве системами тригенерации оборудованы Корпоративный университет Сбербанка и недавно построенный стадион «Спартак». Есть и региональные примеры. Так, определённый интерес вызывает тригенерационный энергоцентр крупного торгового центра в Перми, возводимого группой компаний «Кармента».
Строительство пятиэтажного торгового центра на улице Карпинского началось в 2013 году, сдача планируется в начале 2016 года. Общая площадь объекта составляет 29 тыс. м 2 . Необходимое расчётное энергопотребление торгового центра по электричеству составляет 1500 кВт, по теплу — 2700 кВт, по холоду — 1800 кВт.
Для обеспечения энергоснабжения данного объекта проектной организацией ООО «Энергопланнер» были выбраны газопоршневые установки Bosch CHP CE 400 NA мощностью 400 кВт в сочетании с абсорбционными чиллерами LG.
При работе газопоршневой (ГПУ) или газотурбинной (ГТУ) установки с 1 кВт вырабатываемой электроэнергии есть возможность получать от 1 до 2 кВт тепловой энергии в качестве горячей воды. В торговых центрах электрическая нагрузка достаточно равномерная в течение года, а потребность в холоде сопоставима с активной электрической мощностью. Из горячей воды с помощью АБХМ получаем холод со средним коэффициентом 0,75. Таким образом, в зависимости от типа энергоустановок, с их тепла можно получить от 50 до 100 % необходимого холода. В итоге получается чрезвычайно энергоэффективная система. Недостаток тепла, а также резерв обеспечивается обычными водогрейными котлами, КПД которых близок к 99 %.
При разработке принципиальной схемы холодоснабжения рассматривалось использование как парокомпрессионных, так и абсорбционных чиллеров. Выбор был сделан в пользу второго варианта в силу его преимущества как по эксплуатационным, так и по капитальным затратам.
Абсорбционные чиллеры являются экономичными и экологически безвредными. Они просты, надёжны и не имеют в своей конструкции насосы. Их общая термическая эффективность высока — вплоть до 86 %, часть из которой (до 40 %) приходится на электрическую энергию. В тригенераторах на базе двигателей внутреннего сгорания могут использоваться как одноступенчатые, так и двухступенчатые системы. Поскольку когенерационные схемы производят тепло, как правило, в форме тепловой энергии воды, одноступенчатая система является более предпочтительной. Наряду с простотой, подобная схема позволяет утилизировать больше тепла.
Для обеспечения энергоснабжения объекта проектной организацией были выбраны газопоршневые установки Bosch CHP CE 400 NA мощностью 400 кВт в сочетании с абсорбционными чиллерами LG
Одноступенчатые установки на бромиде лития работают на горячей воде низкой (до 90 °C) температуры, тогда как двухступенчатым абсорбционным системам необходимо тепло при температуре около 170 °C, свойственное пару. Одноступенчатая абсорбционная система на бромиде лития способна охлаждать воду до температуры 6-8 °С и имеет коэффициент преобразования холода к теплу около 0,7. Коэффициент преобразования двухступенчатой системы составляет около 1,2. Итак, абсорбционные системы обеспечивают мощность охлаждения, равную 0,7-1,2 мощности, получаемой от источника тепла. При подключении к тригенераторной установке компрессорных холодильных установок можно получить температуры ниже 0 °C.
Характерными чертами тригенерационных установок являются:
- экономичность (для выработки холода используются излишки тепла);
- минимальный износ (простая конструкция АБХМ);
- малошумность;
- экологичность (вода используется в качестве хладагента);
- высокий КИТ.
Абсорбционные холодильные машины (АБХМ) производят охлаждённую воду при использовании двух веществ (например, воды и бромистолитиевой соли), находящихся в термическом равновесии, которые разделяются путём нагрева, а затем снова воссоединяются путём отвода тепла. Целенаправленный подвод и отвод тепла в условиях вакуума при переменном давлении (примерно 8 и 70 мбар) создаёт дисбаланс веществ, таким образом принудительно подвергая их десорбции или абсорбции. Для производства охлаждённой воды в диапазоне температур от 6 до 12 °C обычно используется вода (хладагент) и бромистолитиевая соль (абсорбент). Для выработки низкотемпературного холода до -60 °С используется аммиак (хладагент) и вода (абсорбент).
Особенностью абсорбционных холодильных машин является использование для сжатия паров хладагента не механического, а термохимического компрессора.
Выбор газопоршневой установки осуществлялся по совокупности множества параметров, среди которых рассматривались различные ресурсные показатели, стоимость технического обслуживания, технико-динамические характеристики.
По сравнению с альтернативными вариантами установки Bosch продемонстрировали ряд преимуществ, среди которых более высокий коэффициент полезного действия, составивший 38,5 %, более высокая скорость нагружения и разгружения (40 %), а также более высокие ресурсные показатели до капитального ремонта (44 тыс. часов). Также их значительным преимуществом явилось высокое качество энергоснабжения — автоматически регулируемый показатель cos(qp) с возможностью регулирования подачи реактивной мощности в сеть.
Всего на объекте планируется установить три ГПУ мощностью по 400 кВт и две абсорбционные машины, одна из которых будет оснащена горелочным устройством. Для покрытия пиковых нагрузок теплопотребления планируется установка газового котла Buderus. Также специально для данного проекта в Германии был спроектирован каскадный шкаф управления MMS для обеспечения аварийного режима работы. Что касается экономических показателей проекта, то совокупные капитальные затраты составят порядка 85 млн рублей при сроке окупаемости в пять лет.
Необходимо отметить, что данный проект в сфере тригенерации явился пилотным для компаний-поставщиков оборудования и потребовал решения ряда сложных задач. В частности, определённое время потребовалось для подготовки и получения необходимой документации, проведения обучения для проектной организации, решения вопросов сервисного обслуживания.
«Это знаковый проект, как для нас, так и для компании LG в России. Реализация подобных проектов помогает в полной мере продемонстрировать преимущества технологии тригенерации и качество предлагаемых решений», — комментирует Дмитрий Николаенко, руководитель направления мини-ТЭС компании «Бош Термотехника ».
Об установках Bosch CHP
Газопоршневые установки Bosch CHP являются одним из многочисленных направлений отдела термотехники Bosch. Они производятся в диапазоне мощности от 19 до 400 кВт по выработке электрической энергии. При этом изначальная экономия топлива по сравнению с раздельной выработкой тепловой и электрической энергии может достигать 40 %. Использование данного оборудования позволяет значительно сократить объём выбросов углекислого газа. Установки могут поставляться как готовый, укомплектованный модуль, состоящий из двигателя, соединительных деталей, генератора, теплообменника и контура охлаждения. С помощью системы управления ТЭС может быть скомбинирована с котлом отопления от Bosch, а также с системами охлаждения.
Система тригенерации представляет собой систему комбинированного производства тепла и электроэнергии, соединенную с одним или несколькими холодильными агрегатами. Тепловая часть тригенерационной установки в своей основе имеет парогенератор с рекуперацией тепла, питание которого осуществляется за счет использования выхлопных газов первичного двигателя. Первичный двигатель, соединенный с генератором переменного тока, обеспечивает производство электрической энергии. Для охлаждения используется периодически возникающий избыток тепла.
Применение тригенерации
Тригенерация активно применяется в экономике, в частности в пищевой промышленности, где существует потребность в холодной воде для использования ее в технологических процессах. Например, в летний период пивоварни используют холодную воду для охлаждения и хранения готового продукта. На животноводческих фермах вода используется для охлаждения молока. Производители замороженной продукции круглогодично работают с низкими температурами.
Технология тригенерации дает возможность преобразовывать в холод до 80% тепловой мощности когенерационной установки, что значительно увеличивает суммарный КПД когенерационной установки и повышает коэффициент ее мощностных ресурсов.
Тригенерационная установка может быть использована круглогодично, вне зависимости от сезона. Утилизированное тепло при тригенерации эффективно используется зимой для отопления, летом для кондиционирования помещений и для технологических нужд.
Особенно эффективно применение тригенерации в летний период, при образовании избытка тепла, вырабатываемого мини-ТЭЦ. Избыточное тепло направляется в адсорбционную машину для выработки охлажденной воды, используемой в системе кондиционирования. Данная технология позволяет экономить энергию, которая обычно потребляется системой принудительного охлаждения. В зимний период адсорбционная машина может быть отключена, если отсутствует необходимость в большом количестве охлажденной воды.
Таким образом, тригенерационная система позволяет на 100% использовать тепло, вырабатываемое мини-ТЭЦ.
Энергетическая эффективность и высокая экономичность
Оптимизация потребления энергии - важная задача, не только с точки зрения экономии энергоресурсов, но и с точки зрения экологии. На сегодняшний день энергосбережение является одной из наиболее актуальных проблем во всем мире. При этом большинство современных технологий производства тепла приводят к высокой степени загрязнения атмосферы.
Тригенерация, при которой происходит комбинированное производство электрической, тепловой и холодильной энергии, является сегодня одной из наиболее эффективных технологий повышения энергетической эффективности и экологической безопасности мини-ТЭЦ.
Экономия энергоресурсов при использовании тригенерационных технологий достигает 60%.
Плюсы и минусы
По сравнению с традиционными технологиями охлаждения тригенерационная система имеет следующие преимущества:
- Тепло является источником энергии, что позволяет использовать избыточную тепловую энергию, которая обладает очень низкой себестоимостью;
- Произведенная электрическая энергия может быть подана в общую электросеть или использоваться для обеспечения собственных нужд;
- Тепло может быть использовано для обеспечения потребностей в тепловой энергии во время отопительного сезона;
- Требуют минимальных расходов на техобслуживание в связи с отсутствием в адсорбционных холодильных установках подвижных деталей, которые могли бы подвергаться износу;
- Бесшумная работа адсорбционной системы;
- Низкие эксплуатационные расходы и низкие затраты в течение всего срока службы;
- В качестве хладагента используется вода вместо веществ, разрушающих озоновый слой.
Адсорбционная система проста и надежна в использовании. Энергопотребление адсорбционной машины невелико, поскольку нет жидкостного насоса.
Однако у такой системы имеется и ряд недостатков: большие габариты и вес, а также относительно высокая стоимость, связанная с тем, что на сегодняшний день выпуском адсорбционных машин занимается ограниченное число производителей.
Мини-ТЭЦ (BHKW), как правило, работает в двух основных производственных режимах:
- получение электричества и тепла (когенерация)
- получение электричества, тепла и холода (тригенерация).
Холод вырабатывается абсорбционной холодильной машиной, потребляющей не электрическую, а тепловую энергию.
Абсорбционные чиллеры (с кпд 0,64-0,66) выпускаются множеством ведущих производителей и работают на натуральных хладагентах, а в качестве топлива используются – нефть, газ или их производные, био-топливо, пар, горячая вода, солнечная энергия или избыток тепловой энергии газовых турбин – поршневых электростанций.
При всей привлекательности, использование их в РФ является пока довольно редким явлением.
Ведь до совсем недавнего времени, в РФ центральные климатические системы не считались обязательными в промышленном и гражданском строительстве
Тригенерация является выгодной, поскольку дает возможность эффективно использовать утилизированное тепло не только зимой для отопления, но и летом для поддержания комфортного микроклимата в помещениях или для технологических нужд (пивоварни, охлаждение молока, etc.).
Такой подход позволяет использовать генерирующую установку круглый год.
Силовыми установками - агрегатами этих электростанций являются газо-поршневые или газотурбинные силовые агрегаты.
Газы, используемые для работы газовых теплоэлектростанций:
Схема инверторного преобразования позволяет получить идеальные, качественные выходные параметры по току, напряжению и частоте.
Концепция: BHKW - Блочные мини – теплоэлектростанции, работающие на газе
BHKW, Мини-ТЭЦ состоит из следующих основных компонентов:
- двигатели внутреннего сгорания – поршневые или газотурбинные
- генераторы постоянного или переменного тока
- котлы-утилизаторы отработавших газов
- катализаторы
- системы управления
- Средства автоматики мини-тэцобеспечивают функционирование установок в рекомендованном диапазоне рабочих режимов и достижение эффективных характеристик. Мониторинг и телеметрия мини-тэц осуществляются дистанционно.
Современная универсальная модульная концепция
- Совместная выработка тепловой и электрической энергии.
- Компактная конструкция с расположенным на раме оборудованием: двигателем, генератором, теплообменником и электрощитом
- Предпочтительное применение на объектах с высоким потреблением электрической и тепловой энергии
- Поставляется с различной электрической и тепловой мощностью. Электрическая мощность одного модуля, например, составляет, 70, 140 или 238 кВт, тепловая мощность 81, 115, 207 или 353 кВт
- Применяется на выбор для параллельной работы с электросетью или в качестве резервного питания
- Использование тепла, содержащегося в смазочном масле, охлаждающей жидкости и выхлопных газах двигателя
- Несколько генераторов могут быть объединены в единый энергетический комплекс
Работа с пониженным уровнем шума и низкими выбросами вредных веществ
- Спокойный ход газового двигателя внутреннего сгорания, имеющего от четырех до двенадцати цилиндров, и регулируемый катализатор. Уровень шума в зависимости от мощности модуля составляет 55 - 75 дБ(A)
- Низкие показатели выбросов окиси азота и углекислого газа
Простое и удобное управление
- Модуль управляется простым нажатием кнопок. Система пуска с зарядным устройством и вибропрочными необслуживаемыми аккумуляторными батареями
- Встроенная распределительная установка под облицовкой рамы с наглядным пультом управления
- Дистанционный контроль основных функций с согласованными комплектующими
Быстрый монтаж, пуск в эксплуатацию и техническое обслуживание
- Полностью укомплектованный, готовый к подключению узел, имеющий синхронный генератор с воздушным охлаждением, для производства трехфазного тока напряжением 400 В, частотой 50 Гц и горячей воды с температурным графиком 90/70 °C при стандартной разнице температур между подающей и обратной линиями 20 K.
- Любой модуль блок-ТЭС может работать в зависимости от тепловой или электрической нагрузок в диапазоне электрической мощности 50%–100% (что соответствует 60–100% тепловой мощности).
- Пробный пуск на заводе с составлением протокола и занесением рабочих характеристик
- Беспроблемная установка виброгасящей конструкции блок-ТЭС без дополнительного анкерного крепления
- Автономная система маслоснабжения с резервуаром для хранения масла 60 л.
В наши дни ни одну техническую задачу невозможно решить без хорошей системы управления. Таким образом, совершенно естественно, что блоки управления входят в каждый узел.
Контроль осуществляют датчики давления масла, температуры охлаждающей жидкости, температуры выхлопных газов в катализаторе, температуры воды в отопительной системе и скорости вращения, а также датчики минимального давления охлаждающей жидкости, минимального уровня масла и предохранительный ограничитель температуры, с проводкой до шкафа управления
Автономное энергоснабжение: микротурбины
Для микротурбинных электростанций приемлемо топливо:
- природный газ, высокого, среднего и низкого давления
- попутный нефтяной газ (ПНГ)
- биогаз
- газ, получаемый при очистке сточных вод
- газ, получаемый при утилизации мусора
- пропан
- бутан
- дизельное топливо
- керосин
- шахтный газ
- пиролизный газ
Производятся микротурбины следующей единичной электрической мощности:
- 30 кВт (выход тепловой энергии 85 кВт), шум 58 dB, расход газа при номинальной нагрузке 12 м 3
- 65 кВт (выход тепловой энергии 160 кВт кВт)
- 200 кВт
- 600 кВт
- 800 кВт
- 1000 кВт
ТЭО BHKW
Надо рассматривать в каждом конкретном случае, стоимость потреблённого установками топлива в сравнении со стоимостью покупки тепла и электроэнергии у монопольной государственной компании. Кроме того, стоимость подключения в сравнении со стоимостью самих установок.
- быстрый возврат инвестиций (срок окупаемости не превышает чётырёх лет)
- потребляя 0,3 куб. м газа возможность получать 1 кВт электроэнергии и ~ 2 кВт тепла в час
- отсутствие платы за подключение к центральным сетям энергоснабжения, в прошлом году стоимость присоединения к электросети достигала в Московской области 48 907 рублей за один киловатт установленной электрической мощности (от 1 кВт до 35 кВт).Эта цифра вполне сопоставима со стоимостью строительства одного киловатта собственной, домашней высококачественной микротурбинной электростанции.
- возможности приобретения в лизинг BHKW
- минимум топливных потерь на локальной электростанции
- возможность установки BHKW в старых котельных и на ЦТП
- отсутствие необходимости строительства дорогостоящей ЛЭП, ТП, протяженной электросети
- возможности быстрого увеличения электрической мощности, путем дополнительной установки энергетических модулей
Стоимость киловатт-часа
Цена киловатт-часа отличается, прежде всего, от типа производящей электростанции. Различные финансовые институты используют дифференцированные методики при оценке производимой электроэнергии.
Стоимость одного киловатта ядерной энергии вывести непросто. Применяются отличающиеся методы оценки и подсчета.
Всемирная Ядерная Ассоциация сравнила стоимость киловатт-часа, который может быть произведен на новых электростанциях различных типов.
Если условная ставка по кредитам, выданным под строительство электростанции, составляет 10%, то киловатт-час электроэнергии стоит, произведенной на:
- АЭС - 4.1 цента
- на современной угольной электростанции - 4.8 цента
- на газовой электростанции - 5.2 цента
Если кредитная ставка по финансированию строительства электростанций снизится до 5%, то получатся еще меньшие величины:
- 2.7 цента для АЭС
- 3.8 - для электростанции, работающей на угле
- 4.4 цента - для газовой электростанции.
Европейская Комиссия пользуется другими данными:
- 1 киловатт-час ядерной и гидроэнергии обходится в €0.05
- угольной ТЭС - в €0.04 - 0.07
- газовой электростанции - €0.11 - 0.22
По методике Европейской Комиссии оппонентами АЭС являются лишь ветряные энергоустановки, стоимость киловатт-часа которых составляет €0.015-€0.02.
Массачусетский Технологический Институт подсчитал, стоимость ядерной энергии составляет 6.6 цента за киловатт-час, а электричество, произведенное из природного газа, обходится в 3.7-5.5 центов.
По информации Университета Чикаго:
- киловатт-час АЭС стоит 6.4 цента
- киловатт-час, произведенный на газовой станции - 3.3-4.4 цента.
По методикам Института Ядерной Энергетики, в 2004 году в США стоимость киловатт-часа, произведенного:
- на АЭС, составляла 1.67 центов
- Киловатт-час угольной электростанции обходился в 1.91 цента
- электростанции на HFO - в 5.40 центов
- газовой электростанции - в 5.85 центов
Стоимость строительства киловатт-часа
Вопрос вопросов - стоимость и продолжительность строительства АЭС.
Организация Экономического Сотрудничества и Развития подсчитала, что стоимость строительства составляет:
- атомной электростанции от $2.1 тыс. до $2.5 тыс. за киловатт мощности
- угольной электростанции - $1.5 тыс.-1.7 тыс.
- газовой электростанции - $1 тыс.-$1.4 тыс.
- ветровой энергетической установки (ВЭУ) - $1 тыс.-$1.5 тыс.
Исследовательские центры, выступающие против строительства АЭС, считают, что эти данные не показывают реальной стоимости строительства АЭС.
Типичная АЭС мощностью 1GW обойдется, как минимум, в $2.2 млрд. Аналогичный вывод сделала Исследовательская Служба Конгресса США. По подсчетам службы, стоимость строительства атомной электростанции, после 1986 года, составляет от $2.5 до $6.7 млрд. Бюджетная часть систем безопасности АЭС составляет 1/3 стоимости проекта.
Срок строительства электростанций составляет:
- АЭС - 5-6 лет
- угольной электростанции - 3-4 года
- газовой электростанции - 2 года
Институт Исследований Ядерной Политики подчеркивает, что тщательные анализы и расчеты долгосрочной стоимости ядерной энергетики никогда не проводились .
При обычных расчетах не учитываются:
- стоимость обогащения урана
- затраты на борьбу с последствиями возможных аварий
- стоимость закрытия АЭС
- расходы на транспортировку
- хранение ядерных отходов
В США нет опыта закрытия ядерных установок. Стоимость затратного процесса возможно лишь предполагать. В 1996 году Министерство Энергетики предположило, что затраты могут разниться от $180 млн. до $650 млн.
На портале newtariffs.ru публикуются новые, сводные тарифы на электроэнергию, цены на природный газ, стоимость – уровень оплаты за тепловую энергию и водоснабжение, а так же прейскуранты на услуги ЖКХ.
Тригенерация - это комбинированное производство электричества, тепла и холода. Холод вырабатывается абсорбционной холодильной машиной, потребляющей не электрическую, а тепловую энергию. Тригенерация является выгодной, поскольку дает возможность эффективно использовать утилизированное тепло не только зимой для отопления, но и летом для кондиционирования помещений или для технологических нужд. Такой подход позволяет использовать генерирующую установку круглый год.
Тригенерация и промышленность
В экономике, в частности в пищевой промышленности, существует потребность в холодной воде с температурой 8-14 °С, используемой в технологических процессах. В то же время в летний период температура речной воды находится на уровне 18-22 °С (пивоварни, например, используют холодную воду для охлаждения и хранения готового продукта, на животноводческих фермах вода используется для охлаждения молока). Производители замороженной продукции работают с температурами от –18 °C до –30 °С круглогодично. Применяя тригенерацию , холод может использоваться в различных системах кондиционирования.
Концепция энергоснабжения - тригенерация
При строительстве торгового центра в Подмосковье, общей площадью 95 000 м², было принято решение установить когенерационную установку. Проект был реализован в конце 90–ых годов. Энергоснабжение торгового комплекса осуществляют четыре газопоршневых двигателя с электрической мощностью 1,5 МВт и тепловой мощностью 1,8 МВт. Газопоршневые установки работают на природном газе. Теплоносителем является вода, нагретая до 110 °C. Горячая вода используется как непосредственно для отопления, так и для подогрева поступающего извне воздуха. Газопоршневые двигатели снабжены глушителями и нейтрализаторами CO 2 .
Концепция энергоснабжения использует принцип тригенерации . Электричество, тепло и холод производятся совместно. В теплое время года тепло, производимое когенераторной установкой может быть утилизовано абсорбционной холодильной машиной для охлаждения воздуха в помещениях. Таким образом, когенерационная установка производит, в зависимости от времени года, тепло или холод, поддерживая температуру в помещениях постоянной. Это особенно важно для хранения мебели.
Тригенерацию обеспечивают две бром–литиевые абсорбционные холодильные машины, мощностью 1,5 МВт каждая. Стоимость потребленного установками топлива в 2002 г. была в несколько раз меньше стоимости покупки тепла и электроэнергии у монопольной государственной компании. Кроме того, стоимость подключения к городским сетям во многих случаях сравнима со стоимостью самих установок и равна ~1 000$/кВт.
Тригенерация - специфика
Особенностью абсорбционной холодильной установки является использование для сжатия паров хладагента не механического, а термохимического компрессора. В качестве рабочего тела абсорбционных установок используется раствор двух рабочих тел, в котором одно рабочее тело - хладагент , а другое - абсорбент . Одно из рабочих тел, выполняющее роль хладагента, должно иметь низкую температуру кипения и растворяться или поглощаться рабочим телом, которое может быть как жидким, так и твердым. Второе вещество, поглощающее (абсорбирующее) хладагент, называется абсорбентом.
Независимая энергетическая компания «Новая генерация» готова за свой счет в течение 5–6 месяцев установить у Вас на предприятии газопоршневую когенераторную электростанцию мощностью 6,4 МВт, производства «MAN B&W Diesel AG».
Описание:
При полном использовании вырабатываемой электрической и тепловой энергии достигаются высокие экономические показатели системы, а высокая энергетическая эффективность обеспечивает, в свою очередь, сокращение сроков окупаемости средств, инвестированных в оборудование.
Совместное производство теплоты и электроэнергии
Системы совместного производства теплоты и электроэнергии: балансировка соотношения производимой теплоты и мощности
A. Abedin , член Американского общества инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха (ASHRAE)
В описываемых когенерационных системах первичное топливо расходуется на одновременное производство электрической или механической энергии (мощность) и полезную тепловую энергию. В этом процессе существенным является то, что одно и то же топливо работает «дважды», чем достигается высокая энергетическая эффективность систем.
При полном использовании вырабатываемой электрической и тепловой энергии достигаются высокие экономические показатели системы, а высокая энергетическая эффективность обеспечивает, в свою очередь, сокращение сроков окупаемости средств, инвестированных в оборудование.
Конфигурация системы совместного производства (когенерации) теплоты и электроэнергии определяется тем, насколько фактические тепловые и электрические нагрузки соответствуют выработке тепловой и электрической мощности. Если имеется рынок, готовый потребить излишек тепла или электроэнергии, балансировка соотношения тепловой и электрической мощности не является критической для системы.
Например, если электроэнергия может быть потреблена (на приемлемых условиях), тогда основой работы системы совместного производства становится потребность на месте в тепловой энергии (система предназначается для обеспечения тепловой нагрузки). Излишняя электроэнергия может быть продана, а ее недостаток может быть компенсирован закупками из других источников. В результате обеспечивается высокая энергетическая эффективность, и фактическое соотношение выработки тепла и электроэнергии для энергетической установки соответствует потребностям на месте эксплуатации установки.
В качестве примера эффективного соотношения тепловой и электрической мощности рассмотрим паровой котел, вырабатывающий в час 4 540 кг пара, подаваемого под давлением около 8 бар, и потребляющий для этого 4 400 кВт энергии топочного газа (при среднем КПД котла 75 %). При таком же количестве потребленной энергии топливного газа в стандартной газовой турбине мощностью 1,2 МВт может быть выработано необходимое количество пара при помощи утилизации отходящей теплоты. В результате около 1 100 кВт электроэнергии может быть выработано «без затрат» топлива. Это является примером очень хорошего соотношения тепла и мощности, благодаря которому система обладает привлекательными экономическими показателями.
Представим теперь абсорбционный чиллер, обслуживающий систему кондиционирования воздуха с такими же потребностями в паре. Во время работы в режиме неполной нагрузки та же самая газовая турбина вырабатывает электроэнергию неэффективным образом (обычно). В такой системе отходящая теплота используется не полностью, если только на месте нет какого-либо другого потребителя этой теплоты. Таким образом, если система работает в режиме неполной нагрузки длительное время, ее экономические показатели невысоки.
Проектировщик системы совместного производства теплоты и электроэнергии должен решать непростые задачи обеспечения оптимального соотношения тепловой и электрической мощностей, учитывая также дневные и сезонные изменения этого соотношения. Далее рассматриваются типичные методы балансировки соотношения выработки теплоты и электроэнергии.
Метод I: использование газовых турбин и генераторов с газовыми двигателями
Сравним конфигурации газотурбинной энергетической установки с высоким соотношением тепловой и электрической мощностей и установки газовыми двигателями внутреннего сгорания (газомоторные) с низким отношением тепловой и электрической мощностей. Как будет показано ниже, в зависимости от энергетических нагрузок объекта, целесообразными могут быть как газотурбинные, так и газомоторные установки.
Пример А. Обычно в здании с центральной системой кондиционирования воздуха при пиковых расчетных условиях существует высокая потребность в холоде, для чего необходимо большое количество тепловой энергии, если абсорбционные чиллеры работают на совместно вырабатываемой отходящей теплоте.
Допустим, при пиковом потреблении необходимость в охлаждении в здании составляет 1 760 кВт и около 1 100 кВт электрической мощности.
Газотурбинная установка может работать с высокой эффективностью когенерации следующим образом:
1. Параметры производительности газовой турбины при 35 °С: 1 200 кВт электрической мощности при 5 340 кВт потребляемой энергии топочного газа (выработка электроэнергии 22,5 %), выход пара 7 кг/с при температуре 540 °С.
2. В условиях примера А котел-утилизатор отходящей теплоты обеспечивает одноступенчатый абсорбционный чиллер теплотой в количестве приблизительно 2 990 кВт. При потерях тепловой энергии, составляющих 7 % (на излучение и потери в трубах с горячей водой), для обеспечения необходимой холодильной производительности абсорбционного чиллера котел подает на него горячую воду с температурой 121 °С.
3. Соотношение тепловой и электрической мощностей (количество тепловой энергии в британских единицах MBtu/h на 1 кВт/ч ) в примере А равно 8,5 (10 200 / 1 200).
Пример Б. Для такого же здания, что и в примере А, при потреблении только 750 кВт электроэнергии и 616 кВт «холода» для кондиционирования воздуха при работе в режиме неполной нагрузки соотношение тепловой и электрической мощностей определяется следующими факторами:
1. Параметры производительности газомоторной энергоустановки при 25 °С: 750 кВт электрической мощности при 2 000 кВт потребляемой энергии топочного газа (выработка электроэнергии 37,5 %), утилизация отходящей теплоты охлаждающей воды в количестве 100 кВт из контура последовательного охладителя и утилизация теплоты выхлопных газов двигателя в количестве 500 кВт.
2. Утилизированная теплота общим количеством 959 кВт позволяет производить около 616 кВт холода с помощью одноступенчатого абсорбционного чиллера при подаче на него горячей воды с температурой 90 °С.
3. Соотношение тепловой и электрической мощностей (количество тепловой энергии в единицах MBtu/ч на 1 кВт/ч) в примере Б равно 4,4 (3 300 / 750).
Соотношение тепловой и электрической мощностей изменяется с 8,5 (для газотурбинной установки) при пиковых нагрузках до показателя 4,4, для газомоторной установки в режиме неполной нагрузки. Рациональный выбор конфигурации когенерационной системы позволяет достичь оптимального соотношения нагрузок и обеспечить наивысшую эффективность совместного производства теплоты и электроэнергии.
Метод 2: использование гибридных чиллеров
Для балансировки выработки теплоты и электроэнергии в когенерационных энергетических установках, обеспечивающих утилизируемой теплотой центральные системы кондиционирования воздуха, необходим гибридный чиллер.
В периоды сравнительно низкой нагрузки электроэнергии (когда для абсорбционного чиллера имеется немного утилизируемого теплоты) сбалансировать указанное соотношение помогает электрический чиллер, повышающий электрическую нагрузку, увеличивая при этом количество отходящей теплоты для повышения эффективности когенерации.
Метод 3: использование накопителя тепловой энергии
Накопители (аккумуляторы) тепловой энергии используются как в системах охлаждения, так и в системах теплоснабжения. Применение накопительных баков-аккумуляторов с использованием горячей воды (температурой от 85 до 90 °С) может «сберечь» имеющееся «сбросное» тепло. Система может быть спроектирована и для использования горячей воды с температурой выше 100 °С (при повышенном давлении).
Поскольку экономически невыгодно «хранить» электроэнергию (особенно для небольших энергетических установок совместного производства теплоты и электроэнергии) для обеспечения высокой эффективности выработки тепла, в таких установках излишняя тепловая энергия должна накапливаться для удовлетворения потребности в электроэнергии.
При полном использовании теплоты отходящих газов для совместного производства теплоты и электроэнергии, предназначенных для центральных систем кондиционирования воздуха, необходимо, чтобы использующие теплоту чиллеры работали в режиме максимальной производительности, и вся излишняя холодильная производительность сохранялась в виде охлажденной воды, хранимой в накопительных баках.
Для этого могут использоваться существующие баки для воды (например предназначенные для системы пожаротушения) или специально изготовленные баки.
Накопители тепловой энергии могут использоваться для хранения горячей воды с температурой в диапазоне от 85 до 90 °С (вода с такой температурой интенсивно используется, например, на текстильных фабриках). Поскольку энергетическая установка совместного производства теплоты и электроэнергии вырабатывает горячую воду непрерывно, горячая вода может храниться в баках для использования в производственных целях.
На рисунке показана упрощенная схема трубной системы установки производства и хранения горячей воды, являющейся частью энергетической установки совместного производства теплоты и электроэнергии, в которой используется генератор, приводимый в действие газовым двигателем с турбонаддувом мощностью 900 кВт, со скоростью вращения 1 000 об/мин. На схеме не показаны все необходимые регулирующие клапаны и приборы, предназначенные для безопасной и экономичной работы.
Метод 4: кондиционирование входного воздуха при помощи газовой турбины
Пример А. Кондиционирование входного воздуха при помощи газовой турбины является технологией, которая может использоваться в установках с генераторами с газовыми турбинами для балансировки соотношения тепловой и электрической мощностей. В этой технологии применяется охлаждение входного воздуха для увеличения производительности при пиковых нагрузках летом (при помощи или аккумуляторов тепловой энергии или находящихся на линии чиллеров, использующих отходящую теплоту) или нагрев входного воздуха для увеличения эффективности когенерации при неполной нагрузке, особенно зимой (вырабатывается дополнительное количество тепловой энергии на 1 кВт электроэнергии).
Охлаждение входного воздуха увеличивает производительность и эффективность генератора с газовой турбиной. Оно широко используется в системах совместного производства теплоты и электроэнергии, в которых отходящая теплота применяется для централизованной подачи охлажденной воды.
В таких системах имеется или отсутствует хранилище тепловой энергии. Такая конструкция обеспечивает работу генераторов с газовыми турбинами в соответствии с необходимыми нагрузками, т. к. увеличение выработки электроэнергии, благодаря охлаждению входного воздуха, также приводит к увеличению отходящей теплоты, подаваемой на абсорбционные чиллеры.
В условиях неполной нагрузки применение газовой турбины с охлаждающими змеевиками на входе невыгодно, т. к. дополнительное падение давления на охлаждающем змеевике (теперь уже лишнем) вызывает повышение тепловой мощности (повышенное потребление топлива). В установках совместного производства теплоты и электроэнергии эффективность работы при неполной нагрузке может быть повышена, как показано в таблице, при помощи обычной газовой турбины с номинальной мощностью 1 200 кВт, используемой в установке совместного производства теплоты и электроэнергии, вырабатывающей применяемый для промышленных целей пар с давлением 3 бара.
При работе с нагрузкой 40 % от максимальной для балансировки соотношения выработки теплоты и электроэнергии может использоваться подогрев входного воздуха для газовой турбины (ограниченный конструкцией установки), т. к. пониженная эффективность газовой турбины приводит к повышению имеющейся отходящей теплоты и в результате к повышению общей эффективности когенерации. Указывается, что эффективность совместного производства теплоты и электроэнергии возрастает более чем на 15 %, если в условиях неполной нагрузки воздух на входе нагревается с 15 до 60 °С. Большинство производителей газовых турбин могут предоставить данные производительности при температуре воздуха вплоть до 60 °С. Перед проектированием системы с такой возможностью должны быть проверены совместно с производителем газовой турбины ограничения на нагрев входного воздуха.
Пример Б. Для увеличения генерации «отходящей» теплоты в имеющих высокую температуру, обогащенных кислородом выхлопных газах газовой турбины применяется дополнительное дожигание в потоке отходящей теплоты. Большее количество тепла означает более высокое соотношение теплоты и мощности, улучшающее экономические показатели процесса совместного производства теплоты и мощности.
| Эффективность установки совместного производства теплоты и мощности мощностью 1 200 кВт в условиях неполной нагрузки | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Заключение
Системы совместного производства теплоты и электроэнергии работают эффективно, если используется вся или большая часть электрической и тепловой энергии.
В реальных условиях нагрузка меняется, поэтому для большинства систем необходима балансировка соотношения производимой тепловой и электрической мощностей, обеспечивающая эффективную и экономичную работу установки совместного производства энергии.
Системы балансировки соотношения теплоты и мощности должны быть приняты на установках совместного производства с самого начала для обеспечения оптимального использования выходной электрической и тепловой мощности и сокращения, тем самым, затрат на топливо, а также для улучшения экономических показателей системы.
Переведено с сокращениями из журнала «ASHRAE».
Перевод с английского Л. И. Баранова.
