Опыт проектирования мини-теплоэлектроцентрали с газопоршневыми агрегатами

Опыт проектирования мини-ТЭЦ с газопоршневыми агрегатами Материалы Конференции «Малые и средние ТЭЦ. Современные решения» 7−9 сентября 2005 г. НП «Российское теплоснабжение», www.rosteplo.ru.

Ридер К.Ф., д.т.н., Гайстер Ю. С., к.т.н, ОАО «Экотеплогаз», г. Москва.

В настоящее принята концепция использования наряду с электроэнергией, вырабатываемой на ТЭЦ РАО ЕЭС России, электроэнергии от собственных электрогенерирующих мощностей средней и малой мощности, вырабатываемых на Мини-ТЭЦ.

Концепция направлена на решение нескольких задач: повышение управляемости электроэнергетикой, ослабление влияния монополиста РАО ЕС, снижение затрат на выработку электроэнергии, энергосбережение. Принятое направление соответствует закону об электроэнергетике.

Важным следствием от применения Мини-ТЭЦ является независимое снабжение электроэнергией промышленных предприятий и общественных зданий, организация независимого резервного источника электроэнергии. Часто электроснабжающие организации выдают кабальные технические условия на присоединение к электрическим сетям и к экономическому эффекту от снижения себестоимости выработки электроэнергии добавляется дополнительный эффект от возможности отказа от покупной электроэнергии. Иногда отсутствие источника электроэнергии или его удаленность делает создание собственной Мини-ТЭЦ безальтернативным решением. Капитальные затраты на строительство Мини-ТЭЦ «под ключ» составляет 800- 1000 $ за квт электрической мощности. Срок окупаемости капитальных затрат от применения Мини-ТЭЦ равен примерно 5 годам.

Известны следующие виды электрогенерирующих устройств малой и средней мощности:

1. Газотурбинные установки (ГТУ). В этих устройствах газ под давлением примерно до 2,5 МПа (25 кгс/см2) и воздух, сжимаемый в компрессоре, подаются в камеру сгорания и продукты сгорания под давлением направляются в газовую турбину, которая вращает электрогенератор.

Расширяясь в газовой турбине, продукты сгорания с температурой около 4000С утилизируются в виде теплоты, например в котлахутилизаторах. Около 40% энергии сжигаемого топлива идет на получение электроэнергии остальные 60% используются в виде теплоты. Распространенная единичная мощность газовой турбины от 6 — 150 МВт.

• 2. Паротурбинные установки (ПТУ). Паровая противодавленческая турбина работает в комплексе с паровыми котлами, обычно используемых в отопительных и производственных котельных. Пар с давлением 1,3 МПа (13 кгс/см²), расширяясь в турбине до давления 0,12 МПа утилизируется в теплообменнике в виде горячей воды с требуемой температурой, например 1 500С. Около 40% энергии сжигаемого топлива идет на получение электроэнергии остальные 60% используются в виде теплоты. (Пара или горячей воды.) Распространенная единичная мощность паровых турбин 0,5; 1,5; 3,5 Мвт. Давление газа перед паровыми котлами — низкое или среднее.
• 3. Дизельные двигатели (ДД)
• 4. Газопоршневые двигатели (ГПД)
• 4.1 ДД и ГПД конструируются на базе двигателей внутреннего сгорания. теплоэлектроцентраль газовый паровой турбина

В ДД используется дизельное топливо. В ГПД — природный газ. Давление газа перед двигателем зависит от типа двигателя внутреннего сгорания. Около 40% энергии сжигаемого топлива идет на получение электроэнергии, остальные 60% используются в виде теплоты. (Горячая вода с температурой до 1100С) Каждый из указанных типов электрогенераторов имеет определенные достоинства и недостатки.

Оптимальный выбор электрогенератора зависит от условий, в которых он используется. Основным критерием выбора является экономическая целесообразность, надежность, простота обслуживания.

При этом должны учитываться потребности в тепле и электроэнергии, суточная и сезонная неравномерность их потребления. При выборе типа электрогенерирующих машин следует иметь ввиду ограничения, накладываемые условиями применения.

К ним относятся: финансовые ограничения, недостаток свободных земельных площадей для строительства, экология, давления газа в расположенных вблизи от Мини-ТЭЦ газопроводах и т. д.

Очевидно, что начальным этапом работы по проектированию Мини-ТЭЦ является выбор цели создания Мини-ТЭЦ и на основе поставленной цели, а также существующих ограничений, выбор основного оборудования Мини-ТЭЦ, в том числе типа электрогенерирующей установки.

Основные проблемы проектирования Мини-ТЭЦ рассмотрим на примере разрабатываемого ОАО «Экотеплогаз» проекта Мини-ТЭЦ, расположенной в центре Москвы. Мини-ТЭЦ предназначена для энергообеспечения торгово-гостиничного и гаражного комплекса.

• 1. Основной проблемой, вынудившей инвестора к строительству Мини—ТЭЦ, являлась невозможность присоединения дополнительной электрической нагрузки от Мосэнерго, в связи с дефицитом мощности.
• 2. Требуемая электрическая мощность Мини-ТЭЦ 7,2 МВт. Разрешенная электрическая нагрузка 1,4 МВт. Основные ограничения: экология и стесненность территории. Дополнительные требования — минимизация единовременных и эксплуатационных затрат.
• 3. Электрический КПД газовой турбины до 30% и около 40% у газопоршневого двигателя. Эти величины достигаются при 100% загрузке.

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 как на общий, так и на электрический КПД. Выход мощности, как газопоршневого двигателя, так и газовой турбины зависит от температуры окружающего воздуха. При повышении температуры окружающего воздуха от — 300С до + 300С электрический КПД у газовой турбины падает на 15−20%. При температурах выше + 300С, КПД газовой турбины еще ниже. В отличие от газовой турбины газопоршневой двигатель имеет более высокий и постоянный электрический КПД во всем интервале температур вплоть до +250С.

Газопоршневой двигатель может запускаться и останавливаться большее количество раз, чем газовая турбина. Время до принятия нагрузки после старта составляет у газовой турбины 15−17 минут, у газопоршневого двигателя 2−3 минуты.

Давление газа в подводящем к проектируемому объекту газопроводе 0,1 МПа. Применение газовых турбин в этом случае требует использование дожимающих компрессоров.

В соответствии с правилами безопасности систем газораспределения и газопотребления. ПБ12−529−03 применение дожимающих компрессоров помимо удорожания требует определенных ограничений. Так в соответствии с п. 8.1.21. дожимающие компрессоры должны располагаться в отдельном здании. По п. 8.1.29. при суммарном расходе газа до 50 тыс. м3/ч количество дожимающих компрессоров должно быть не менее двух. Отсутствие свободной территории и неравномерная суточная выработка электроэнергии предопределил выбор для наших условий газопоршневых машин. Приняты к установке 4 газопоршневых агрегата мощностью 1,8МВт.

• 4. Газопоршневые машины вырабатывают примерно на 1 МВт электрической энергии 1Мвт тепловой. Неравномерность потребления электроэнергии, а также величина потребления тепловой энергии в холодное время года обусловили использование газовых водогрейных котлов. В соответствии с тепловым расчетом приняты к установке два водогрейных котла 5,2 МВт каждый.
• 5. Наиболее экономичная работа когенераторного оборудования достигается при работе его на полную мощность. В летний период возникает проблема использования тепла от газопоршневых машин. В то же время требуется затраты энергии на кондиционирование. Выход находится при применении холодильных абсорбционных машин. Получение холода в абсорбционных машинах происходит за счёт тепла невысокого потенциала. Действие абсорбционных холодильных машин основано на поглощении (абсорбции) паров холодильного агента при давлении испарения и последующем его выделении (при давлении конденсации) путем нагревания. В качестве холодильного агента используется бромид лития.
• 6. Газопоршневые машины, котлы и абсорбционные машины работают в автоматическом режиме и объединены в единую систему управления (АСУ), позволяющую оптимизировать работу комплекса по критерию минимального расхода топлива при обеспечении потребностей комплекса. Сами машины и котлы имеют развитую систему автоматики безопасности и регулирования.
• 7. Мини-ТЭЦ работает параллельно с сетью «Мосэнерго» без выдачи электрической мощности в сеть. Такой режим обеспечивает более надежную работу газопоршневых машин, чем при автономной их работе. Упрощается также проблема синхронизации работы генераторов. В газопоршневых агрегатах используются генераторы электрической энергии с напряжением 10Квольт.
• 8. При выборе типа газопоршневых агрегатов предпочтение было отдано машинам, имеющим наименьшие выбросы вредных веществ. Производится каталитическое дожигание горючих веществ, находящихся в составе продуктов сгорания газопоршневых машин (СО, СН₄, Н₂) в специальных каталитических дожигателях совмещенных с шумоглушителями. Таким образом, указанные вещества в составе продуктов сгорания от газопоршневых машин отсутствуют. Для рассеивания окислов азота спроектирована шестиствольная дымовая труба высотой 80 м. Для снижения уровня шума и вибрации от оборудования котельной проектом предусмотрены следующие мероприятия:
  • * Газопоршневые машины устанавливаются на мощные фундаменты.

Между фундаментом и станиной машины проложена прокладка из листового виброгасящего материала «Ассоtube HS» (материал на базе вспененного полиэтилена) толщиной 100 мм. Каждый газоход от газопоршневых машин снабжен двумя последовательно установленными шумоглушителями.

Насосы устанавливаются на подвижные бетонные основания с резиновой прокладкой толщиной 30 мм между этими основаниями и полом. Таким же образом устанавливаются котлы.

Расположенные на крыше градирни абсорбционных машин и аварийные охладители ГПД имеют шумозащитную стенку.

9. При проектировании Мини-ТЭЦ мы столкнулись с определенными трудностями. Так иностранная фирма — поставщик ГПД задерживала предоставление технической информации до момента полной оплаты за оборудование. Это вызвало необходимость в постоянной корректировки проекта.

Эта проблема должна учитываться при заключении контракта, особенно если проектирование установки данного типа оборудования ведется впервые.

При работе генераторов в автономном режиме требуется плавно-ступенчатый набор или сброс мощности. Это обстоятельство потребовало включение в систему АСУ информации о наборе (сбросе) нагрузки у потребителей и соответствующих управляющих воздействий. Большое внимание было уделено проектированию систем вентиляции в связи с наличием избыточных тепловыделений от оборудования. Разработка такого рода проектов требует привлечения высококвалифицированных специалистов различного профиля и должна носить комплексный, системный характер.

• 10. Несколько слов об энергоэффективности и экономике проекта. При оценке энергоэффективности работы Мини-ТЭЦ следует, также как и при расчете экономической эффективности рассмотреть альтернативные возможности энергоснабжения строящегося комплекса. С той целью рассмотрим наиболее очевидные способы альтернативного энергообеспечения комплекса:
• 1) Получение электроэнергии от электрической системы «Мосэнерго», а тепла от теплосети.
• 2) Получение электроэнергии от электрической системы «Мосэнерго», а тепла от собственной котельной.
• 3) Так как при любом способе энергоснабжения источником получения электроэнергии и тепла является природный газ, то представляется справедливым производить оценку энергоснабжения по количеству расходуемого природного газа для всех возможных вариантов.
• 4) Энергетическая эффективность существенно отличается от экономической. Если в первом случае рассматривают непроизводительные потери энергии при выработке, транспорте и потреблении её, то во втором оценивают организационные возможности выбора варианта, сопоставляют капитальные и эксплуатационные затраты, определяют источники финансирования и сроки окупаемости капитальных затрат.

В проекте показана энергетическая эффективность принятых технических решений. Себестоимость выработки 1 квтч электроэнергии не превышает 0,4 руб., а срок окупаемости капитальных затрат составляет примерно 4 года для условий Московского региона.

В заключении хотелось бы отметить следующее обстоятельство: ОАО «Экотеплогаз» имеет опыт проектирования Мини-ТЭЦ с газовыми и паровыми противодавленческими турбинами. Выбор для конкретного объекта в качестве электрогенерирующих агрегатов газопоршневых машин связан не лоббированием этого типа агрегатов, а исключительно свойствами объекта энергоснабжения. В других случая более рациональным могут оказаться решения по применению газовых или паровых турбин.