Технико-экономическое сопоставление схем с раздельной и совместной выработкой электрической и тепловой энергии

В настоящее время признано, что развитие теплоэнергетики должно идти по пути внедрения газотурбинной технологии выработки электроэнергии [1]. Ввиду высоких тарифов на отпускаемую тепловую энергию от ТЭЦ РАО «ЕЭС России» многие промышленные предприятия предпочли построить собственные котельные и перейти на самообслуживание.

Также оправдано стремление ухода от дорогостоящего централизованного электроснабжения и переход на питание от собственных источников, которыми могут быть газотурбинные установки (ГТУ), выхлопные газы которых сбрасываются в котел и используются для выработки тепла. Расчеты показывают, что количество тепловой энергии, которое можно получить в такой установке, существенно больше количества электрической энергии, вырабатываемой газовой турбиной. Такое положение соответствует балансу тепловой и электрической энергии для большинства регионов РФ, имеющих значительную теплофикационную нагрузку (отопление и горячее водоснабжение) [3].

При рассмотрении комбинированной схемы (рис. 1) целесообразно задать, как наиболее естественные, такие расчетные условия, при которых за счет выхлопных продуктов сгорания (ПС) ГТУ в котле получается количество тепла, соответствующее постоянной круглогодичной нагрузке, к которой относится нагрузка ГВС, а также технологическая. Для водогрейных котлов, работающих в теплофикационном режиме, технологическая нагрузка обычно отсутствует и остается только нагрузка ГВС. При подключении в отопительный период нагрузки отопления увеличение производительности котла достигается сжиганием природного газа (ПГ) в горелках котла, которое целесообразно осуществлять за счет использования кислорода, содержащегося в выхлопных ПС. Наиболее рационально использовать тепло выхлопных ПС ГТУ, направляя их в котел.

При этом не требуется использование дутьевых вентиляторов, а также уменьшается избыток воздуха в ПС и потери тепла с уходящими газами.

Проведенными в [2] расчетами было установлено, что при сжигании ПГ в атмосфере выхлопных ПС ГТУ с полным использованием содержащегося в них кислорода возможно обеспечить суммарную теплофикационную нагрузку, соответствующую нормативному отношению электрический тепловой газотурбинный Технико-экономическое сопоставление схем с раздельной выработкой электрической и тепловой энергии и с совместной их выработкой целесообразно выполнить на среднесезонную нагрузку отопления, учитывая, что она имеет наибольший удельный вес в потреблении тепла за отопительный сезон.

При расчетах нагрузка ГВС принята, как указано ранее из условия ее обеспечения выхлопными ПС без дополнительного сжигания ПГ в горелках котла. Соотношение среднесезонной нагрузки отопления и ГВС принято согласно нормативам для жилой застройки Qот/Qгвс=2. Принято, что в ночной период с 0 до 6 ч. нагрузка ГВС отсутствует. Продолжительность отопительного сезона -5000 ч. (условия г. Москвы), использования ГВС -8200 ч., электроэнергии круглогодично, т. е. 8760 ч, стоимость ПГ 1,0 руб./м 3, электроэнергии 0,7 руб. /кВт*ч.

Анализ результатов расчета, показывает:

1) Выработка электроэнергии на тепловом потреблении зависит от мощности ГТУ: при наиболее выгодном летнем режиме варьируя в пределах от 0,42 (мощность 2,5−4 МВт) до ~1,0 (мощность 16−25 МВт). В отопительный период при наиболее показательной среднесезонной отопительной нагрузке этот показатель существенно ниже и составляет в порядке увеличения мощности ГТУ от 2,5 до 25 МВт величину:

Выполненные расчеты относятся к режимам, в которых электрическая нагрузка ГТУ постоянна. Реальные условия отличаются тем, что в ночное время она снижается, причем для различных типов потребителей в разной степени.

Величина экономического эффекта от применения рассмотренной схемы напрямую зависит от количества отпущенной электроэнергии, поскольку выработка ее в ГТУ обходится дешевле, чем при заимствовании от наружной электросети.

Поэтому для расчета получаемой экономии необходимо определить количество вырабатываемой электроэнергии с учетом изменения ее в течение суток, а также времени года. В городских условиях, как правило, наибольшая доля потребления электроэнергии приходится на жилую застройку. Промышленность, а также общественные предприятия отличаются большим разнообразием характера суточного электропотребления, что должно учитываться при рассмотрении конкретных планировок обслуживаемой территории.

Результаты расчета основных статей затрат по раздельной и совместной схемам представлены в табл. 1.

При расчете количества электроэнергии учитывалась как часовая суточная неравномерность электронагрузки, так и ее помесячное изменение в течение года.

Как и в любой схеме, при данной существует неблагоприятный режим, при котором наблюдается наибольшее рассогласование электрической и тепловой нагрузок. Этот режим имеет место в ночной период при пиках теплофикационной нагрузки в январе-феврале, когда электрическая нагрузка снижается до величины 40% от номинальной. При этом уменьшается расход ПГ в камере сгорания ГТУ, а расход воздуха компрессором при обычном отсутствии направляющих аппаратов не только не уменьшается, но даже увеличивается по сравнению с номинальной нагрузкой. В результате температура ПС на входе (и выходе) турбины резко снижается, что требует увеличения расхода топлива в горелках котла. Как показали расчеты, получающийся увеличенный объем ПС (за счет увеличения производительности компрессора, а также увеличения расхода топлива в горелках котла) может при пропуске через газовый тракт котла превысить его паспортное аэродинамическое сопротивление.

Наиболее удобным способом нормализации положения явилась бы работа турбины с постоянной нагрузкой и передача избыточной мощности в ночное время в наружные электросети. Однако в настоящее время законодательной базы для осуществления этого мероприятия нет. В этих условиях возможно использование одного из двух способов нормализации положения:

• 1) подключение пикового котла,
• 2) искусственное увеличение электрической мощности турбины сверх необходимой по спросу с использованием избыточной мощности для подогрева теплофикационной воды. При втором способе, как показали расчеты, превышение мощности по отношению к необходимой невелико и малоощутимо сказывается на экономических показателях.