Разработка методики выбора газопоршневых установок для энергоснабжения потребителей

Радикальный путь обеспечения внутренней энергобезопасности — децентрализация энергетики, которая с учетом переделки котельных, работающих на газе (сейчас они сжигают не менее 40% потребляемого в стране газа), в небольшие электростанции даст в России не только прибавку в выработке тепла и электричества, но и станет одной из основ экономии того же газа".

Фаворский О.Н.

Важнейшим фактором конкурентоспособности электроэнергетики является её технический уровень. Вместе с тем, современное состояние электроэнергетики России, к сожалению, характеризуется значительным технологическим отставанием от достигнутых в мире результатов, существенно снижающим технический уровень отрасли.

Ключевой проблемой российской энергетики является обеспечение эффективных экономических механизмов и условий для создания в сжатые сроки новой технологической базы, инновационного развития и технического перевооружения электроэнергетики на её основе и вывод отрасли на передовой мировой уровень. В табл.В.1 приведены некоторые целевые показатели технического уровня электроэнергетики согласно «Сценарным условиям развития электроэнергетики на период до 2030 г.» [1], достижение которых должно быть обеспечено только в результате внедрения новых технологий.

Таблица В.1.

Показатели технического уровня электроэнергетики^ п/п Наименование показателей 1 этап (2010—2015 гг.) 2 этап (2016—2020 гг.) 3 этап (2021—2030 гг.).

1. Наилучшийдостигнутый термический КПД, %: 60 68.

— ТЭС на газе (ПГУ) — 57.

— ТЭС на твёрдом топливе- 44 53 60.

— АЭС- 32 34 36.

2. Средний эксплуатационный удельный расход топлива на отпуск электроэнергии от ТЭС: -г у.т./кВт.ч, (% к уровню 2005 г.) — до 315 (94%) до 300 (90%) до 270 (81%) п/п Наименование показателей 1 этап (2010—2015 гг.) 2 этап (2016—2020 гг.) 3 этап (2021—2030 гг.).

3. 3.1. Газовые ТЭС, замена ПСУ на ПГУ: 50% 100% «.

3.2. ПСУ СКД 24 МПа, 545/545 °С- 50% 100%.

3.3. ПСУ 13 МПа, 565 °СПСУ 3,0−9,0 МПа, 410−510 °С- 100%.

4. Угольные ТЭС, сжигающие газ:

4.1. замена ПСУ на острова ПГУ- 100% ;

4.2. ввод газификаторов, замещение природного газа синтезгазом — 100%.

5. Теплоснабжение:

5.1. Тепловые насосы, доля отпуска тепла в системах ГВС- 3% 7% 15%.

5.2. Потери в тепловых сетях до 12% до 10% до 8%.

6. Потери в электрических сетях, до 12 ДО 10 до 8,6 от отпуска электроэнергии в сеть.

Г) С учётом значений индикаторов в проекте Энергетической стратегии Без учёта улавливания и захоронения СО2.

Для достижения намеченных ориентиров в электроэнергетике рекомендованы следующие меры:

1) установление запретов на использование энергорасточительных технологий;

2) стимулирование использования предприятиями всех отраслей экономики возобновляемых источников энергии, а также экологическии энергоэффективных технологий;

3) оказание поддержки развитию отечественного машиностроения по созданию образцов энергосберегающих технологий нового поколения;

4) стимулирование развития технического консалтингаэнергетического аудита через специальные проекты, реализуемые в рамках программы поддержки развития малого бизнеса (бизнес-инкубаторы, программы обучения и др.);

5) обеспечение прямой поддержки со стороны государства реализации инвестиционных проектов в энергетической сфере, предусматривающих внедрение энергосберегающих технологий нового поколения;

6) развитие автоматизированных систем коммерческого учета электрической и тепловой энергии розничного рынка;

7) реализация специальных мер по повышению энергетической эффективности жилищно-коммунального комплекса.

В новых экономических условиях перехода к социально-ориентированным рыночным отношениям при высоком уровне инфляции и отсутствии возможности использования централизованных средств для замещения отработавших свой ресурс и требующих замены генерирующих мощностей, ориентация на традиционное централизованное электро и теплоэнергоснабжение от крупных источников становится проблематичной.

Применение локальных систем производства электрической и тепловой энергии с использованием поршневых или газотурбинных двигателей является одним из возможных решений данной задачи. Внедрение локальных систем энергоснабжения обеспечит необременительное для бюджета развитие энергетической инфраструктуры страны и приведет к существенным положительным изменениям в экономике.

Создание таких островных энергоустановок имеет ряд преимуществ. Среди них основными являются короткие сроки строительства, повышение надежности электро и теплоснабжения потребителей, снижение инерционности теплового регулирования, потерь в тепловых сетях, относительно сетей подключенных к крупным РТС и ТЭЦ и электрических сетях ввиду существенного сокращения их протяженности.

Выбор типа двигателя обуславливается объемами и графиками суточной и месячной потребности энергии для конкретного производства. Как правило, для получения электрической мощности до 1.10 МВт применяются газопоршневые установки (ГПУ), а для мощности более 10 МВтгазотурбинные (табл.В.1) [2].

Таблица B.l.

Анализ продаж ГПУ и ГТУ в 2010 г.

Диапазон мощности, МВт Кол-во ГПУ, шт. Кол-во ГТУ, шт.

1.01−2,0 9 949 80.

2.01−3.5 1 791 40.

3.51−5.0 149 64.

5.01−7,5 92 88.

7.51−10 347 50.

10.01−15 34 131.

15,01−20 64 4.

20.01−30 17 13 более 30,01 1 217.

На рис.В. 1 представлен ретроспективный анализ продаж ГПУ всех типов газовых, дизельных и двухтопливных), что подтверждает постоянно растущий спрос на данную технологию в энергетическом секторе.

6000 14 000 12 000 н 10 000 р. 8000.

§ 6000 ¦ с 4000 2000 0.

1978 1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010.

Рис.В. I. Анализ продаж ГПУ мощностью свыше I МВт для энергетических целей.

Российский рынок газогюршневых электрогенераторных установок, применяемых для децентрализованной выработки энергии, является весьма обещающим. Ожидается, что в течение двух ближайших лет его рост составит около 15−20%.

Россия, имеющая колоссальные запасы природного газа, а также испытывающая потребность в электроснабжении удаленных районов имеет возможность решения проблем электроснабжения с помощью газопоршневых электростанций станций (ГПЭС) малой мощности.

Настоящая работа посвящена исследованию потенциала применения ГПД для энергоснабжения различных категорий потребителей. Основной частью работы является разработка методики выбора ГПУ как с технической, так и с экономической точки зрения. Рассмотрены основные вопросы расчета показателей тепловой экономичности ГПЭС, тепловых схем и предложены алгоритмы выбора ГПУ.

Работа выполнена под руководством кандидата технических наук, доцента кафедры ТЭС МЭИ (ТУ), зав. каф. ТЭС Бурова В. Д. Автор выражает руководителю работы проф. Бурову В. Д. и с.н.с. каф. ТЭС, кандидату технических наук Макаревичу В. В. благодарность и признательность за участие, и постоянную поддержку. Автор работы благодарит коллектив НИЛ «ГТУ и ПТУ ТЭС» за помощь, а также сотрудников кафедры Тепловых электростанций МЭИ за ряд сделанных важных замечаний и полезных рекомендаций.

5.5. Выводы по пятой главе.

Исследования, выполненные в пятой части диссертационной работы позволяют сделать следующие выводы:

1. Разработаны основные положения методики определения экономической эффективности строительства ГПЭС для энергоснабжения потребителей, учитывающие специфику каждой из рассматриваемых категорий потребителей.

2. Определен состав основного оборудования и стоимость строительства ГПЭС в зависимости от категории потребителя, вида топлива и типа газопоршневых установок.

3. Проведена оценка экономической эффективности строительства.

ГПЭС на базе всех рассматриваемых типов ГПУ с использованием сертифицированной программы Project Expert" и выполнено ранжирование полученных результатов по внутренней норме доходности.

4. Для повышения надежности расчетной оценки эффективности строительства ГПЭС выполнен анализ чувствительности технико-экономических показателей проекта к изменениям требуемого объема инвестиций, объема отпускаемой энергии, тарифа на электроэнергию и цен на топливо. В результате установлено, что строительство ГПЭС является эффективным способом производства электроэнергии для автономного энергоснабжения всех рассматриваемых категорий потребителей.

5. Сравнение результатов ранжирования ГПУ по разработанной автором методике, которая позволяет определить тройку лидеров при выборе ГПУ для энергоснабжения потребителей, подтверждено результатами финансово-экономического анализа.

По диссертационной работе можно сделать следующие выводы:

1. В работе были оценены перспективы применения газопоршневых установок в качестве автономных источников генерации малой энергетики, проведена классификация ГПУ по мощности и типу используемого топлива, выделены производители ГПУ, наиболее востребованные на российском рынке для автономного энергоснабжения [72]. Проведено исследование характеристик ГПУ, отобранных ГПУ для исследования.

2. Выполнен анализ возможности применения ГПУ для энергоснабжения различных категорий потребителей. В зависимости от вида топлива ГПЭС, графиков и характера электрических нагрузок были выделены четыре основные категории потребителей, а именно: ЖКХ и промышленности, топливоприродный газнефтедобывающие предприятия, топливо — попутный нефтяной газ и предприятия угольной промышленности, топливо — шахтный газ.

3. В результате анализа большого количества различных тепловых схем действующих и проектируемых ГПЭС разработана обобщенная технологическая схема ГПЭС для автономного энергоснабжения потребителей. На основе этой схемы проведены расчетные исследования ГПЭС и получены данные для расчета годовых показателей работы ГПЭС.

4. На основании сравнительного анализ методов рационального выбора сложных объектов выбрана базовая методика, а именно метод анализа иерархий Саати, которая была модифицирована с учетом специфики энергетического производства и особенностей каждой из категорий. Разработаны методические основы и алгоритм построения иерархической факторно-критериальной модели .

5. Проведенные исследования позволили выявить наиболее значимые критерии, влияющие на выбор типа ГПУ с учетом особенностей каждой из рассматриваемых категорий потребителей и приоритетов технической, экономической, эксплуатационной и экологической эффективности энергообъекта, именно: КПД, скорость нагружения/разгружения, оборотистость, полный ресурс, удельные капитальные затраты и затраты на РТО.

6. Согласно выбранной цели исследования и принятым граничным условиям, отобраны наиболее перспективные газопоршневые установки для энергоснабжения четырех рассматриваемых категорий потребителей. На основе разработанной методики составлены полнозаиолненные матрицы попарных сравнений и проведено исследование целесообразности применения ГПУ для энергоснабжения потребителейданы рекомендации по выбору ГПУ для каждой категории, а именно: для потребителей ЖКХ предпочтительно применение высокооборотные ГПУ, в остальных категориях в равной мере могут использоваться как высооборотные ГПУ, так и энергоустановки с ГПД повышенной оборотностидля потребителей категорий 1,2 можно выделить следующие ГПУ: Waukesha серии APG и Jenbacher серии 320 и 620. Данные установки имеют сравнительно высокие КПД, большую скорость нагружения/разгружения при сравнительно невысокой удельной стоимостидля нефтедобывающих компаний наиболее важными критериями при отборе ГПУ являются скорость набора/сброса нагрузки, а также ресурсные и весо-габаритные показатели. Из исследованных вариантов ГПУ, наиболее полно отмеченным критериям отвечают ГПУ фирмы Waukesha серии ATGL, APG и фирмы Cummins серии 1750. для угледобывающих компаний были выделены следующие критерии: скорость набора/сброса нагрузкинадежность и экологичность. При работе ГПУ на шахтном газе, так же как и ПНГ лучшие показатели по совокупности факторов имеют высокооборотные ГПУ и установки повышенной оборотности фирмы Waukesha серии ATGL и APG.

7. Для проверки достоверности полученных результатов выполнен финансово-экономический анализ ГПУ на основе выбранных экономических критериев ранжирования с использованием сертифицированной программы расчета «бизнес-планов» Project Expert, адаптированной к экономическим расчетам в энергетике, что гарантирует достоверность полученных результатов.

8. Сравнение результатов ранжирования ГПУ по разработанной автором методике, которая позволяет определить тройку лидеров при выборе ГПУ для энергоснабжения потребителей, подтверждено результатами финансово-экономического анализа и анализа чувствительности полученных показателей к различным факторам.

9. Разработанная автором методика [73] позволяет свести к минимуму влияние субъективных факторов и выполнить первоначальный отбор оптимальных типов ГПУ для каждой категории потребителей без проведения подробных технических и экономических расчетов.