ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ ДЛЯ МИНИ-ТЭЦ Мусин Р.И.,Юрик Е.А.

Калужский филиал Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана


Номер: 11-4
Год: 2016
Страницы: 18-23
Журнал: Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук

Ключевые слова

мини-ТЭЦ, энергетика, энергетическая установка, heating plant, energy, power plant

Просмотр статьи

⛔️ (обновите страницу, если статья не отобразилась)

Аннотация к статье

Для достижения максимального эффекта использования энергии топлива на мини-ТЭЦ необходимо совместное производство тепловой и электрической энергии. Реализация такого решения возможна с использованием следующих схем энергетических установок: газотурбинных, паротурбинных и парогазовых. В статье подробно рассматриваются указанные схемы с перечислением их достоинств.

Текст научной статьи

Мини-ТЭЦ (мини-теплоэлектроцентраль) - это практическое воплощение двух технологий: когенерации и малой энергетики. Основной принцип когенерации - стремление к максимальному использованию энергии первичного топлива за счет совместного производства тепловой и электрической энергии, общий КПД энергетической станции в режиме когенерации составляет 80-95%. Малая энергетика - это производство энергии (электростанции и котельные мощностью до 30 МВт) непосредственно в месте ее потребления (иногда используется термин «распределенная генерация»). С этих позиций мини-ТЭЦ - это энергоагрегат, предназначенный для комбинированной выработки тепла и электричества для обеспечения потребностей, как правило, определенного потребителя. Целью применения мини-ТЭЦ является уменьшение доли электропотребления из электросети до минимума или полное ее исключение, посредством самостоятельной выработки электроэнергии. В сочетании с использованием тепла, выработанным мини-ТЭЦ, потребитель получает экономическую выгоду. Для получения этой экономической выгоды необходимо тщательное планирование и проектирование мини-ТЭЦ. Основанием для планирования и проектирования является определение правильной величины мощности мини-ТЭЦ. Для этого необходим детальный анализ потребности в тепловой и электрической энергиях и условий на конкретном объекте. Для обеспечения экономической выгоды необходима максимально высокая загрузка установки мини-ТЭЦ [1]. Основными достоинствами мини-ТЭЦ являются: 1. Невысокие потери при транспортировке тепловой и электрической энергии по сравнению с системами централизованного тепло- и электроснабжения. 2. Автономность функционирования мини-ТЭЦ (независимость от внешней энергосистемы) и возможность продажи в энергосистему излишков вырабатываемой электроэнергии или теплоты. 3. Низкая себестоимость вырабатываемой тепловой и электрической энергии (в 2-2,3 раза меньше, по сравнению с системами централизованного тепло- и электроснабжения). 4. Повышение надежности энергоснабжения, так как возможные перебои в подаче электроэнергии от внешней энергосистемы не приводят к прекращению работы мини-ТЭЦ. 5. Невысокий расход топлива для производства электроэнергии и теплоты. 6. Большой моторесурс и долговечность оборудования мини-ТЭЦ. 7. Мобильность, возможность перевозки и быстрого подключения к тепловым и электрическим сетям потребителей после доставки на место (в стационарном или контейнерном исполнении). В современных когенерационных установках роль первичного двигателя могут выполнять: поршневые двигатели, газовые турбины, паровые турбины, парогазовые турбины, паровинтовые турбины и микротурбины [2]. Основными критериями выбора типа установки являются: · Единичная электрическая и тепловая мощность; · Удельная стоимость энергоустановки; · Мотороресурс и надежность первичного двигателя; · Вид топлива; · Качество вырабатываемой электроэнергии; · Экономическая эффективность (конкурентоспособность); · Экологические характеристики; · Возможность работать в энергосистемах; · Особенности и ограничения применения; · Принцип действия и устройство когенерационных энергоустановок; · Стоимость серийного обслуживания; Газотурбинные мини-ТЭЦ (ГТУ-ТЭЦ) В этих мини-ТЭЦ, воздух, сжатый в компрессоре и газ под давлением подаются в камеру сгорания. В камере сгорания осуществляется сжигание газа. В процессе сжигания газа образуются продукты сгорания (уходящие дымовые газы), которые направляются в газовую турбину. Проходя через турбину, уходящие дымовые газы расширяются и, тем самым, передают свою энергию генератору. За счет расширения продуктов сгорания, генератор газовой турбины вырабатывает электроэнергию, которая затем поступает к потребителям. После газовой турбины для теплоснабжения потребителей предусматривается установка газо-водяного теплообменника-утилизатора или парового котла-утилизатора (рисунок 1). В этих аппаратах используется теплота продуктов сгорания (с температурой 420-500 ºС) для нагрева сетевой воды или для выработки пара. Примерно 40% энергии от сгорания газа приходится на выработку электроэнергии, остальные 60% используются для производства теплоты. Электрический КПД газотурбинных мини-ТЭЦ в среднем равен 25-35%. Общий коэффициент использования теплоты (по сумме электрической + тепловой мощности) у газотурбинных мини-ТЭЦ достигает 75-85%. Спектр выпускаемых газотурбинных мини-ТЭЦ достаточно широк и лежит в диапазоне от 2,5 до 25 МВт по электрической мощности. Тепловая мощность газотурбинных мини-ТЭЦ (при температуре уходящих дымовых газов 100-115 ºС) составляет от 1,5 до 27 Гкал/ч. Как правило, газотурбинные мини-ТЭЦ выпускаются в виде модулей полной заводской готовности для стационарного размещения или в блочно-контейнерном исполнении. К достоинствам ГТУ-ТЭЦ относятся: 1. Способность работать на различных видах топлива (газообразном и жидком). 2. Длительность периода, на протяжении которого оборудование ГТУ-ТЭЦ может эксплуатироваться без остановки (до 9000 часов). 3. Незначительный расход смазочного масла для оборудования ГТУ-ТЭЦ (до 1,3 тонн в год). 4. Малые выбросы вредных веществ в окружающую среду (NOX = 25-50 ppm; CO = 60-75 ppm). 5. Высокое значение отношения отпускаемой теплоты к производимой электроэнергии ). 6. Возможность производства пара в котлах-утилизаторах ГТУ-ТЭЦ. Это обстоятельство позволяет использовать газотурбинные мини-ТЭЦ на промышленных предприятиях для покрытия технологической тепловой нагрузки [5]. Рис.1. Принципиальная схема газотурбинной мини-ТЭЦ: 1 - Воздушный компрессор; 2 - Газовая турбина; 3 - Генератор; 4 - Камера сгорания; 5 - Дожимающий компрессор; 6 - Газо-водяной теплообменник-утилизатор; 7 - Насос; 8 - Дымосос. Мини-ТЭЦ на базе малых паротурбинных установок (ПТУ-ТЭЦ), а также на базе паровых роторных объемных машин (ПРОМ) и паро-винтовых машин (ПВМ). Надстройка существующих паровых и пароводогрейных котельных осуществляется паротурбинными установками (или установками ПРОМ и ПВМ). Когда давление пара на выходе из паровых котлов значительно выше, чем требуется потребителям теплоты (или для собственных нужд котельной), вместо редукционных установок используются паровые турбины малой мощности (100-4000 кВт). Эти турбины работают на насыщенном или перегретом паре с давлением 8-40 кгс/см2 и температурой 140…450 ºС. Проходя через турбину, пар расширяется, его давление уменьшается и, тем самым, он передает свою энергию генератору. За счет расширения пара генератор паровой турбины вырабатывает электроэнергию, которая затем поступает к потребителям. После турбины пар с давлением 3-7 кгс/см2 и температурой 135…165 ºС поступает для теплоснабжения технологических потребителей теплоты или для собственных нужд котельной (рисунок 2). Также возможно пар после турбины использовать в конденсаторе-бойлере для подогрева сетевой воды до температуры 80...90 ºС для коммунально-бытовых нужд потребителей теплоты. На российском рынке представлены отечественные и зарубежные паротурбинные мини-ТЭЦ на базе блочных турбогенераторов с электрической мощностью от 0,1 до 4 МВт и тепловой мощностью от 1,1 до 27 Гкал/ч. Перспективным направлением реализации возможности комбинированной выработки электроэнергии и теплоты в паровых и пароводогрейных котельных с паровыми котлами низкого и среднего давления является использование паровых роторных объемных машин (ПРОМ) и паро-винтовых машин (ПВМ) [3]. Рис. 2. Принципиальная схема ПТУ-ТЭЦ на базе блочных турбогенераторов: 1 - Паровой котел; 2- Блочный турбогенератор; 3 - Генератор; 4 - Редукционная установка; 5 - Расширитель; 6 - Охладитель непрерывной продувки; 7 - Подогреватель; 8 - Насосы; 9 - Деаэратор; 10 - Охладитель выпара; 11- Химводоочистка. В сравнении с ПТУ-ТЭЦ энергоагрегаты ПРОМ и ПВМ имеют следующие преимущества: · Не требуют высоких и жестких ограничений к качеству поступающего пара (могут эффективно работать на водяном паре со степенью сухости меньше 0,98); · Имеется возможность изменения параметров пара на выходе из энергоагрегата. При этом появляется возможность регулирования соотношения электрической и тепловой мощности мини-ТЭЦ; · Энергоагрегаты ПРОМ и ПВМ имеют малые габариты, металлоемкость и вес. Это обстоятельство обеспечивает возможность установки машин в существующем здании котельной без сооружения дополнительного помещения и массивного фундамента. Мини-ТЭЦ на базе ПГУ. Электрический КПД парогазовых установок (ПГУ) достигает 58%, а при использовании пара для выработки тепла общий КПД возрастает до 96%, в то время как обычная электростанция выдает 35%. ПГУ - реальная и выгодная перспектива теплоэнергетики, и строительство таких блоков лежит в основе государственной программы модернизации энергетической отрасли страны. Комбинированный парогазовый цикл (технология NGCC) включает в себя газотурбинную установку, котел-утилизатор и паровую турбину. ГТУ, паровой котел-утилизатор, паровая турбина и турбогенератор вместе образуют бинарную парогазовую установку (ПГУ). Принципиальная схема бинарной ПГУ приведена на рисунке 3. В современных энергетических ГТУ температура отработавших в турбине уходящих дымовых газов составляет 550-640 °С. Их тепловой потенциал может быть использован (утилизирован) в паровом котле-утилизаторе (КУ). Каждая газотурбинная установка работает на свой КУ, в котором вырабатывается пар, поступающий в паровые турбины. В паровых турбинах вырабатывается дополнительная электроэнергия. Проходя через паровые турбины, пар поступает в конденсатор и конденсируется. Конденсат с помощью насосов направляется в котел-утилизатор [4]. Рис. 3. Двухконтурная бинарная ПГУ с паровой турбиной типа Р Парогазовые установки обладают рядом преимуществ по сравнению с традиционными газовыми и угольными электростанциями: · Более высоким электрическим КПД - до 60 %; · Более низкие капитальные затраты: 650-1100 долл. США/кВт против 1400-1500долл. США/кВт для обычной паротурбинных электростанции; · Более сжатые сроки строительства благодаря блочной конфигурации парогазовых установок: 2-3 года против 6-8 лет для обычных паротурбинных электростанций; · Низкий уровень выбросов по сравнению с традиционными угольными электростанциями - снижение выбросов более чем на 50%. Возможны различные сочетания газотурбинных и паротурбинных циклов. Среди них доминируют: 1. Двухконтурная бинарная ПГУ с паровой турбиной типа Р. 2. Двухконтурная бинарная ПГУ с паровой турбиной типа Т. 3. Двухконтурная бинарная конденсационная ПГУ. 4. Трехконтурная бинарная ПГУ с паровой турбиной типа Т с промежуточным перегревом пара. Вывод Как уже отмечалось выше, инвестиционная привлекательность проектов строительства мини-ТЭЦ не вызывает сомнения. Они характеризуются относительно высокой производительностью при небольших габаритах и массе. Это дает возможность устанавливать ее в практически любом здании котельной без значительных объемов строительных работ. Конкурентоспособность энергоустановок с ГТУ, ПТУ и ПГУ обеспечивается достаточно низкой в сравнении с другими видами оборудования удельной стоимостью за МВт установленной мощности. Выбор той или иной схемы мини-ТЭЦ требует решения сложной технико-экономической задачи, учитывающей такие факторы как эффективность и надежность установки, стоимость разработки, изготовления и эксплуатации и т.д.

Научные конференции

 

(c) Архив публикаций научного журнала. Полное или частичное копирование материалов сайта возможно только с письменного разрешения администрации, а также с указанием прямой активной ссылки на источник.