Апгрейдэнерго

Когенерирующая энергетика

Апгрейдэнерго

Когенерирующая энергетика

Апгрейдэнерго

Когенерирующая энергетика

Апгрейдэнерго

Когенерирующая энергетика

Апгрейдэнерго

Когенерирующая энергетика

Что такое когенерация?

Понятие "когенерация" не новое для отечественной энергетики. Но в малой энергетике данные технологии ранее применялись редко и долгие годы широко  использовались, в основном, на крупных паротурбинных электростанциях. Однако сегодня, наряду с «большой» энергетикой, весьма значительной становится и роль объектов малой энергетики: автономных электростанций на базе газовых тепловых двигателей с диапазоном единичных мощностей 100...4300 кВт. Коммунальные водогрейные котельные успешно реконструируются в когенерационные ТЭЦ на базе газопоршневых моторов, а заводские паровые котельные — в когенерационные газопоршневые энергоцентры. Итак, что же такое «когенерация»?

Физическая суть термина «когенерация»

Когенерация (от англ. «co + generation», «совместная генерация») — это совместный процесс производства электрической и тепловой энергии внутри одного устройства — когенерационной установки (мини ТЭЦ, КГУ). Механическим источником выработки электрической энергии является первичный привод, который вращает ротор электрогенератора: газопоршневой двигатель (подробнее здесь), газовая или паровая турбина. Тепловая энергия получается за счёт утилизации тепловых потерь (утилизация тепла охлаждающей жидкости, смазочного масла, сжатой газовоздушной смеси и уходящих газов) первичного приводного двигателя — газопоршневого, газовой турбины, дизеля.

Вырабатываемую когенерационными установками тепловую энергию используют для производства горячей воды, пара, в холодильных установках, а также в технологических процессах сушки горячим воздухом.

У современных когенерационных установок на базе газопоршневых двигателей, при полной реализации выработанной электрической и тепловой энергии, коэффициент использования теплоты сгорания топлива доходит до 85...90% и только 10% теряются. Экономия топлива при выработке энергии в когенерационном цикле может достигать до 40% по сравнению с раздельным производством того же количества электроэнергии и при использовании теплоты от специального горелочного устройства. Например, используя тепло выхлопных газов и охлаждающей жидкости газового двигателя мощностью 500 кВт для отопления, можно обеспечить теплом площадь размером в 4...4,5 тыс. м2, поддерживая нормальную температуру в помещениях. [2]

Сравнение энергетических потоков при раздельной и комбинированной выработке энергии (когенерация) выглядит следующим образом (данные приведены в условных единицах топлива):

* данные приведены в условных единицах топлива
иллюстрация базируется на: International Energy Agency analysis, USEPA, 2008

Различают две основные группы когенерационных установок:

  1. Установки одновременного производства электрической и тепловой энергии (зарубежный аналог: СНР — combined heat and power plant);
  2. Установки (электростанции) комбинированного цикла с утилизационным котлом и паровой турбиной (зарубежный аналог: ССР — combined cycle power plant). Чаще — это электростанции с газовой турбиной, котлом-утилизатором и паровой турбиной (ПГУ — парогазовые установки большой мощности). Но есть проекты где вместо газовой турбины использовался газопоршневой двигатель и паровая турбина малой мощности.

В зависимости от вырабатываемой электрической мощности, когенерационные электростанции разделяют на следующие группы [1]:

  • микро электростанции (мощность от 1 до 250 кВт);
  • мини (мощность от 250 до 1000 кВт);
  • малые (мощность от 1 до 60 МВт) - эту группу для простоты зачастую объединяют с предыдущей;
  • средние (мощность от 60 до 300 МВт);
  • большие (мощность более 300 МВт).

Подчеркнем, что здесь речь идет о мощности электростанций, а не единичной мощности первичного приводного агрегата. Принято считать, что мощности до 250 кВт (микро электростанции) целесообразно и возможно покрывать газопоршневыми или дизельными агрегатами, а также различными установками альтернативной энергетики. От 250 кВт до 10-15 МВт — с помощью газопоршневых агрегатов. Мощности до 60 МВт — с помощью газопоршневых агрегатов (или газовых турбин при единичных мощностях от 20 МВт), а средние и большие мощности — с помощью газовых и паровых турбин или парогазовых установок.

Когенерация: страницы истории

Утилизацию тепла работы силовых агрегатов применяют сравнительно давно. В большой энергетике за последние пол столетия уже стала нормой реализация тепловых схем с применением больших паровых турбин типа Т, ПТ, Р с «теплофикационными» или «промышленными» отборами пара. Также, к примеру, на больших судах вскоре после окончания Второй мировой войны начали устанавливать утилизационные котлы, использовавшие для нагрева воды теплоту выпускных газов приводного двигателя. Т.е. эффективность и целесообразность применения когенерации уже многие годы не вызывает сомнений.

В 80-х годах прошлого века началось применение в широких масштабах малых электростанций, особенно местных децентрализованных, с одновременным производством электрической и тепловой энергии (когенерация). Вклад таких электростанций в энергетику постоянно возрастает. Лидерами по когенерации в малой энергетике являются европейские страны. По имеющимся оценкам суммарная мощность малых электростанций к 2000 году в странах Европы составляла порядка 65...70 ГВт, что примерно равно 9% мощности всех электростанций. По прогнозам COGEN EUROPE (ассоциация, стимулирующая развитие малой энергетики и когенерации), к 2010-2011 году ожидается рост до 180 ГВт, т. е. до 18% от мощности всех электростанций в Европе, а в странах бывшего СССР к 2015 году ожидается удвоение мощности когенерационных объектов малой энергетики.

Стоит отметить, что исторически термины "теплофикация" (применялся в СССР) и "когенерация" (применяется на Западе) по своей технической сути являются тождественными, хотя в смысловом отношении второй более точен, отражая комбинированную (совместную) генерацию тепловой и электрической энергии (в одном источнике и одновременно). Названием «теплофикация» в СССР акцент выносился на один из видов энергии и по сути был связан с широким применением в городах и других населенных пунктах централизованного теплоснабжения. Поскольку в большинстве случаев источником тепловой энергии являлись теплоэлектроцентрали (ТЭЦ), то термин «теплофикация» в СССР начали применять и для обозначения процесса комбинированной выработки электрической и тепловой энергии, т.е. именно той технологии, которая с последней четверти XX века во всех промышленно развитых странах определялась как «когенерация» (cogeneration или СНР - combined heat & power). В связи с этим, в наше время термины «теплофикация» и «когенерация» употребляются равнозначно, однако при описании технологий, основанных на современных газопоршневых двигателях и газотурбинных установках, предпочтение отдается термину «когенерация». [5]

Почему именно когенерация?

На сегодняшний день возникло множество аргументов для внедрения когенерационных технологий. Когенерационные установки обладают замечательными особенностями: дешевизной электрической- и тепловой энергии (по сравнению с покупаемой из сети), близостью к потребителю, отсутствием необходимости в дорогостоящих ЛЭП и подстанциях, экологической безопасностью, мобильностью, легкостью монтажа и многими другими факторами.

Малая энергетика является не только альтернативой централизованной системе — она становится основой для быстрого развития вновь осваиваемых районов, открывающихся новых производств и расширения существующих. Очень часто из-за изношенности оборудования существующих электросетей затруднено подключение новых промышленных потребителей, а иногда и просто экономически нецелесообразно (в случае большого удаления потребителя от ЛЭП). В результате, применение автономных энергоисточников с комбинированным производством электрической и тепловой энергии (когенерация) обеспечивает определенный энергетический резерв в централизованной системе.

Развитие когенерации (и малой энергетики в целом) обусловлено целым рядом факторов:

  1. Экономическая выгода:
    • экономическая выгода когенерацииПолучение прибыли за счёт разницы в себестоимости вырабатываемой когенерационной установкой энергии и ценой покупаемого в энергосистеме кВт·ч энергии. Электрический КПД газопоршневых когенерационных установок в 1,5 раза выше чем у установленных паровых турбин и, соответственно, выработанная энергия дешевле;
    • Большинство энергоблоков мощных паротурбинных электростанций и оборудование промышленных ТЭЦ выработали свой ресурс, а некоторые — двойной ресурс. При этом электрический КПД многих энергоблоков паротурбинных ТЭЦ, вследствие износа основного оборудования и автоматики, снизился до 28% (т.е. на 20% от расчетных 35%). Все это самым негативным образом сказывается как на надежности энергоснабжения, так и на цене вырабатываемого киловатта энергии для потребителя. Цена неэффективно использованного топлива и затраты на не плановые ремонты ложатся на плечи потребителя. Применение собственных когенерационных установок избавляет от негативного влияния данного фактора.
  2. Доход от использования специальных газов. Применением гибких экономических механизмов Киотского протокола и специальных «зеленых тарифов» на продажу электроэнергии в сеть (при работе на шахтном газе, попутном нефтяном газе, биогазе, свалочном газе, коксовом газе и т.д.) для сокращения срока окупаемости проекта и получения дополнительной прибыли.
  3. Дешевое тепло. Возможность получения и полезного применения отводимой от двигателя теплоты в виде горячей воды или пара (с минимальными транспортными потерями).
  4. Надежность энергоснабжения. Необходимость резервирования энергоснабжения от централизованных источников, что обусловлено участившимися аварийными ситуациями и связанными с этим экономическими потерями.
  5. Небольшие сроки и гибкость ввода в эксплуатацию:
    • Явно недостаточные темпы ввода новых мощностей в «большой» энергетике;
    • Большие затраты на ввод мощных электростанций;
    • Небольшие затраты на ввод автономных электростанций (в частности — газопоршневых когенерационных энергоцентров);
    • Возможность ввода автономных когенерационных газопоршневых энергоустановок в короткие сроки.

В настоящее время отмечается, что недостаточное и некачественное электроснабжение объектов различного назначения является одним из факторов сдерживания экономического роста. Особенно данное утверждение актуально для стран Азии где, в результате бурного роста промышленного производства и нехватки генерирующих мощностей центральной энергосистемы, наблюдается бум малой энергетики.

Когенерация является практически оптимальным вариантом, обеспечивающим надежность снабжения электрической энергией. Увеличение мощностей предприятия при традиционном энергообеспечении связано с множеством организационных, финансовых и технических трудностей, поскольку часто необходимы прокладка новых линий электропередачи, строительство новых трансформаторных подстанций, перекладка теплотрасс и т.д. В то же время когенерация предлагает крайне гибкие и быстрые в плане наращивания мощностей решения.

Увеличение мощностей с помощью когенерационных модулей может осуществляться как малыми, так и достаточно большими долями — этим поддерживается тесная взаимосвязь между генерацией и потреблением энергии. Таким образом, обеспечиваются все энергетические нужды, которые всегда сопровождают экономический рост.

Зачем нужна децентрализация энергоснабжения? [3]

Одно из твердых убеждений представителей электроэнергетической индустрии заключается в том, что транспортировка электроэнергии является лучшим способом ее доставки конечным потребителям. Однако, все большее число экспертов подвергают сомнению эти укоренившиеся представления.

При этом ставится три основных вопроса:

  1. Допустима ли высоковольтная передача с экологической точки зрения, с точки зрения здоровья населения и воздействия на ландшафт?
  2. Являются ли необходимыми затраты на передачу энергии, которые ложатся на потребителей?
  3. Необходима ли транспортировка вообще?

По первому вопросу необходимо сказать следующее. Сохраняется озабоченность населения по поводу долгосрочного воздействия электромагнитного излучения на здоровье людей, проживающих вблизи от линий высоковольтной электропередачи. Вопрос о существовании такого вида риска открыт для обсуждения. Но не подлежит обсуждению тот факт, что население все больше склоняется к мнению о недопустимости строительства новых линий.

Переходя ко второму вопросу, следует отметить, что вся система затрат на передачу электроэнергии, включая строительство, текущий ремонт, энергетические потери и операции, выглядит более привлекательно в случае либерализованного рынка, чем планируемого централизованно. Широко распространено мнение о том, что если сравнивать транспортировку электроэнергии и газа на честной и прозрачной основе, то окажется, что в случае электроэнергии затраты многократно превышают таковые для газа (по некоторым источникам — почти в 12 раз). Это ставит под сомнение необходимость расширения сетей и подтверждает целесообразность увеличения числа объектов малой энергетики в непосредственной близости к потребителю.

Наконец, по поводу третьего вопроса нужно сказать следующее. Если страны двигаются в направлении широкомасштабной децентрализации энергоснабжения на базе когенерации и использования возобновляемых источников энергии, возникает вопрос о том, нужна ли центральная сеть общенациональных масштабов вообще? По мере роста темпов технологических изменений традиционная энергосистема, которую люди считают чем-то само собой разумеющимся, может превратиться в нечто практически не заслуживающее одобрения. [3]

Лучшей альтернативой существующему энергоснабжению являются когенерационные установки, вырабатывающие более дешевые электроэнергию и тепло в непосредственной близости к потребителю, обеспечивая тем самым быстрый и устойчивый возврат инвестиций.

Когенерация в жилищно-коммунальном секторе

Преимущества когенерации на базе газо­поршневых электрогенераторных установок могут представлять особый интерес для жи­лищно-коммунальных хозяйств. Например, при использовании таких установок затраты на строительство коммуникаций уменьшаются в 1,5-4 раза по сравнению с подведением тепла и электроэнергии от больших централизованных источников.

Эти преимущества успешно используются в жилищно-коммунальных хозяйствах евро­пейских стран. Как правило, такие станции монтируют на базе существующих котельных, из которых убирается старое водогрейное оборудование. Тепловая энергия поступает жителям близ­лежащих домов, а электроэнергия — в централизованную сеть. По такому же пути целесообразно модернизировать коммунальную энергетику в малых городах нашей страны.