Повышение эффективности коммунальной и промышленной энергетики за счет развития распределенной когенерации
Опубликовано: 30 июня 2016 г.
362
Дильман М.Д., канд. техн. наук, Филиппов С.П., член-корр. РАН ИНЭИ РАН, Институт энергетики НИУ ВШЭ
Комбинированная выработка электрической и тепловой энергии (когенерация) является признанным способом энергогенерации, позволяющим экономить топливо и суммарные затраты на энергоснабжение по сравнению с их раздельным производством.
Когенерация способна обеспечить коэффициент использования теплоты топлива (КИТ) на уровне 85-90% и более с выработкой при этом не только тепловой, но и более ценной - электрической энергии. Благодаря этим преимуществам когенерации в 20 веке в стране получили массовое распространение паротурбинные ТЭЦ. Особенность развития когенерации в последние годы - потребность в установках малой мощности (от 0,2 до 20 МВт), способных в краткие сроки решить локальные проблемы дефицита мощности, снизить промежуточное потребление промышленных предприятий, повысить надежность энергоснабжения потребителей. Сооружение электростанций на базе когенерационных установок небольшой мощности (распределенная когенерация) будет способствовать улучшению ситуации с неоправданно высокой централизацией генерации, сложившейся в России, снижению сетевой составляющей в стоимости электроэнергии, снижению сетевых потерь.
Развитию распределенной когенерации в нашей стране способствует наличие большого количества котельных суммарной мощностью около 450 тыс. Гкал/ч, из которых более 50 % относятся к полностью изношенным фондам, подлежащим замене. Около 75 % котельных работают на природном газе. Однако в качестве базы для когенерации можно рассматривать лишь часть этих тепловых мощностей, поскольку по ряду причин (основной из которых является падение промышленного производства) котельные оказались сильно недогруженными: среднее число часов использования их установленной мощности составляет менее 1400 ч/год. К факторам, способстувующим широкому внедрению когенерации, относятся прогнозируемый рост цен на газ и электроэнергию. Кроме того, спрос на электроэнергию растет быстрее по сравнению со спросом на тепловую энергию, имеют место ограничения в подключении к электрическим сетям, а вводы генерирующих мощностей в ЭЭС имеют длительный инвестиционный цикл. Это означает, что электроэнергия, выработанная на тепловом потреблении, будет востребована. Развитию когенерации также способствует широкое предложение на рынке когенерационных установок разных типов и улучшение их технико-экономических показателей. Совокупность этих факторов открывает "окно возможностей" для существенного повышения эффективности и модернизации систем теплоснабжения на базе когенерационных технологий.
Трендом последних лет является достаточно активное сооружение крупными предприятиями собственных мини-ТЭЦ. В коммунальной энергетике уровень внедрения малых когенерационных установок пока остается низким, что обусловлено в основном экономическими факторами - большими инвестиционными затратами, высокой стоимостью заемных средств и длительными сроками окупаемости.
Развитие когенерации должно производиться на базе технико-экономического обоснования с учетом местных условий - наличия незагруженных мощностей крупных ТЭЦ, степени использования установленной мощности котельных, дефицита электрической и тепловой энергии, прогнозных электрической и тепловой нагрузок, наличия связей с ЭЭС, цен на топливо и энергию, климатических характеристик и др.
Применительно к конкретным проектам эффективность преобразования котельной в мини-ТЭЦ во многом определяется оптимальным выбором типа электрогенерирующего оборудования. В настоящее время на рынке представлено большое количество агрегатов разных типов отечественного и зарубежного производства, пригодных для преобразования в мини-ТЭЦ котельных любой мощности: микротурбины, газопоршневые агрегаты (ГПУ), газотурбинные (ГТУ) и небольшие парогазовые (ПГУ) установки. Эти типы установок существенно различаются КПД и диапазоном единичной мощности (рисунок 1, построенный по данным [1, 2]). КПД современных импортных микротурбин составляет 25-35%, ГПА – до 40-45%, небольших ГТУ – 25-30%, ПГУ - 40-50%. Соответственно, когенерационные установки на их основе будут иметь разное соотношение электрической и тепловой мощности и, в общем случае, разные значения КИТ.
Рисунок 1 - Зависимость КПД по выработке электроэнергии от типа и мощности когенерационных установок
Представленные на рынке когенерационные установки существенно различаются удельными экономическими характеристиками. По данным реализованных проектов удельные капиталовложения в мини-ТЭЦ с ГПУ ниже, чем в мини-ТЭЦ с ГТУ (рисунок 2, здесь и далее экономические оценки приводятся по состоянию на 2013 г.), что объясняется, главным образом, бóльшими масштабами производства и внедрения ГПУ. Однако эксплуатационные издержки в ГПА, особенно импортные, выше.
Рисунок 2 - Сравнение удельных капиталовложений в когенерационные установки разных типов
Выполненные в ИНЭИ РАН исследования позволили выделить основные факторы, влияющие на эффективность преобразования котельных в мини-ТЭЦ с применением энергоустановок разных типов. Прежде всего, надо отметить, что регулирование мощности когенерационных установок по графику электрической нагрузки не рационально с точки зрения эффективности использования топлива. Более эффективным следует считать регулирование по графику тепловой нагрузки потребителя, даже с учетом имеющихся при этом недостатков: снижения годового использования установленной электрической мощности когенерационных установок, а также неопределенности условий покупки энергосистемой электроэнергии, производимой в периоды ночных провалов электрической нагрузки.
Для выбора наиболее эффективного проекта мини-ТЭЦ должна производиться оптимизация параметра, аналогичного коэффициенту теплофикации ТЭЦ α, т.е. доли тепловой нагрузки мини-ТЭЦ, покрываемой когенерационными установками (рисунок 3). Как правило, для когенерационных установок капиталовложения, отнесенные к их тепловой мощности, существенно (в 6-10 раз) выше, чем водогрейные котлы той же мощности. Поэтому чем выше α, тем бóльшими оказываются капиталовложения и эксплуатационные расходы в мини-ТЭЦ. Но при этом увеличивается выработка электроэнергии и, соответственно, выручка от ее реализации. Из баланса этих величин в основном и определяется оптимальная величина α.
Рисунок 3 - К выбору оптимальной величины коэффициента α
Исследования показали, что эффективность инвестирования в когенерацию тем выше, чем больше соотношения электрической и тепловой мощности Nэ/Nт и соответственно выработка электроэнергии на тепловом потреблении, т.е. чем выше КПД когенерационной установки по отпуску электрической энергии при высоком значении КИТ. По показателю Nэ/Nт газопоршневые агрегаты превосходят аналогичные по мощности ГТУ и микротурбины. Этот фактор наряду с большей конкурентоспособностью по капиталовложениям, в основном, и обуславливают бóльшую инвестиционную привлекательность проектов когенерации на базе ГПУ.
Варианты реконструкции котельных с использованием отечественных ГТУ малой мощности с достаточно низким КПД по выработке электроэнергии (23-26%) наименее эффективны при сравнении разных технологий. Для реализации программы развития когенерации на базе котельных потребуются надежные отечественные энергетические ГТУ небольшой мощности (6-16 МВт) с высоким электрическим КПД.
Негативным фактором для когенерации на базе ГТУ является выраженная зависимость электрической мощности ГТУ от температуры окружающего воздуха (рисунок 4), а также тепловой нагрузки. При температуре воздуха +15°С, к которой относятся номинальные по стандарту ISO параметры ГТУ, отопительная нагрузка отсутствует и мини-ТЭЦ удовлетворяет только нагрузку горячего водоснабжения (ГВС), составляющую обычно от 10 до 25% от расчетной тепловой нагрузки. Анализ продолжительности стояния температур разных значений в регионах России показал, что значительную часть отопительного периода (от 42 до 78% времени в зависимости от региона) когенерационные установки покрывают отопительную нагрузку при отрицательных температурах. В среднем во всех регионах страны, кроме южных областей, температуры -20°С и ниже стоят не менее 120 часов в год. В связи с этим важным фактором эффективности применения ГТУ является их способность работать без ограничения электрической мощности при низких температурах наружного воздуха. Для этого конструкция и материалы газовой турбины должны быть рассчитаны на массовый расход газа, соответствующий этим температурам. Учитывая, что именно на самые холодные периоды приходятся максимальные электрические нагрузки, целесообразно использовать потенциал ГТУ для производства дополнительной электрической мощности.
Рисунок 4 - Зависимость электрической мощности и КПД газотурбинной установки ГТЭ-6 ЗАО "УТЗ"
от температуры наружного воздуха [3]
Оценки эффективности преобразования котельных в мини-ТЭЦ существенно различаются в региональном разрезе ввиду различий цен на природный газ, электрическую и тепловую энергию, затрат на заработную плату, а также региональных коэффициентов удорожания капиталовложений. Так, если в центре, на северо-западе России, в южных регионах и на Дальнем Востоке сооружение мини-ТЭЦ на месте котельных в целом эффективно, то в условиях Сибири преобразование котельных в мини-ТЭЦ не является экономически целесообразным из-за низких (по сравнению с другими регионами страны) тарифов на электроэнергию в сочетании с высоким региональным коэффициентом удорожания капиталовложений.
По нашим оценкам, выполненным с учетом региональных экономических и климатических факторов, в России потенциал для экономически эффективного внедрения когенерационных установок на базе существующих котельных составляет 60-70 ГВт(э). Возможная выработка электроэнергии этими установками оценивается в размере до 350 млрд. кВт∙ч ежегодно, что составляет около 30% ее современного производства всеми электростанциями России. Ежегодная экономия первичного топлива при этом может достигать 20 млн. т у. т.
С развитием когенерации возрастет потребность в газопоршневых и газотурбинных установках малой и средней мощности. Для сооружения мини-ТЭЦ на базе действующих котельных может быть востребовано, ориентировочно, 10 тысяч микротурбин единичной мощностью 0,05-1 МВт(э), порядка 6 тысяч ГПУ мощностью 0,5-8 МВт, до 2 тысяч ГТУ мощностью 6-10 МВт(э), более 100 ГТУ мощностью 20-40 МВт(э).
Программа реконструкции газовых котельных и превращения их в мини-ТЭЦ, ориентированная на применение отечественного оборудования, откроет новые возможности для развития отечественного энергомашиностроения. Развитие когенерации будет способствовать общему снижению расхода топлива в промышленной и коммунальной энергетике, уменьшению потребностей во вводах новых генерирующих мощностей на крупных ТЭС, сокращению объемов нового электросетевого строительства, снижению потерь в электрических сетях.
Список использованных источников:
1. Каталог энергетического оборудования 2014 г. Т.1 – "Каталог газотурбинного оборудования" / Рыбинск: Изд. дом "Газотурбинные технологии". 2014.
2. Каталог энергетического оборудования 2014 г. Т.2 – "Альтернативный киловатт" / Рыбинск: Изд. дом "Газотурбинные технологии". 2012.
3. Каталог газотурбинного оборудования – Рыбинск: ЗАО "Газотурбинные технологии". 2008.
Статья из журнала "Промышленные и отопительные котельные и мини-ТЭЦ"№2/2016
