Модернизированная гибридная газогенераторная мини-ТЭЦ ООО «Центр Соя»

 А. Зуб, генеральный директор, Г. Трусов, главный энергетик,  К. Трусов, начальник газогенераторной станции,
ООО «Центр Соя», Краснодарский край

В Краснодарском крае, в станице Тбилисская, предприятием ООО «Центр Соя» реализован уникальный для России объект: построена гибридная мини-ТЭЦ, использующая в качестве основного топлива  подсолнечную лузгу. Дополнительным и резервным топливом служит природный газ.

Реформирование РАО «ЕЭС», переложившее бремя модернизации энергетической отрасли во многом на плечи рядовых пользователей электроэнергии, повсеместно привело к непрерывному и значительному росту энерготарифов. Параллельный рост стоимости традиционных (ископаемых) видов топлива (газа, угля, мазута, нефти), ужесточение контроля за утилизацией отходов, стремление перерабатывающих предприятий снизить свои издержки – все эти факторы привели к заметному увеличению в последние годы интереса к малым и средним автономным источникам электрической энергии.

Это связано и с тем, что в качестве топлива автономные источники энергии чаще всего используют отходы биомассы, так называемые возобновляемые источники энергии (ВИЭ).

Из всего многообразия ВИЭ в РФ биомасса составляет 80 %. Это отходы лесопромышленного комплекса, сельского хозяйства, ТБО и т. д. И если объемы биомассы от лесного хозяйства не имеют точного учета, то статистика указывает, что в РФ ежегодное производство семян подсолнечника составляет более 10 млн т в год. Из 1 т маслосемян получают 42–45 % масла, 38–40 % шрота или жмыха и 17 % лузги подсолнечника. Таким образом, в целом в России ежегодно образуется до 1,7 млн т лузги подсолнечника.

Ее утилизация является непростой задачей. Производство гранул и брикетов, сжигание в котлах позволяет утилизировать менее 50 % экологически вредных отходов, оставшееся просто вывозится на свалки и в поля, засоряя, таким образом, окружающую среду. В то же время предприятия потребляют большое количество электроэнергии, цена на которую непрерывно растет.

Так, за период разработки настоящего проекта стоимость электроэнергии в Краснодарском крае возросла с 2,3 до 5,71 рублей за кВт ч (по состоянию на 1 декабря 2015 г.).  Расходы на оплату электроэнергии становятся тормозом развития предприятий.

Исходя из расхода подсолнечной лузги 1,1 кг/кВт ч и 7500 ч в год производства,  получается, что только Краснодарский край потенциально имеет топливо для газогенераторных электростанций (ГГРЭС) общей мощностью до 23,3 МВт. Лузга является хорошим топливом, сравнимым по калорийности с каменным углем. Использование технологии газификации твердого топлива (лузги) в газогенераторах обращенного типа позволяет на 100 % утилизировать отходы и получать дешевую электрическую и тепловую энергию.

Брикеты древесного угля

По этим и другим причинам  в ООО «Центр Соя»  в 2009 г. начато и в 2013 г. закончено строительство ГГРЭС мощностью 630 кВт (880 кВт тепловой энергии), станция, работающая на лузге подсолнечника, уже запущена в эксплуатацию. Важным фактором является и то, что потребителем всей вырабатываемой электроэнергии является само же предприятие.

ООО «Центр Соя» – многопрофильное предприятие по переработке сельскохозяйственной продукции. Производственные мощности позволяют перерабатывать до 100 т семян подсолнечника (или рапса) и 270 т сои в сутки. Кроме этого, выпускаются различные комбикорма, пищевые добавки для животных и лецитин. Установленная мощность энергоприемников – 1250 кВт,  разрешенный расход природного газа – 832 м³/ч, общая  потребность в тепле – 1,8 Гкал.

Вредные отходы производства только по лузге подсолнечника – 17 т/сут. В зависимости от наличия сырья, предприятие работает в три смены (7500 ч в год).

 Для утилизации отходов производства впервые в России в ООО «Центр Соя» был разработан и запущен в производство проект организации технологии безотходного экологически чистого производства подсолнечного масла на собственных энергоносителях. Данная технология заключается в газификации биомассы с использованием полученного генераторного газа (ГГ) в электрогенераторных установках с газопоршневыми двигателями. Достоинствами построенной газогенераторной мини-ТЭЦ являются:

– выработка электроэнергии – 630 кВт ч;

– располагаемая тепловая энергия составляет: до 880 кВт ч горячей воды за счет утилизации тепла от рубашек охлаждения трех двигателей, до 600 кг/ч пара с давлением 6 атм и температурой 160 ⁰C за счет утилизации выхлопных газов 3-х двигателей;

– электрический КПД – более 24 %;

– отказ от покупки дорогостоящих лимитов на дополнительную электроэнергию;

– возможность выработки тепловой энергии в режиме когенерации (а также холода в режиме тригенерации), что позволяет довести КПД станции до 84 %;

– малые размеры установки;

– быстрый монтаж;

– невысокая стоимость оборудования и низкая себестоимость вырабатываемой электроэнергии (табл. 1), которые гарантируют быструю окупаемость капитальных вложений (до 4-х лет);

– избавление от вредных отходов надежным и дешевым способом;

– полная утилизация отходов производства (подсолнечной шелухи);

– высокие экологические характеристики.

В целом газогенераторная мини-ТЭЦ за время работы подтвердила почти все проектные решения, однако проявились некоторые недостатки. Газогенераторы обладают определенной инерционностью, что сказывается при подключении элекродвигателей мощностью более 30 кВт в автономном режиме электрообеспечения. Опыт эксплуатации станции показал снижение технико-экономических показателей, что связано с отсутствием семечек подсолнечника по экономическим и конъюнктурным обстоятельствам. Остановка газопоршневых двигателей (без основного топлива) резко снижала надежность энерго- и теплоснабжения производства на фоне повышения стоимости сетевой электроэнергии в регионе. Возникла необходимость временного перевода газопоршневых двигателей на резервное топливо – природный газ. Была предложена идея гибридной мини-ТЭЦ, которая успешно реализована в сентябре 2015 г.

Специалисты предприятия разработали технологию быстрой замены аппаратуры для  ГГ на аппаратуру для природного газа (менее одного часа), что позволяет переходить на различные режимы работы станции практически без остановки производства.

Гибридная мини-ТЭЦ ООО «Центр Соя» может работать в следующих режимах:

  1.Только на лузге подсолнечника.

  2. Только на природном газе.

  3. В различных сочетаниях режимов 1, 2.

  4. На  ГГ с добавкой (20–30 %) природного газа (в разработке).

В режимах 2 и 3 выработка электроэнергии составляет 735 кВт ч (на трех двигателях).

В штатном режиме станция использует два двигателя, третий (резервный на природном газе) подключается в пусковых режимах, а также при производственной необходимости.

Газификатор WBG-500 (3)

Первые месяцы эксплуатации подтвердили работоспособность гибридной мини-ТЭЦ с частичным использованием газопоршневых двигателей на природном газе. Все параметры соответствуют заводским регламентам.

Проведенный технико-экономический расчет на основании промышленной эксплуатации (см. табл. 1) показывает достаточную эффективность всех вариантов расчета (на 1 ноября цена сетевой электроэнергии – 5,71 руб./кВт ч с НДС), особенно при использовании «бесплатного» тепла для технологических нужд предприятия.

Самым привлекательным является вариант 4 с показателями – 1,03 руб./кВт ч с использованием тепла.

Таблица 1. Технико-экономические показатели работы станции

Гибридная мини-ТЭЦ размещается в специально построенном капитальном здании, к которому примыкает участок охлаждения и очистки оборотной воды, и включает следующие линии:

– топливоподачи для хранения оперативного запаса и доставки уплотненной лузги в газогенераторы;

– газовой аппаратуры для резервного природного газа;

– газификации для получения из топлива чистого ГГ;

• электрогенерации для получения из ГГ (или природного газа) электрической энергии и выдачи ее потребителям;

– теплогенерации для получения теплоносителя – горячей воды и выдачи ее потребителям;

– осветления и охлаждения оборотной воды для организации замкнутой системы, используемой для охлаждения  ГГ, включая модули регенерации оборотной воды для очистки ее от примесей.

Газогенераторная установка состоит из устройства загрузки биомассы, газогенератора, системы охлаждения и очистки газа и системы управления. Биомасса из оперативного бункера непрерывно подается в газогенератор с помощью шнекового транспортера. Газогенератор превращает биомассу в ГГ. Система охлаждения и очистки охлаждает газ и удаляет из него смолы и частицы. Система управления контролирует все ключевые параметры процесса, регулирует объем вырабатываемого газа в зависимости от нагрузки.

Мини-ТЭЦ имеет модульную архитектуру, включающую две одинаковые газогенераторные и три одинаковые электрогенераторные установки, что обеспечивает повышенную надежность мини-ТЭЦ и взаимозаменяемость оборудования. Основные показатели работы гибридной мини-ТЭЦ представлены в табл. 2.

Основной составляющей оборудования установки является газогенератор с очистительной установкой, предназначенный для получения силового ГГ энергетического применения.

Таблица 2. Основные показатели работы гибридной мини-ТЭЦ на отходах деревообработки, сельского хозяйства и природном газе

Следует отметить, что по первоначальному проекту предполагалась поступление лузги непосредственно с места шелушения в реактор. Однако подача насыпной лузги не позволила получить газ для работы электростанции требуемого объема и качества. Поэтому специалистами ООО «Центр Соя» разработаны и изготовлены установки прессования лузги в брикеты, устройство их подачи.

Газ, полученный в двух газогенераторах, после соответствующей подготовки в очистительных установках используется в трех параллельных электрогенератораторах на основе газопоршневого двигателя Cummins GTA-1710-G номинальной электрической мощностью 250 кВт, которые работают на чистом ГГ после замены топливной аппаратуры и на природном газе.

Контроллер управления агрегатом

Опыт эксплуатации станции в промышленном режиме показал следующие параметры:

– расход сплоченной лузги – 1,1-1,2 кг/кВт*ч;

– расход природного газа – 0,4-0,38 м³/кВт*ч;

– минимальная теплотворная способность ГГ – 1200 ккал/м³;

– КПД газогенератора – 84 %;

– электрический КПД на ГГ – 24 %, на природном газе – 28 %;

– максимальная мощность (на одном ГГ) – до 320 кВт*ч;

– расход топлива при максимальной мощности (на одном ГГ) – 350 кг;

- на природном газе  (на один двигатель) - 100 м³/ч.

Линия природного газа

 Технология газификации биомассы  в настоящее время  доказала возможность работы  газогенераторной электростанции (ГГЭС) не только на лузге, но и на отходах деревообработки. Данную технологию можно рекомендовать для электроснабжения удаленных поселков в различных районах России, не имеющих сетевого снабжения электроэнергией.

Общий вид станции внутри

Вместе с тем есть проблемы, мешающие широкому внедрению новой технологии, вот главные из них:

1. Необычность решения (новизна и уникальность).

2. Отсутствие достаточных знаний и квалификации в этой области энергетики у персонала потенциального заказчика маслоэкстракционных эаводов (МЭЗ).

3. Нет примера реализации крупного проекта (например, 1000 т подсолнечника в сутки).

4. Нет желания заниматься непрофильной для МЭЗ деятельностью, а именно – производством электроэнергии.

5. Нет стимулов для такого типа проектов от государства, а именно:

– либеральное экологическое законодательство (надо жесткое);

– отсутствие «зеленых» тарифов;

– сложность параллельной работы с сетями.

Кроме этого, существует проблема сезонности поставок лузги. Дорогостоящее генераторное оборудование не должно простаивать. Специалисты ООО «Центр Соя»  разработали и в настоящее время внедрили систему временного подключения природного газа к газопоршевым двигателям в случае производственной необходимости.

Пульт управления

Все пять препятствий на пути продвижения газогенераторной технологии (ГТ)  в этом случае находят свое решение, и при этом появляется синергетический эффект, когда обе технологии продвигают друг друга. Особым образом может проявить себя с предложение, в частности, приведенное в п.5., когда, наконец, государство начнет действовать, а именно, ужесточит экологические нормы, введет «зеленые» тарифы и пр.

Важным является и то, что два вида топлива, как известно, повышают надежность системы, а в нашем случае также и увеличивают доверие к ней.

Стол диспетчера

Предложение для МЭЗ может выглядеть как стандартное по генерации на природном газе, плюс газогенераторный блок. Гибкость, универсальность и привлекательность его, по нашему мнению, очевидны.

 ГГЭС, работающие на древесных и сельскохозяйственных отходах, идеально подходят для энергоснабжения удаленных поселков, и поэтому их применение увеличивается очень быстрыми темпами.

Проблема энергоснабжения удаленных поселков в России стоит очень остро. В частности, в Красноярском крае насчитывается около 200 поселков с энергоснабжением от дизельных электростанций. Практически  туда необходимо завозить в летний период сотни тысяч тонн дизельного топлива. Завоз осуществляется на дотации из федерального и регионального бюджетов. На это тратятся десятки миллиардов рублей, при этом себестоимость электроэнергии на дизельных электростанциях достигла 40 руб./кВт ч и выше. В связи с высокой стоимостью электроэнергии населению выплачиваются большие субсидии.

На деньги, которые ежегодно тратятся на дотации дизельным электростанциям, можно построить ГГЭС на древесных отходах с суммарной установленной мощностью 20 МВт, а за два года полностью обеспечить удаленные поселки электроэнергией.

Высокая стоимость электроэнергии сдерживает экономическое и социальное развитие ее потребителей. Вместе с тем в большинстве этих поселков имеются большие запасы и ресурсы древесных отходов. Себестоимость электроэнергии, вырабатываемой газопоршневыми электростанциями на древесных отходах в зависимости от их мощности, может составлять около 3 руб./кВт ч с частичным использованием российского оборудования (газопорошневые двигатели и генераторы.).

С газодизельными электроагрегатами себестоимость электроэнергии примерно в два раза выше из-за того, что, кроме ГГ из древесных отходов, газодизельный двигатель потребляет небольшое количество дизельного топлива в качестве запального (примерно 25–30 %  чисто дизельного режима), но использование газодизельных электроагрегатов оправдывается значительно меньшими капитальными затратами и высокой надежностью электроснабжения, так как подобные двигатели могут работать и как обычные дизельные.

Подобные ГГЭС могут быть с успехом использованы и в Крыму.

Подводя итоги, можно отметить следующее. Проект газогенераторной станции на лузге подсолнечника в ООО «Центр Соя» разрабатывался более шести лет. Модернизация этой станции в гибридную мини-ТЭЦ осуществлена в 2015 г.   Специалистами накоплен большой опыт научных и опытно- конструкторских работ. Освоена пусконаладка сложного энергетического комплекса. В настоящее время специалисты ООО «Центр Соя» могут выступить в качестве подрядчика при поставке, монтаже и наладке гибридной мини-ТЭЦ как  на лузге подсолнечника,  так и на других отходах сельского хозяйства и деревообработки с применением природного газа или без него.

Статья из журнала "Промышленные и отопительные котельные и мини-ТЭЦ" №1/16.

вернуться назад

Читайте также:

Отопительный прибор: доверяй проверяя/В. Сасин

Паровые котлы «Витязь» – выгодные преимущества

Горелочные устройства типа ГМГР производства АО «Дорогобужкотломаш»

Актив и пассив вентиляции