16+
Регистрация
РУС ENG
Расширенный поиск
http://www.eprussia.ru/epr/213/14672.htm
Газета "Энергетика и промышленность России" | № 01-02 (213-214) январь 2013 года

Газопоршневая мини-ТЭЦ как высокоэффективная альтернатива газотурбинной

Новые технологии Иван ТРОХИН

Современные энергетические газовые турбины весьма компактны и сочетают в себе передовые технологии материаловедения и машиностроения. Но удерживают ли они свои лидирующие позиции перед газопоршневой техникой по эффективности использования топлива?

Для современной энергетики очень актуальной является задача повышения эффективности использования невозобновляемого углеводородного топлива. И когенерация в этом смысле представляется очень эффективной технологией. Все «манипуляции» с электрическим или тепловым КПД ТЭЦ отражают, по сути, соотношение между количеством вырабатываемой электрической и тепловой энергии. А вот так называемый «общий КПД», или, по‑другому, коэффициент полезного использования теплоты сгорания топлива, как раз показывает топливную эффективность ТЭЦ в целом, несмотря на многолетние продолжающиеся споры специалистов в отношении термодинамической корректности этого критерия оценки.

Для газотурбинных ТЭЦ (ГТУ-ТЭЦ) различных мощностей и производителей этот показатель в общем‑то сегодня составляет порядка 75‑85 процентов. Европейские разработчики из германской фирмы MTU Onsite Energy GmbH (город Аугсбург) сделали ставку на газопоршневую энергетическую технику. Они построили такую когенерационную теплоэлектростанцию, на которой может быть преобразовано в электричество и утилизируемое с пользой тепло около 96 процентов (!) первичной энергии сгорающего топлива (общий КПД), то есть суммарные ее потери, в принципе, исчисляются всего четырьмя процентами. Соответствующий модуль марки GC 849 N5 был установлен в Германии на Фаубанской мини-ТЭЦ (Vauban HKW) и успешно эксплуатируется с 2011 года. Сама ТЭЦ располагается в местечке Фаубан – элитном с экологической точки зрения квартале, или, лучше сказать, полноценном микрорайоне, города Фрайбурга. Здесь крыши жилых домов покрыты солнечными фотоэлектрическими батареями, а обычный загрязняющий воздух автомобильный транспорт вообще запрещен! Людям оказывается вполне достаточно очень элегантно выглядящих трамвайчиков. Теплом потребители обеспечиваются от местной локальной сети.

Высокий общий КПД Фаубанской мини-ТЭЦ достигается за счет применения в ее составе теплоутилизационного оборудования, позволяющего использовать теплоту выхлопных газов и от смазочно-охлаждающих систем двигателя. Кроме того, тепло от последнего и генератора переменного тока утилизируется с помощью электрического теплового насоса. Но интерес представляет не только технология, лежащая в основе рабочего процесса такой ТЭЦ, а даже сама причина появления здесь газопоршневого модуля. Только вдумайтесь: на территории престижного экорайона, можно сказать «полигона» энергетических инноваций, с рубежа XX–XXI столетий и вплоть до конца первого десятилетия двухтысячных годов работала мини-ТЭЦ с… настоящей паровой поршневой машиной! Правда, для парового котлоагрегата использовалось экотопливо – древесное. А два пиковых и, скорее всего, водогрейных котла работали на природном газе (резервное топливо – «старый добрый» мазут). Система теплоснабжения потребителей Фаубана успешно работала на древесной щепе, а вот эксплуатация паросиловой двигатель-электрогенераторной установки осложнялась с каждым годом частыми отказами. Паровую машину неоднократно ремонтировали, и с 2011 года эксплуатирующая теплоэнергетическая организация отказалась от дальнейшего ее использования в пользу более надежного решения этой проблемы – газопоршневого когенерационного модуля.

Справедливости ради нужно отметить, что касательно энергетической эффективности Фаубанскую паромашинную мини-ТЭЦ на древесном топливе вроде бы не упрекали, хотя ее поршневая машина «питалась» слабоперегретым водяным паром с температурой порядка 250°С и давлением 26 атмосфер. Разумеется, что температура рабочего тела в цилиндрах газопоршневого двигателя гораздо более значительна, что положительно и сказывается на электрическом КПД ТЭЦ. Поэтому «сила» поршневой техники, по сути, никуда не исчезла с Фаубанской мини-ТЭЦ, а просто «вывела» последнюю на повышенный уровень термического, электрического и общего КПД установки. А постоянные поломки паровой машины, как мне кажется, имеют природу конкретного экземпляра. Ведь сейчас фактически по всему миру эксплуатируется множество мини-ТЭЦ с паровыми поршневыми машинами нового поколения – паровыми моторами Шпиллинга (Spilling Dampfmotor) из той же самой Германии; американцы развивают свой проект звездообразного парового поршневого мотора «Циклон» (патент на изобретение US 7,080,512); в Чехии не первый год «трудятся» и продолжают конструктивно совершенствоваться (при поддержке Министерства энергетики этой страны) паровые моторы марки PM‑VS чешской компании PolyComp a.s. Конечно, существует немало других разработок и даже серийных образцов паровых моторов XXI века.

Но вернемся к обновленной мини-ТЭЦ в Фаубане. Она служит базовым энергоисточником для потребителей этого микрорайона. При увеличении тепловой и электрической нагрузок первая может покрываться также с помощью двух пиковых водогрейных газомазутных котлов тепловой мощностью по 2,5 МВт каждый. Основу самой мини-ТЭЦ составляет восьмицилиндровый V-образный газопоршневой двигатель, обеспечивающий прямой привод генератора электрической мощностью около 850 кВт. Такая мощность позволяет отнести когенерационную установку к классу мини-ТЭЦ причем, малой мощности (англ. small-scale CHP plant), то есть до 1 МВт. Электрический КПД модуля находится на уровне 40 процентов. Для сравнения: этот же показатель для газотурбинных электростанций в номинальном режиме составляет 21,4‑40 процентов при мощностях 2,5‑25 МВт и сильнее зависит от нагрузки, чем у поршневых энергетических установок.

Если жилые дома в Фаубане примечательны низким теплопотреблением, то газопоршневая мини-ТЭЦ является весьма уникальной благодаря глубокой утилизации теплоты, исходящей от когенерационного модуля при его работе. Тепловая мощность мини-централи «извлекается», главным образом, из выхлопных газов, как это обычно принято с использованием водогрейного теплообменного оборудования, а также – из масляного (смазочного) контура и системы охлаждения двигателя. Вторичный (низкотемпературный) теплообменник полезно утилизирует низкопотенциальную теплоту отработавших газов, по всей видимости, уже прошедших первую ступень теплоотдачи водогрейному котлу-утилизатору. При этом их температура снижается со 120°С почти в два раза. И только после этого выхлопной газ сбрасывается в атмосферу. Температура обратной воды системы теплоснабжения составляет около 62°С. Ее подогрев до температуры прямой воды осуществляется, в частности, с использованием низкотемпературного теплообменника. Своей работой он ни много ни мало, а три процента «в копилку» общего КПД мини-ТЭЦ добавляет, «выводя» его на уровень аж до 93 процентов! Объединенный теплоутилизатор систем охлаждения и смазки двигателя обеспечивает нагрев обратной воды до почти 67,5°С. В итоге эта вода проходит фактически через три ступени нагрева и имеет конечную температуру прямой воды около 90°С.

Сетевая вода подается от мини-ТЭЦ в систему оборотного теплоснабжения потребителей микрорайона, которая существует еще со времен Фаубанской паромашинной централи и работает на древесной щепе. Вероятно, система функционирует вместе с биотопливной мини-котельной, имеющей тепловую мощность 2,5 МВт, а мини-ТЭЦ обеспечивает лишь часть тепловой нагрузки потребителей. Их, кстати, проживает в Фаубане порядка пяти тысяч человек. Общая же протяженность местной тепловой сети всего 14 километров.

Для дальнейшего увеличения общего КПД мини-ТЭЦ свыше 93 процентов сбросную теплоту от нее, особенно выделяемую в двигателе с генератором и традиционно отводимую через систему вентиляции в атмосферу, тоже придумали пускать в дело. Путем «откачки» этой теплоты с помощью электрического теплового насоса охлаждается пространство вокруг когенерационного модуля. По всей видимости, «пунктом назначения» перекачиваемого тепла является модуль нагрева воды, идущей на тепло- и (или) горячее водоснабжение потребителей Фаубана. Таким методом удается полезно утилизировать 140 кВт тепловой мощности. И тогда, с учетом всех ступеней и контуров теплоутилизации, при номинальных режимах работы мини-ТЭЦ по электрической и тепловой нагрузкам, коэффициент использования теплоты сгорания топлива достигает рекордного значения – вплоть до 96 процентов!

На мини-ТЭЦ в Фаубане установлен также резервный энергетический модуль с тепловым аккумулятором объемом 100 тысяч литров. Последний представляет собой установку для временного сохранения теплоты в виде горячей воды с целью выравнивания тепловой нагрузки мини-ТЭЦ. Время обеспечения теплопотребителей от этого аккумулятора варьируется от одного до трех часов.

Надежность технических решений газопоршневой мини-ТЭЦ уже более года подтверждается эксплуатацией. Ее работа отличается низкой по европейским нормам эмиссией выхлопных газов. Кроме этого, газопоршневой модуль может, в принципе, работать и на биогазе. Эксплуатирующая компания уже ввела в строй подходящую станцию по производству биогаза, что делает возможным перевод Фаубанской мини-ТЭЦ на экологически чистое и возобновляемое топливо. А высочайшая энергетическая отдача мини-централи безусловно положительно сказывается на самих потребителях энергии. Издержки, которые «вылетают в трубу», у данной мини-ТЭЦ минимизированы, а значит, и цена вырабатываемой энергии тоже должна выходить невысокой, по крайней мере в сравнении с обычными ТЭЦ «большой» энергетики.

Подводя итог, можно отметить, что современные газопоршневые технологии с глубокой утилизацией сбросной теплоты являются реально энергетически эффективными и пример германских специалистов это очень наглядно подтверждает. Но нельзя списывать со счетов и паромашинную поршневую технику. Глубокая теплоутилизация там тоже оказывается весьма полезной. В таком направлении уже успешно работают американские изобретатели, модифицировавшие известный паросиловой термодинамический цикл Ренкина в своем паровом поршневом двигателе «Циклон». Но это – уже отдельная тема.

Отправить на Email

Для добавления комментария, пожалуйста, авторизуйтесь на сайте

Также читайте в номере № 01-02 (213-214) январь 2013 года:

  • Газопоршневая мини-ТЭЦ как высокоэффективная альтернатива газотурбинной
    Газопоршневая мини-ТЭЦ как высокоэффективная альтернатива газотурбинной

    Современные энергетические газовые турбины весьма компактны и сочетают в себе передовые технологии материаловедения и машиностроения. Но удерживают ли они свои лидирующие позиции перед газопоршневой техникой по эффективности использования топлива? ...

  • «Электрические сети России» – экспозиция будущего отрасли
    «Электрические сети России» – экспозиция будущего отрасли

    (Начало в № 211‑212) Традиционная выставка «Электрические сети России» прошла в минувшем году в пятнадцатый раз. Более четырехсот отраслевых компаний из России, стран СНГ и зарубежных государств представили оборудование, конструкции и материалы, а также инновационные разработки, не имеющие аналогов. ...

  • Виктор Кидяев: Будущее – за местным самоуправлением
    Виктор Кидяев: Будущее – за местным самоуправлением

    Развитие местного самоуправления – одна из главных составляющих развития России, важнейшая предпосылка для комплексной модернизации страны. В связи с этим государственная политика последних лет направлена на децентрализацию власти в пользу муниципального управленческого уровня. Однако здесь есть множество нерешенных проблем. ...

  • Enel Green Power запустила вторую ветроэлектростанцию
    Enel Green Power запустила вторую ветроэлектростанцию

    Компания Enel Green Power – подразделение итальянского энергоконцерна Enel – объявила о подключении к сети второй ветряной электростанции в Мексике Zopiloapan – Bii Nee Stipa III, расположенной в штате Оахака, на юго-западе страны. Установленная мощность электростанции, которая использует ресурсы ветра на перешейке Теуантепек, достигает 70 МВт, коэффициент загрузки – порядка 40 процентов. После того как электростанция начнет функцион...

  • Открытое письмо председателя общественного объединения «Всероссийский Электропрофсоюз» В. Н. Вахрушкина
    Открытое письмо председателя общественного объединения «Всероссийский Электропрофсоюз» В. Н. Вахрушкина

    Ольга Юрьевна! Информирую Вас, что почти полугодичный марафон тяжелейших коллективных переговоров по заключению Отраслевого тарифного соглашения в электроэнергетике РФ (далее – ОТС) будущего периода между полномочными представителями сторон социального партнерства на отраслевом уровне – Общественным объединением «Всероссийский Электропрофсоюз» (далее – ВЭП) и Общероссийским отраслевым объединением работодателей электроэнергетики (далее ...