Как заставить ветер работать на тепловые электростанции? - Энергетика и промышленность России - № 1 (53) январь 2005 года - WWW.EPRUSSIA.RU - информационный портал энергетика
16+
Регистрация
РУС ENG
Расширенный поиск
http://www.eprussia.ru/epr/53/3450.htm
Газета "Энергетика и промышленность России" | № 1 (53) январь 2005 года

Как заставить ветер работать на тепловые электростанции?

Новые технологии С. В. ЖАРКОВ

В рамках конкурса «Новые промышленные технологии: разработки и исследования» мы представляем материал кандидата технических наук, старшего научного сотрудника Института систем энергетики СО РАН (г. Иркутск) Сергея Владимировича Жаркова. Автор предлагает использовать энергию ветра на тепловых электростанциях. При этом рассматриваются новые перспективы использования энергии ветра, особенно в удаленных районах с децентрализованным электроснабжением.

Основные положения идеи автора были опубликованы также в зарубежных изданиях: «RE-GEN. Wind» (Великобритания) №4 2004 г. и «EW» (Германия) № 11 2004 г.

Сейчас из нетрадиционных возобновляемых источников энергии наиболее интенсивно в мире развивается ветроэнергетика. Ежегодно вводится почти 10 ГВт мощности ветроэлетро­станций.

К сожалению, Россия не проявляет должной активности в этой области. В то же время наиболее перспективные для развития ветроэнергетики районы расположены именно в РФ - это побережья Крайнего Севера и Дальнего Востока. Здесь, во-первых, очень дорогое топливо, завозимое раз в год, а во-вторых, - высокий ветроэнергетический потенциал, сезонные изменения величины которого происходят в фазе с колебаниями энергопотребления. При этом ветер является здесь практически единственным доступным возобновляемым источником энергии.

Однако эти районы характеризуются также тем, что:
- энергосистемы являются локальными (небольшими), что предъявляет высокие требования к стабильности мощности энергоисточников;
- потребности в тепле здесь в несколько раз превосходят потребности в электроэнергии, что является основой для широкого применения ТЭЦ, которые наиболее эффективны при большой стоимости топлива;
- суровый климат, трудности с доставкой запчастей и отсутствие квалифицированного персонала приводят к необходимости применять наиболее простые (и наиболее надежные) схемы использования энергии ветра.

Таким образом, обычная схема прямого включения ветроэлектростанций в сеть здесь неприемлема, поскольку:
- выпадает наиболее топливоемкая часть энергоснабжения - теплоснабжение;
- нужно будет решать сложные проблемы качества генерируемой ветроэлектростанциями электроэнергии и резервирования мощности, это при том, что отработанной технологии использования ветроэлектростанций (в том числе и поддержания необходимого качества производимой ими электроэнергии) в России нет. К тому же параллельная работа ВЭС и ТЭЦ практически невозможна ввиду низкой маневренности последних.

В связи с этим представляется перспективным объединение ВЭС и ТЭЦ в едином комплексе.



Энергию ВЭС можно использовать на ТЭЦ

Предлагается, в отличие от зарубежного опыта, не включать ВЭС непосредственно в сеть электроэнергетических систем, а использовать электроэнергию ветроэлектростанций для прямого замещения топлива в тепловых циклах газотурбинных (ГТУ) или парогазовых (ПГУ) установок. Это можно осуществить посредством установки в тракте газотурбинной установки электронагревателя (ТЭНа), который подогревает воздух, поступающий в камеру сгорания. Соответственно - снижается расход топлива, а изменением расхода топлива поддерживается заданная температура газов на входе в турбину.

Таким образом, посредством теплового цикла ГТУ разрывается электрическая связь ВЭС с сетью, устраняется негативное влияние ветроэлектростанций на электроэнергетическую систему, а также исключаются проблемы обеспечения качества электроэнергии и оперативного резервирования мощности ВЭС в сети электроэнергетической системы.

За счет совместного использования теплофикации и энергии ветра схема ГТУ ТЭЦ+ВЭС экономит примерно четверть топлива по сравнению с ветродизельной установкой при одинаковой мощности ветроэлектростанций. А при выравнивании по энергетической нагрузке сохраняется до 40% топлива.

Кроме того, появляется возможность снижения стоимости ВЭС благодаря:
- переходу на переменную частоту вращения ветроколес - без применения инверторов, стоимость которых составляет от 150 до 400 $/кВт (т.е. без ненужного в данном случае удорожания). Это позволит повысить коэффициент использования энергии ветра на 20-35% (с соответствующим снижением удельной стоимости ветроэлектрических установок), расширить рабочий диапазон скоростей ветра и снизить механические напряжения на лопастях и валах ВЭУ;
- максимальному упрощению электрической схемы, системы управления и конструкции ВЭУ, так как в данном случае генераторы работают на активную нагрузку и требования к качеству электроэнергии (в том числе по величине напряжения) предельно низки; соответственно - снижается стоимость и повышается надежность функционирования ВЭУ;
- укрупнению рассредоточенных ВЭС, мощность которых может быть примерно в 3 раза больше мощности ГТУ (без учета котельных);
- переходу от горизонтально-осевых к более дешевым и надежным вертикально-осевым ветро-энергетическим установкам.

Объединение ВЭС, ГТУ (ПГУ) ТЭЦ и котельных на базе локальных сетей нестабилизированной электроэнергии ветроэлектростанций дает возможность максимального вытеснения ветром органического топлива благодаря включению ветра в спектр используемых на ГТУ и котельных энергоресурсов. Актуальность внедрения такой схемы возрастает в связи с существующей необходимостью замены в отдаленных районах устаревших и изношенных дизельных электростанций и части котельных современными небольшими ГТУ ТЭЦ, которые могли бы сразу комплектоваться ветроэлектростанциями. Это хороший шанс для энергомашиностроительных предприятий.

Применение комплексов ГТУ ТЭЦ+ВЭС перспективно и для других стран (особенно - для развивающихся, имеющих слаборазвитые и ненадежные электрические сети) в связи с расширением использования распределенных источников энергии на базе ТЭЦ с газовыми микротурбинами и местных возобновляемых источников энергии. Причем тепло от ТЭЦ может служить как для отопления и горячего водоснабжения, так и для кондиционирования посредством абсорбционных преобразователей тепла.



Как экономить энергию с помощью ВЭС

Схема ГТУ (ПГУ)+ВЭС также может представлять интерес, во-первых, как средство экономии природного газа на газокомпрессорных станциях (ГКС) и, во-вторых, как возможность совмещения проектов экспорта в Европу (а также в Японию – с Сахалина) электроэнергии, добытой с помощью ветроэлектростанций и природного газа шельфа северных морей РФ. Прибрежные районы и шельфы морей обладают значительным ветропотенциалом, поэтому здесь рационально строительство вблизи газовых месторождений крупных электростанций на базе ПГУ. Причем ввиду снижения температуры воздуха зимой - в период наиболее высокого потребления электроэнергии - потери в ЛЭП уменьшаются, что дает дополнительную экономию затрат на производство энергии.

Возможно применение данной технологии и на паротурбинных установках (ПТУ). Так, существует предложение (патент фирмы Siemens) повысить верхнюю температуру цикла ПТУ посредством водород-кислородных пароперегревателей (ВКПП). Здесь целесообразно заместить часть сжигаемого водорода нестабилизированной электроэнергией ветроэлектростанций путем подогрева ТЭНом пара, поступающего в водород-кислородный пароперегреватель (рис. 2). Среднегодовая экономия дорогих расходных материалов - чистых водорода и кислорода – при этом может достигать 30-40% при равенстве установленной мощности ветроэлектростанции тепловой мощности водород-кислородного пароперегревателя.

Возможна также работа паротурбинных установок по «ветровому графику»: на скользящем давлении пара без применения ВКПП. Такая схема наиболее проста, поэтому привлекательна для использования на начальном этапе освоения технологии. Например, мощность ТЭНов паротурбинных установок в бинарной парогазовой установке будет составлять всего несколько процентов от мощности ТЭНа газотурбинной установки, поэтому можно рассчитывать на практически 100%-ную обеспеченность ТЭНов паротурбинной установки в течение года электроэнергией от крупной ветроэлектростанции, предназначенной для работы в комплексе с ТЭЦ и котельными.

Представляется целесообразной эксплуатация таких комплексов ПТУ+ВЭС с отработкой технологии высокотемпературных паротурбинных установок перед внедрением ПТУ с водород-кислородными пароперегревателями, поскольку схема ПТУ+ВЭС занимает промежуточное положение как по стоимости, так и по сложности реализации между традиционным методом повышения КПД паротурбинной установки и методом, основанным на применении водород-кислородных пароперегревателей.



Ветер и водород

Наступление эры водородной энергетики связывают в основном с широким распространением топливных элементов. Однако, по оценкам специалистов, водородные энергоустановки на базе топливных элементов будут наиболее эффективны при мощностях до 10 МВт. При мощностях свыше 10 МВт экономичнее энергоустановки паротурбинного цикла с водород-кислородными парогенераторами контактного типа (ПТУВКПГ). Схема ПТУ+ВЭС применима и в данном случае: например, при сверхкритических параметрах пара схема, изображенная на рис. 2, модернизируется - котел исключается, а устройства используются как составные части прямоточного котла контактного типа.

Следовательно, схема ПТУ+ВЭС может быть использована в качестве прототипа и составной части станций на базе высокотемпературных паротурбинных установок с водород-кислородными пароперегревателями и парогенераторами. Применение комплексов ПТУ+ВЭС может способствовать повышению эффективности использования топлива, расширению использования энергии ветра и плавному переходу к водородной энергетике.

Реализация таких гибридных схем, сочетающих ГТУ, ПГУ и ПТУ с ветроэлектростанциями позволит объединить достижения традиционной энергетики (газотурбинная и парогазовая технологии, высокотемпературные ПТУ, теплофикация) и нетрадиционной (ВЭС), а не противопоставлять их, как это обычно происходит. При этом эффективность гибридных схем лишь возрастет.

Поскольку в РФ только начинается широкомасштабное применение ГТУ, ПГУ и ВЭС, то их совместное использование будет весьма своевременно: пятидесятипроцентное замещение топлива энергией ветроэлектростанций экономически выгоднее, чем двукратное увеличение КПД ГТУ, поскольку при одинаковом расходе топлива в данном случае выше тепловая мощность ГТУ (ПГУ) ТЭЦ и электрическая мощность ПГУ ТЭЦ. Причем в течение всего срока эксплуатации ГТУ (ПГУ)+ВЭС морально не устареют относительно непрерывно совершенствуемых чисто топливных ГТУ (ПГУ), так как здесь удельный расход топлива на производство электроэнергии всегда будет ниже.

Таким образом, при использовании прямого замещения топлива в циклах ТЭС снимаются технологические ограничения на развитие ветроэнергетики: установленная мощность ВЭС может превосходить суммарную установленную мощность электростанций и котельных в системах энергоснабжения, а коммерческая эффективность ветроэлектростанций не зависит от ограничений, тарифов и режимов электроэнергетических систем, - следовательно, не требуется никаких специальных законопроектов, регламентирующих взаимоотношения ВЭС и электроэнергетических систем.

Отправить на Email

Для добавления комментария, пожалуйста, авторизуйтесь на сайте

Также читайте в номере № 1 (53) январь 2005 года:

  • Короткий век газотурбовозов

    В середине 1950-х годов железнодорожникам понадобились локомотивы, оснащенные дизелем в 3 тыс. л.с., а то и больше, – осваивалось вождение крупнотоннажных составов. И тогда задумались о газовых турбинах - ведь в 1954 году на железных дорогах США уже работало 24 локомотива с такими двигателями мощностью 4,5 тыс. л.с. и электрической передачей. В том же году Харьковскому заводу транспортного машиностроения, а в 1955 году - и Коломенско...

  • Изменения в проекте реформирования ОАО «Колэнерго»

    Совет директоров РАО «ЕЭС России» внес изменения в проект реформирования ОАО «Кол энерго», утвержденный решением совета директоров от 30 июля 2004 г. Изменения в проект реформирования ОАО «Колэнерго» внесены с учетом позиции правительства Мурманской области и предусматривают выделение из ОАО «Колэнерго» Мурманской ТЭЦ и Апатитской ТЭЦ как самостоятельных акционерных обществ с сохранением структуры акционерного капитала. Выделение ОАО ...

  • Защищенные провода для ЛЭП

    Правда ли, что «Севкабель» первым в России начал выпуск защищенных проводов для воздушных линий электропередачи на напряжение 35 кВ? Сергей Тарасенко, инженер, Санкт-Петербург ...

  • Водогрейный котел для сжигания цилиндрических брикетов соломы

    Проблема снабжения жилых и промышленных объектов тепловой энергией является достаточно острой для большинства районов юга Западной Сибири и, в частности, Алтайского края. Это связано с высокими ценами на ископаемое топливо, постоянно растущими затратами на его доставку к местам потребления, изношенностью оборудования котельных и т.п. Вместе с тем регион является потенциальным субъектом для внедрения биоэнергетических технологий, основан...

  • Разведанных запасов энергоресурсов при нынешнем уровне добычи, по самым усредненным подсчетам, хватит на 45-55 лет

    Разведанных запасов энергоресурсов при нынешнем уровне добычи, по самым усредненным подсчетам, хватит на 45-55 лет. Об этом заявил президент РФ Владимир Путин на пресс-конференции в Кремле. Вместе с тем он отметил, что и государство, и сами энергетические компании должны заниматься разведкой полезных ископаемых. Путин подтвердил необходимость государственного контроля за тем, чтобы способы добычи, как выразился президент, не были «ко...