КОГЕНЕРАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ

В данной работе рассматриваются типы и принципы работы когенерационных систем, их преимущества и недостатки, а также дальнейшие перспективы их применения.

Когенерация тепла и электроэнергии может значительно повысить топливную эффективность. Современный этап развития энергетики характеризуется переходом к увеличению вклада децентрализованных систем энергоснабжения, позволяющих одновременно вырабатывать электрическую и тепловую энергию с высоким общим КПД, достигающим 85-90%. Основным фактором, заставляющим перейти на более рациональные способы поставки тепла и электричества, является износ тепловых и электрических сетей, а также низкое качество электроэнергии. Эта альтернатива – когенерационные установки меньшей мощности, то есть мини-ТЭЦ, обеспечивающие теплом и электричеством отдельные здания или предприятия.

Устройство и принцип работы когенерационных систем подобны работе паротурбинных ТЭЦ, но имеют некоторые особенности. В когенерационных установках для производства тепловой энергии используются выхлопные газы двигателей различной конструкции, которые через теплообменник отдают энергию в сеть, а ТЭЦ для этой же цели использует перегретый пар, нагретый теплом от сжигания топлива в специальных котлах.

Есть когенерационные системы, основой которых являются газовые турбины, газопоршневые агрегатов и микротурбины. Иногда применяются дизельные двигатели. Вид топлива также является немаловажным критерием классификации. Дело в том, что происхождение газа другое. Помимо этого, особенно перспективными являются шахтный метан, биогаз и свалочный газ.

Когенерационные системы нашли применение и в других областях. В теплицах они действуют как единица производства CO2 для увеличения урожайности.

Рассмотрим основные типы когенерационных установок.

1. Газовые турбины (ГТУ) могут обеспечивать самый широкий диапазон электрической мощности – от 10 до 100 МВт. В этих системах поток газа, образующийся при сгорании топлива, действуя на турбинные лопатки, производит крутящий момент и вращает ротор, соединенный с генератором.

Электрический КПД (часть электроэнергии в общей энергии сгорания топлива) систем этого типа может достигать 39%. Газовые турбины обычно производят вдвое больше тепловой энергии, чем электричество (общий КПД не превышает 90%). Безусловно, их преимущество – возможность работать, как на жидком (дизельное, газовое), так и на газообразном топливе различного происхождения, в том числе низкокалорийном (с содержанием метана менее 30%). Установки большой мощности могут использоваться совместно с паровыми турбинами. В этом случае их электрический коэффициент полезного действия достигает 59%. Газовые турбины можно использовать во многих сферах экономики, но основными отраслями потребления по-прежнему остаются нефть, газ, металлургия и энергетика.

2. Микротурбинные установки основаны на том же принципе, что и газовые турбины, однако обладают меньшими габаритами и мощностью (рис. 1, [1]). Еще одним отличительным моментом является тот факт, что когенерационные установки на основе микротурбин являются более компактными, что дает явное преимущество при реализации проектов на ограниченной площади, например в цехах. Вся когенерационная установка плотно расположена внутри шумозащитного кожуха, выведены только вытяжная система и теплотрасса. Электрический КПД, как правило, не превышает 35%, а тепловой около 50%. Максимальная мощность одного аппарата около 250 кВт.

Рисунок 1. Схема когенерационной установки на базе микротурбины

3. Газопоршневые установки (ГПУ). Газопоршневые установки в качестве основного элемента системы используют двигатели внутреннего сгорания, работающие на газу. По аналогичному принципу построены дизель-генераторные электростанции, которые, также можно переоборудовать под данный вид топлива (рис. 2) [1].

КПД (электрический) газопоршневых установок достигает вплоть до 40%, что несколько выше, чем у ГТУ, а вот тепловой КПД ниже - 50%. Предел мощности равняется около 9 МВт.

Рисунок 2. Общая схема когенерационной установки на базе ГПУ

Теплоэлектроцентраль (ТЭЦ) – разновидность тепловой электростанции, которая не только производит электроэнергию, но и является источником тепловой энергии в централизованных системах теплоснабжения.

Энергоблок паротурбинной ТЭЦ состоит из: котлоагрегата и турбоагрегата. После сжигания топлива в котлоагрегате вырабатывается перегретый пар, который затем поставляется в турбоагрегат, вращает лопасти паровой турбины, которая, в свою очередь, приводит во вращение ротор электрогенератора. Избыточный пар отводится из турбины в теплообменник и служит источником тепла для нагрева воды (рис. 3) [1].

Рисунок 3. Устройство работы ТЭЦ

Существуют ТЭЦ промышленного типа - для снабжения промышленных предприятий теплом, и отопительного типа - для отопления и снабжения горячей водой жилых и общественных зданий.

ГПУ, ГТУ и ТЭЦ обладают своими преимуществами и недостатками, которые позволяют использовать их в соответствующих отраслях.

Газотурбинные электростанции применяются, в первую очередь, в энергоёмких производствах (например, в тяжелой и добывающей промышленностях). Использование данных агрегатов в народном хозяйстве считается нецелесообразным.

Газотурбинные установки имеют высокий уровень шума, масштабирование системы невозможно. Ведь для коммунальных нужд зачастую достаточно 20 – 30 МВт. Также, для ГТУ требуется высококвалифицированный штат. Они сложны в обслуживании, требуется значительное время для ввода системы в эксплуатацию и необходимо приостанавливать в случае поломки или регламентного ремонта, что связано с особенностями рабочего цикла.

Аналогичные нюансы касаются и микротурбинных установок. Однако, они используются как для коммунальных нужд, так и в когенерационных системах корпоративных потребителей. Считаются более рентабельными перед газопоршневыми установками, если требуется в основном тепловая энергия и постоянная работа системы.

Наиболее популярными аппаратами для проектирования когенерационных систем стали ГПУ. Они пользуются спросом именно за счет простоты обслуживания и хорошей управляемости, высокой окупаемости и более высокого показателя полного КПД.

Практически все пришли к осознанию двойной выгоды от когенерации. С экономической точки зрения - это надёжность энергоснабжения, рациональное использование энергии, экономия первичной энергии. С точки зрения охраны окружающей среды - это сокращение выбросов углекислого газа.

На сегодняшний день когенерационные установки лучше всего соответствуют принципу энергоэффективности - имеют самый высокий показатель полезного использования топлива - до 90%. Их популярность и преимущество обусловлены возможностью комбинированной выработки тепловой энергии и электроэнергии.

Несмотря на все плюсы когенерационных установок и их повсеместном применении, наблюдается тенденция на снижение её доли в общей генерации электроэнергии. Возможные причины:

• Развитие генерации и котельных на промышленных предприятиях и частично в коммунально-бытовом секторе, что означает снижение поставок тепловой энергии и выработки электроэнергии на тепловом потреблении;
• Большие потери при транспортировке тепловой энергии, которые снижают интерес к развитию централизованных систем когенерации энергии;
• Значительная часть ТЭЦ имеет неудовлетворительную структуру генерирующих мощностей и их высокий износ, приводящий к низкой маневренности;
• Генерирующие мощности в централизованной системе когенерации на 70% - это источники паротурбинного типа с их низкой маневренностью в работе в энергосистеме, что снижает экономичность выработки энергии;
• Частая работа паротурбинных ТЭЦ - по конденсационному режиму, который экономически невыгоден.

В наибольшей мере сокращение систем когенерации в топливно-энергетическом комплексе влияет хроническая изношенность теплотранспортных систем, которая всё чаще заставляет потребителей на собственные источники теплоснабжения [3].

Список литературы:

1. Когенерация. Как это работает. Обзор рынка [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://ges-ukraine.com/maininfo_14-16.html. (Дата обращения: 01.05.2021)
2. Когенерация. Что это такое? [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://mks-group.ru/a/kogeneraciya. (Дата обращения: 01.05.2021)
3. Системная проблема [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.eprussia.ru/teploenergetika/44/623561.htm. (Дата обращения: 02.05.2021)