СРАВНИТЕЛЬНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ГАЗОПОРШНЕВЫХ И ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК В КАЧЕСТВЕ ОБЪЕКТОВ МАЛОЙ РАСПРЕДЕЛЁННОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

COMPARATIVE CHARACTERISTICS OF GAS-PISTON AND GAS TURBINE INSTALLATIONS AS OBJECTS OF SMALL-SCALE DISTRIBUTED ENERGY

Evgeny Polyakov

student, Department of Theoretical Foundations of Thermal Engineering named after M.P. Vukalovich, National Research University "MPEI",

Russia, Moscow

АННОТАЦИЯ

Одной из важнейших задач усовершенствования энергетической системы в нашей стране является решение проблемы энергообеспечения удалённых регионов России.  В данной статье предложены возможные пути устранения данной проблемы за счёт увеличения доли объектов малой распределённой энергетики. Проведён сравнительный анализ газопоршневых и газотурбинных установок в качестве основы для создания децентрализованных когенерационных теплоэлектростанций.

ABSTRACT

One of the most important objectives of improving the energy system in our country is to solve the problem of energy supply in remote regions of Russia. This article suggests possible ways to eliminate this problem by increasing the share of small-scale distributed energy facilities. A comparative analysis of gas piston and gas turbine installations has been carried out as a basis for the creation of decentralized cogeneration thermal power plants.

Ключевые слова: энергоснабжение, малая распределённая энергетика, децентрализованные системы, энергоресурсы, мини-ТЭЦ, газопоршневые установки, газотурбинные установки.

Keywords: energy supply, small-scale distributed energy, decentralized systems, energy resources, mini-CHP plants, gas-piston installations, gas turbine installations.

Практически 70% территории России с населением около 22 млн. человек находятся вне зоны сетей централизованного энергоснабжения. Кроме того, большая часть регионов страны испытывает потребность в ведении дополнительных энергетических мощностей. Только 20% регионов РФ обеспечены собственными энергоресурсами, а остальная же часть должна их приобретать и завозить. Снабжение удаленных областей страны теплом и электроэнергией можно обеспечить за счет ввода автономных энергетических установок на базе объектов малой распределённой энергетики.

Понятие малой распределенной энергетики (МРЭ) включает в себя децентрализованные системы генерации теплоты и электрической энергии, работающие как на традиционных видах транспортируемого топлива (природный газ, мазут, дизель, уголь), так и на местных видах топлива (торф, древесные отходы, биогаз). Диапазон мощностей объектов МРЭ варьируется от нескольких десятков кВт до десятков МВт.

Особую экологическую и технологическую привлекательность приобретают технологии малой распределенной энергетики на основе нетрадиционных и возобновляемых источников энергии (НиВИЭ). Прежде всего, это энергия солнца и ветра, теплота геотермальных источников, а также различные виды других биоресурсов. Развитие в стране нетрадиционных и возобновляемых источников энергии позволит, в первую очередь, сделать доступным использование промышленной энергетики в удаленных регионах. Большими возможностями в этом отношении обладает ветроэнергетика. Строительство ветряных станций может быть осуществлено практически в любом месте. Кроме того, по некоторым оценкам, эти станции смогут вырабатывать до 30% электроэнергии всей отрасли. Также нужно учитывать возможности применения термальной энергетики, особенно на Дальнем Востоке, и солнечных электростанций (СЭС), прежде всего, в Краснодарском крае, Астраханской и Волгоградской областях, Крыму и  в других южных регионах России, где годовая инсоляция на 1м² превышает 1,2 МВт · ч.

Мировой рынок технологий распределенных энергоресурсов растет темпами примерно 5-8 % за год. Ожидается, что к началу 2026 году объем ввода мощностей распределенной генерации превысит объемы ввода централизованной генерации в 3 раза. По оценке Международного энергетического агентства, распределенная энергетика будет обеспечивать до 75% новых подключений в процессе глобальной электрификации к 2030 году.

В некоторых европейских государствах доля объектов МРЭ в общей энерговыработке достигает 40%, хотя, в среднем, для промышленно развитых стран этот показатель лежит в пределах 10-15%. Устойчивая тенденция к увеличению доли малых когенерационных теплоэлектростанций (мини-ТЭЦ) наблюдается на Западе уже более 15 лет. Если же говорить о России, где доля мини-ТЭЦ в общей выработке энергии составляет около 7-8%, то следует вспомнить, что в СССР вся энергетика была монополизирована государством. Это во многом предопределило её последующее развитие.

Сегодня рост тарифов на сетевую электроэнергию обусловливает растущий интерес инвесторов к объектам малой энергетики. Топливная составляющая себестоимости электроэнергии, получаемой от газопоршневой мини-ТЭЦ, составляет 70-90 коп./кВт · ч. Большая энергетика предоставляет 1 кВт · ч по цене от 3 до 5 рублей и, в некоторых случаях, даже дороже. И, несмотря на то что существуют эксплуатационные расходы, собственная мини-ТЭЦ, работающая при полной нагрузке, окупается достаточно быстро. Однако это утверждение справедливо только для тех случаев, когда полностью используется вся мощность станции. Поэтому применение мини-ТЭЦ показано в первую очередь предприятиям, использующим тепло- и электроэнергию в производстве, т.е. хлебозаводам, мясокомбинатам, птицефабрикам и т.п.

Кроме того, внедрение собственной генерации может быть связано не только с высокими расходами на энергоресурсы, но и с проблемами получения новых мощностей, ценой технического подсоединения, низким качеством уже потребляемой электроэнергии, повышением обеспечения энергобезопасности предприятия.

В настоящее время наиболее применяемыми установками для децентрализованных мини-ТЭЦ являются газопоршневые (ГПД) и газотурбинные двигатели (ГТД).

Рисунок 1. Удельная стоимость оборудования в зависимости от единичной мощности агрегата

Рисунок 1 иллюстрирует, что при единичных мощностях агрегата менее 3,8 МВт достигается наименьшая удельная стоимость оборудования на основе поршневых двигателей. Здесь следует отметить, что стоимость оборудования и стоимость станции, это разные вещи, особенно в том случае, когда идет речь о подаче газа высокого давления (как того требуют газотурбинные двигатели).

Следующими очень важными показателями для владельцев станций являются расход топлива и эксплуатационные затраты, которые напрямую связаны со сроком окупаемости оборудования и прибылью, которую получит инвестирующая компания.

Как показано на рисунке 2, удельный расход теплоты топлива на выработку 1 кВт · ч электроэнергии больше у установки на основе газотурбинного двигателя, причём при всех значениях нагрузки. Это можно объяснить тем, что КПД у газотурбинных установок варьируется в пределах 24-34%, а КПД поршневых установок в интервалах 35-45%.

Рисунок 2. Удельный расход теплоты топлива в зависимости от нагрузки агрегата.

Взглянув на рисунок 3, можно увидеть, что эксплуатационные затраты на мини-ТЭЦ, в основе которой лежит газопоршневая установка, ниже, чем на малую когенерационную ТЭС с газотурбинной установкой. Резкие скачки на графике для ГТД соответствуют капитальным ремонтам двигателя. У эксплуатационных затрат для ГПД такие скачки отсутствуют, поскольку капитальный ремонт требует значительно меньше финансовых и человеческих ресурсов.

Рисунок 3. Затраты на эксплуатацию мини-ТЭЦ мощностью 5 МВт.

Более подробная сравнительная характеристика газопоршневых и газотурбинных установок представлена в таблице 1.

Таблица 1

Сравнительная характеристика ГПД и ГТД

Сравнительный анализ газопоршневых и газотурбинных установок для применения на мини-ТЭЦ показывает, что установка газовых турбин наиболее выгодна для крупных промышленных предприятий, которые имеют значительные (более 8-10 МВт) электрические нагрузки, собственную производственную базу, квалифицированный персонал для запуска и эксплуатации установки, подачу газа высокого давления. Мини-ТЭЦ на базе газопоршневых установок более перспективны в качестве основного источника электроэнергии и теплоты на предприятиях самого широкого диапазона деятельности, а именно:

• в сфере обслуживания - в гостиницах, санаториях, пансионатах и предприятиях пищевой промышленности;
• в промышленности - на деревообрабатывающих и химических производствах;
• в сельском хозяйстве - в тепличных хозяйствах, на птицефермах и животноводческих комплексах.

Список литературы:

1. Промышленная теплоэнергетика и теплотехника // Справочник, под общей редакцией Григорьева В. А. и Зориной В. М., Москва, Энергоатомиздат, 1991.
2. Комплексная государственная программа Российской Федерации «Энергосбережение и повышение энергетической эффективности». // Москва, Минэкономразвития РФ, 2023.
3. Основные параметры прогноза социально-экономического развития Российской Федерации на период до 2030 г. // Москва, Минэкономразвития РФ, 2008.
4. Технические и экономические критерии выбора мощности мини-ТЭЦ на промышленных предприятиях // Справочник по промышленной энергетике №4, под общей редакцией Вагина Г. Я., 2006.