ПРИМЕНЕНИЕ  ГАЗОГЕНЕРАТОРНОЙ  УСТАНОВКИ  ДЛЯ  ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЯ  ПОСЁЛКА  ОЗЁРНЫЙ

Тищенко  Артемий  Вячеславович

студент  2  курса,  кафедра  квантовой  физики  и  нанотехнологий  НИ  ИрГТУ,  г.  Иркутск

E-mail:  garrilipton@gmail.com

Тищенко  Вячеслав  Владимирович

научный  руководитель,  директор  ООО  «ТВэлектро»,  инженер-энергетик  г.  Иркутск

Богданович  Денис  Васильевич

научный  руководитель,  канд.  физ.  мат.  наук,  заместитель  директора  по  научной  работе,  Физико-технический  институт,  НИ  ИрГТУ,  г.  Иркутск

На  территории  Российской  Федерации  существует  множество  изолированных  от  центральных  электросетей  населенных  пунктов,  электроснабжение  которых  весьма  затруднительно.  Использование  дизельных  электростанций  для  решения  данной  проблемы  экономически  нецелесообразно.  Возможным  решением  данной  проблемы  является  переход  на  возобновляемые  ресурсы.

Примером  населенного  пункта  оторванного  от  центрального  энергоснабжения  является  посёлок  Озёрный  Братского  района  Иркутской  области.  Данный  посёлок  располагается  на  полуострове  Братского  водохранилища  и  автономно  обеспечивается  электроэнергией  от  4-х  устаревших  дизельных  электростанций  общей  мощностью  1350  кВт.  Проблема  заключается  с  одной  стороны,  в  малом  моторесурсе  дизельных  двигателей  станций  (ремонт  ДВС  сопоставим  со  стоимостью  нового;  новой  станции  хватает  на  2  года)  и  затратах  на  эксплуатацию;  с  другой  стороны  в  огромном  потреблении  дизельного  топлива  (до  560  т/год).  Исходя  из  этого,  решение  проблемы  видится  в  замене  дизельной  электростанции  на  более  выгодные  возобновляемые  источники  электроэнергии  [4,  5]. 

  Научным  учреждением  Иркутской  области  в  сфере  энергетики  —  Институтом  систем  энергетики  им.  Л.А.  Мелентьева  СО  РАН  (ИСЭМ),  для  ряда  изолированных  потребителей  (семи  поселков  Братского  района  и  пяти  сел  и  деревень  Усть-Кутский  района)  была  разработана  региональная  программа  «Энергообеспечение  северных  территорий  Иркутской  области  на  базе  энергоисточников,  использующих  возобновляемые  природные  ресурсы  (Братский  и  Усть-Кутский  районы)»  [6].  Решение  проблемы  было  найдено  в  использовании  возобновляемых  природных  ресурсах:  в  Братском  районе  —  древесные  отходы.  При  лесозаготовке  в  Братском  районе  более  30  %  вырубленной  древесины  остается  на  лесосеках  в  виде  порубочных  остатков.  Технология  получения  горючего  газа  из  древесного  топлива  (древесины  и  древесных  отходов)  сейчас  разрабатывается  специалистами  Иркутского  института  систем  энергетики  имени  Мелентьева  СО  РАН.  Технология  должна  послужить  основой  для  создания  газогенераторных  мини-ТЭЦ  электрической  мощностью  100—200  кВт.

Посёлок  Озерный  находится  на  полуострове  в  Братском  районе,  имеющем  лесные  и  водные  ресурсы.  Изначально  был  рассмотрен  вариант  использования  водных  ресурсов  (инструментально  просчитан  на  местности  и  в  проектной  модели),  путем  создания  плотины  на  реке  Тарей  (в  30  км.  от  посёлка  Озёрный)  и  установки  миниГЭС.  Теоретически,  энергии,  производимой  на  миниГЭС,  могло  бы  хватить  для  обеспечения  электроэнергией  посёлка  Озёрный  и  посёлка  Наратай,  который  находится  в  50  км  от  Озёрного.  Однако,  расчет  объема  предполагаемого  водохранилища  показывает,  что  его  наполнение  заняло  бы  несколько  лет  из-за  слабого  потока  реки;  потребовались  бы  большие  затраты  на  возведение  плотины  для  миниГЭС,  подготовки  её  основания  и  большие  средства  на  приобретения  самих  гидроагрегатов. 

  Был  рассмотрен  вариант  применения  ветроэнергетической  установки,  который  также  оказался  невыгодным.  Во-первых,  стоимость  ветроэнергетических  установок  значительно  превышает  стоимость  установленных  дизельных  станций,  во-вторых,  их  мощность  при  ветре  в  3,7  м/с  (средняя  годовая  скорость  ветра  по  Братскому  району)  крайне  мала,  т.  е.  потребуется  увеличивать  количество  установок  в  разы. 

В  итоге,  наиболее  выгодным,  альтернативным  и  перспективным  вариантом  получения  электроэнергии  в  данном  поселке  является  газогенераторная  электростанция.

Немаловажным  является  тот  фактор,  что  в  связи  с  ежегодным  подорожанием  стоимости  дизельного  топлива,  себестоимость  производства  электроэнергии  в  изолированных  посёлках,  где  электростанции  работают  на  жидком  топливе,  чрезвычайно  высока  и  постоянно  растет.  Энергетика  в  изолированных  поселках  фактически  дотационная:  большую  часть  расходов  берёт  на  себя  государство. 

Наиболее  результативным,  экономически  эффективным  и  обоснованным  вариантом  выхода  из  создавшейся  ситуации,  является  использование  местных  относительно  дешевых  твердых  топлив  путем  прямого  сжигания  с  применением  нетрадиционных  технологий,  а  именно:  газификация  твердых  топлив  (отходов  древесины),  т.  е.  получать  электричество  для  своих  нужд,  используя  привычное  и  доступное  бросовое  сырье  [1].

В  рассматриваемых  условиях  посёлка  Озёрный,  сырьем,  которое  можно  применять  для  двигателей  внутреннего  сгорания  перенастроенных  на  газогенераторный  режим  использования,  являются:  поражённый  и  сгоревший  лес,  кора,  пни,  обрезки  веток,  дрова,  хлысты,  тонкомер,  некондиционные  остатки  древесины  на  лесосеках,  опилки,  щепа  и  т.  д.,  т.  е.  отходы  лесозаготовки  (древесные  отходы  от  деятельности  лесодобывающих  предприятий,  а  также  много  перестоявшего  и  некондиционного  леса  разных  пород,  который  является  возобновляемым  источником).

С  внедрением  предлагаемой  технологии  газификации  древесины  местные  автономные  дизельные  электростанции  можно  сравнительно  легко  и  при  минимальным  затратах  перевести  на  работу  на  отходах  древесины.

Древесина  является  наиболее  легко  газифицируемым  твердым  топливом.  Содержание  золы  в  древесине  составляет  0,2—2  %,  что  зависит  от  породы  древесины  и  условия  произрастания.  Температура  плавления  древесной  золы  выше  температуры  газификации,  что  предотвращает  образование  корковых  сводов  в  камере  газификации.  Продукты  переработки  не  содержат  сернистых  соединений,  что  является  благоприятным  фактором  для  работы  поршневого  двигателя.  Теплотворность  рабочей  массы  древесины  в  среднем  составляет  2700—3000  ккал/кг  [2].

При  замещении  на  дизельных  электростанциях  дизельного  топлива  на  генераторный  газ,  выработанный  из  древесины,  затраты  на  топливо  снижаются  не  менее  чем  в  10  раз;  срок  окупаемости  капиталовложений  составляет  от  1  до  3  лет.  Через  3  года  после  перехода  на  газогенераторную  станцию  начнется  экономия  денежных  средств,  которые  ежегодно  тратятся  на  закуп  и  завоз  дорогостоящего  дизельного  топлива  в  удаленные  от  линий  электроснабжения  населенные  пункты.

Для  решения  проблемы  энергоснабжения  рассматриваемого  посёлка  Озёрный,  авторами  статьи  предлагается  применить  две  газогенераторные  станции  УГК-300  с  установками  КЕА  (рис.  1).  Установка  предназначена  для  получения  горючего  газа  из  твёрдого  топлива  для  питания  двигателей  внутреннего  сгорания  промышленного  назначения.  В  установке  использован  обращенный  процесс  газификации.  Структурно  газогенераторная  станция  состоит  из  следующих  блоков:

Газогенератор  —  используется  для  получения  силового  (синтез,  пиролизного,  генераторного)  газа,  в  котором  реализована  слоевая  газификация  с  использованием  обращенного  процесса. 

Циклон-расширитель  —  объемом  3—5  м³  предназначен  для  охлаждения  и  базовой  очистки  воды  и  крупных  частиц  углерода  методом  мгновенно  изменяющегося  объема. 

Рисунок  1.  Блочно-модульная  схема  газогенераторной  установки

Ресивер-охладитель  —  предназначен  для  сбора  газа  объемом  3—6  м³,  а  также  его  охлаждения. 

Циклон  —  предназначен  для  очистки  газа  от  частиц  золы  размером  менее  5  мкм. 

Скруббер  —  предназначен  для  очистки  газа  от  мелкодисперсных  частиц,  и  растворение  в  воде  химических  примесей. 

Электрофильтр  предназначен  для  очистки  газогенераторного  газа,  а  также  других  промышленных  выбросов  от  загрязнений  (твёрдые  частицы,  смолы  и  т.  д.)  и  удаления  влаги.

Технические  характеристики  генератора  для  газификации  и  системы  охлаждения  /  очистки  УКГ-300:

·     производительность  генератора  биологического  газа  —  300  м³/час;

·     температура  газа  на  выходе  из  генератора  —  150—250  °С;

·     температура  газа  на  выходе  из  системы  очистки  и  охлаждения  —  <20  °С;

·     расход  биологического  топлива  —  50—70  кг/час;

·     циркуляция  воды  —  100  л/час;

·     способ  транспортировки  золы  влажным  или  сухим  способом  (сбор  шнеком  и  выгрузка);

·     устройства  системы  очистки  и  охлаждения  газа  -  циклонный  сепаратор  +  циклонный  скруббер  +  скруббер  Вентури  +  циклонный  скруббер  +  фильтр  системы  распыления  воды  (фильтрация  золы  и  смолы,  а  также  охлаждение)  +  воздуходувка  Рутса  +  щелочной  газо-водоотделитель;

·     при  рабочей  температуре  1200  °C  содержание  смолы  в  кипящем  слое  газификатора  составляет  около  0,5  %.  Содержание  смолы  в  газе  до  тонкой  очистки  составляет  приблизительно  1  ~  3  мг/м³.  Для  удаления  смолы  перед  подачей  в  двигатель  внутреннего  сгорания  газ  конденсируется.  Максимально  допустимой  нормой,  заявляемой  производителями  двигателей  внутреннего  сгорания,  является  величина  в  50  мг/м³;

·     очистка  и  охлаждение  газа  может  осуществляться  при  замкнутой  циркуляции  воды,  с  применением  таких  средств  очистки  как  водный  скруббер  и  электрофильтр,  что  позволяет  снизить  степень  загрязнения  окружающей  среды  и  требует  только  лишь  обеспечения  оборудования  водоснабжением;

·     затраты  электроэнергии  на  собственное  нужды  составляют  6—7  %  от  вырабатываемой.

В  генераторе  для  газификации,  где  топливом  являются  биологические  отходы,  а  агентом  —  воздух,  горение  происходит  при  нормальном  давлении.  При  контроле  температуры  в  генераторе  одновременно  происходит  пиролитическая  газификация  топлива  и  термический  крекинг  газообразной  смолы.  После  двух  стадий  высокоэффективной  циклонной  очистки  от  золы  газ  подвергается  многоуровневой  тонкой  очистки  и  полному  охлаждению,  а  затем  подается  в  газовый  резервуар,  где  создается  повышенное  давление.  Из  резервуара  под  постоянным  давлением  газ  поступает  в  ДВС.

Таблица  1.

Сравнительная  стоимость  1-го  кВт·часа  энергии  для  различных  топлив

Примечание.  При  расчётах  использована  продажная  цена  топлива  без  затрат  на  транспортировку  и  эксплуатацию  котельных.  Средняя  себестоимость  1  Гкал  (1163  кВт  час)  составляет:  уголь  —  1255,5    руб.,  мазут  —  992  руб.,  торф  —  859,5  руб.,  щепа  —  493,5  руб.,  дрова  —  582,5  руб.

В  графе  «Стоимость  1-го  кВт·часа  электрического»  приведены  цифры  при  газификации  данного  топлива  и  последующего  использования  генераторного  газа  в  двигателе  внутреннего  сгорания.

Коэффициент  использования  теплоты  генераторного  газа  (в  газогенераторах)  при  выработке  тепловой  энергии  —  85  %;  при  комбинированной  выработке  тепловой  и  электрической  энергии  —  90—95  %.

Был  произведен  укрупнённый  расчет  эффективности  замены  дизельных  станций  пос.  Озерный  на  газогенераторные  электростанции. 

Для  подтверждения  экономической  целесообразности  перевода  ДЭС  на  древесину  проведём  сравнения  затрат  на  производство  энергии,  используя  справочные  данные  [3]:

·     калорийность  дизельного  топлива  (Q_ндт  =  11  000  ккал/кг);

·     калорийность  древесины  (Q_ндр  =  2700  ккал/кг);

·     стоимость  древесины  с  транспортными  расходами  (С_д  =  673  руб./т), 

В  посёлке  Озёрный  цена  дров  по  состоянию  на  2013  год  составляет  400  руб./м³;  что  в  переводе  на  тонну:  для  лиственницы  составляет  596  руб./т;  для  осины  составляет  800  руб./т;  для  берёзы  составляет  624  руб./т;  т.  е.  в  среднем  по  перечисленным  породам  древесины:  673  руб./т

·     стоимость  дизельного  топлива  с  транспортными  расходами  C_дт  =  38000  руб./т. 

Низшая  теплотворная  способность  1  кг  древесины  меньше  1  кг  дизельного  топлива  в  4.07  раза  (Q_ндт  /  Q_ндр). 

Отношение  стоимости  ДТ  к  древесине:  (C_дт  /  С_д)  =  56,5.  Калория,  полученная  из  древесины,  дешевле,  чем  калория,  полученная  из  дизельного  топлива,  в  14  раз.

Чтобы  заменить  1  тыс.  тонн  дизельного  топлива  по  цене  38  млн.  руб.,  потребуется  4,07  тыс.  тонн  древесины  по  цене  2,739  млн.  рублей,  что  дает  экономическую  выгоду  в  35,261  млн.  рублей.

При  замещении  на  дизельных  электростанциях  дизельного  топлива  на  генераторный  газ,  выработанный  из  древесины,  затраты  на  топливо  снижаются  не  менее  чем  в  10  раз,  и  срок  окупаемости  капиталовложений  составляет  от  1  до  3  лет. 

В  год  дизельные  станции  посёлка  Озёрный  потребляют  дизельного  топлива  560  тонн  на  сумму  21,28  млн.  руб.  При  применении  газогенераторной  установки  затраты  на  топливо  (отходы  лесозаготовки  —  2,28  тыс.  тонн)  составят  1,534  млн.  рублей. 

Таким  образом  затраты  на  стоимости  топлива  снизятся  в  14  раз.

В  заключение  следует  отметить,  что  предлагаемые  газогенераторные  электрические  установки  включены  в  Программу  субсидирования  малого  и  среднего  бизнеса  согласно  ФЗ  №  141  «Об  энергоэффективности»,  и  ФЗ  №  261  от  2009  г.  «Об  энергосбережении  и  о  повышении  энергетической  эффективности  и  о  внесении  изменений  в  отдельные  законодательные  акты  Российской  Федерации»,  что  предполагает  значительные  финансовые  выгоды  для  их  применения.

Список  литературы:

1.Авдей  Р.И.  Ресурсы  растительной  биомассы  России  //  Энергосбережение  и  водоподготовка  —  2009.  —  №  3  (59).  —  95  с.

2.Зорина  Г.И.  Современные  тенденции  развития  технологии  газификации  твердого  топлива.  //  Химия  твердого  топлива.  —  1986.  —  №  3.  —  с.  82—93.

3.Любов  В.К.  Совершенствование  топливно-энергетического  комплекса  путем  повышения  эффективности  сжигания  топлив  и  вовлечения  в  энергетический  баланс  отходов  переработки  биомассы  и  местного  топлива:  дис.  …  д-р.  техн.  наук.  Архангельск,  2004.  —  453  c.

4.Макарова  Е.М.  Пути  повышения  надежности  и  эффективности  энергоснабжения  малых  городов  и  населенных  пунктов  при  реализации  региональных  программ  развития  топливно-энергетического  комплекса:  дис.  …  канд.  техн.  наук.  М.,  2002.  —  302  c.

5.Распоряжение  Правительства  Российской  Федерации  «Основные  направления  государственной  политики  в  сфере  повышения  энергетической  эффективности  электроэнергетики  на  основе  использования  возобновляемых  источников  энергии  на  период  до  2020  года».

6.Региональная  программа  «Энергообеспечение  северных  территорий  Иркутской  области  на  базе  энергоисточников,  использующих  возобновляемые  природные  ресурсы  (Братский  и  Усть-Кутский  районы)».  Институт  систем  энергетики  им.  Л.А.  Мелентьева  СО  РАН  (ИСЭМ).

7.Федеральный  закон  №  141  от  2009  года  «Об  энергоэффективности».

8.Федеральный  закон  №  261  от  2009  года  «Об  энергосбережении  и  о  повышении  энергетической  эффективности  и  о  внесении  изменений  в  отдельные  законодательные  акты  Российской  Федерации».