Когенерация

Процесс выработки электроэнергии, названный когенерация (cogeneration) - это получение одновременно электроэнергии и тепла в единой установке.

Раздельное производство электроэнергии и тепла

когенерация установка электростанция энергетический

Основной принцип когенерации : стремление к максимальному использованию энергии первичного топлива (например, использование тепловой энергии, которая раньше сбрасывалась в атмосферу). Общий КПД энергетической станции в режиме когенерации составляет 80-95%.

ЭЛТЕКО ГЛОБАЛ предлагает КГУ различных мощностей, с различными вариантами исполнений. Учитывая невысокую стоимость газа и возможность подключения, когенерация является более эффективным процессом, инвестиции от которого оправдываются за 2-3 года. Мощностной ряд представлен поршневыми двигателями LOMBARDINI, FORD, MAN, GUASCOR, PERKINS и DEUTZ использующими в виде топлива природный газ, газ свалок или биогаз. При выборе КГУ необходимо учитывать требуемые параметры электрической и тепловой мощности установок, тип газа и его расход. При затруднении в выборе, ЭЛТЕКО ГЛОБАЛ оказывает профессиональную консультацию и предоставляет таблицу подбора необходимой установки. Учитывая все факторы когенерация это современный, эффективный и экологичный метод выработки электроэнергии. Параллельное подключение установок даёт возможность наращивания мощности, а последовательная работа агрегатов увеличивает срок службы. Широкий модельный ряд энергоустановок, предлагаемый предприятием Elteco, позволяет максимально чётко решить проблему электропитания, а европейская сборка определяет качество, надёжность и долговечность.

Когенерационные установки (когенераторы) широко используются в малой энергетике (мини-ТЭЦ, MicroCHP). И для этого есть следующие предпосылки:

Тепло используется непосредственно в месте получения, что обходится дешевле, чем строительство и эксплуатация многокилометровых теплотрасс;

Электричество используется большей частью в месте получения без накладных расходов поставщиков энергии, и его стоимость для потребителя может быть несколько меньше, чем у энергии из сети.

Потребитель приобретает энергетическую независимость от сбоев в электроснабжении и аварий в системах теплоснабжения.

Использование когенерации наиболее выгодно для потребителей с постоянным потреблением электроэнергии и тепла. Для потребителей, у которых имеются ярко выраженные «пиковые нагрузки» (например, жилое хозяйство, ЖКХ), когенерация мало выгодна вследствие большой разницы между установленной и среднесуточной мощностями - окупаемость проекта значительно затягивается.

У современных когенерационных установок на базе газопоршневых двигателей коэффициент использования теплоты сгорания топлива доходит до 85...90% и только 10% теряются. Экономия топлива при выработке энергии в когенерационном цикле может достигать до 40% по сравнению с раздельным производством того же количества электроэнергии (конденсационная электростанция) и тепловой энергии (водогрейная котельная). Например, используя тепло выхлопных газов и охлаждающей жидкости газового двигателя мощностью 500 кВт для отопления, можно обеспечить теплом площадь размером в 4...4,5 тыс. м2, поддерживая нормальную температуру в помещениях.

Различают две основные группы когенерационных установок:

• 1. Установки одновременного производства электрической и тепловой энергии (зарубежный аналог: СНР -- combined heat and power plant);
• 2. Установки (электростанции) комбинированного цикла с утилизационным котлом и паровой турбиной (зарубежный аналог: ССР -- combined cycle power plant). Чаще -- это электростанции с газовой турбиной, котлом-утилизатором и паровой турбиной (ПГУ -- парогазовые установки большой мощности). Но есть проекты где вместо газовой турбины использовался газопоршневой двигатель и паровая турбина малой мощности

В зависимости от вырабатываемой электрической мощности, когенерационные электростанции разделяют на следующие группы:

• · микро электростанции (мощность от 1 до 250 кВт);
• · мини (мощность от 250 до 1000 кВт) и малые (мощность от 1 до 60 МВт) - для простоты зачастую объединяют;
• · средние (мощность от 60 до 300 МВт);
• · большие (мощность более 300 МВт).

Подчеркнем, что здесь речь идет о суммарной мощности электростанции, а не единичной мощности энергетического агрегата. Принято считать, что мощности до 250 кВт (микро электростанции) целесообразно и возможно покрывать газопоршневыми или дизельными агрегатами (к примеру, DEUTZ ADG), а также различными установками альтернативной энергетики. От 250 кВт до 10-15 МВт -- с помощью газопоршневых агрегатов. Мощности до 60 МВт -- с помощью газопоршневых агрегатов (или газовых турбин при единичных мощностях от 20 МВт), а средние и большие мощности -- с помощью газовых и паровых турбин или парогазовых установок.

Газопоршневая электростанция представляет собой систему производства электрической энергии из внутренней энергии топлива. Работают они на сжиженном или магистральном природном газе, биогазе, попутном газе.

Преимуществами газопоршневых электростанций являются простота в использовании и невысокая стоимость топлива. В районах с магистральным газопроводом газопоршневая электростанция выступает в качестве самого экономичного постоянного или резервного источника энергии.

Принцип действия газопоршневой установки достаточно прост. Основой конструкции является газопоршневой двигатель - это двигатель внутреннего сгорания. При сгорании топлива выделившаяся энергия используется генератором электрического тока. Двигатели могут применяться в установках, предназначенных как для постоянной, так и для переменной работы, а также для одновременного производства электрической и тепловой энергии (данный процесс называется "когенерация энергии"). В последнем случае такая установка получает название "когенерационная газопоршневая установка".

Когенерация энергии

Термин «когенерация» обозначает комбинированную генерацию различных видов энергии. В техническом отношении, когенерация представляет собой процесс, при котором тепло и электричество вырабатываются одновременно в особом устройстве. Такое устройство называется «когенератор» и типичным его примером прикладного применения когенерации является газовая электростанция. Когенератор включает в себя генератор, газовый двигатель, систему отбора тепла и систему управления. Когенерация представляет собой оптимальный способ обеспечения и теплом и электрической энергией. Принцип когенерации лежит в основе различных современных технических решений.

Сама конструкция двигателя внутреннего сгорания, работающего на газовом топливе, менее подвержена повреждениям и износу за счет отсутствия в газе частиц, способных повредить механизм. Особенно это проявляется на низких нагрузках (ниже 20%). Кроме того, газопоршневые когенерационные установки работают и на биогазе с малодымным выхлопом (Евро4), в котором концентрируется минимальное количество вредных веществ.

Когенерационная газопоршневая станция (тепловая установка когенератора) способна обеспечить производство тепла и электроэнергиеи для жилого дома или промышленного предприятия - в зависимости от ее технических характеристик. При наличии магистрали когенератор вполне может осуществлять бесперебойную подачу электроэнергии. Расход топлива при этом наблюдается значительно более экономичный, чем в случае с бензиновыми или дизельными станциями. Себестоимость электроэнергии ниже тарифа в сети, даже на мини ТЭЦ (когенерационных установках малой мощности, мини ТЭС).

Когенерационные мини ТЭЦ

Когенерационные мини ТЭЦ благодаря своим размерам легче размещаются на небольших площадях. Когенератор работает на природном газе, а когенерационная установка мини ТЭЦ – одна из систем, работающих на синтезе двух источников, когенерации. Когенерационные тепловые установки отлично вписываются в схему электрики на промышленных предприятиях. Для удовлетворения нужд, таких как отопление небольших объектов, используются когенерационные установки малой мощности. Установка когенерации позволяет значительно экономить затраты на получение тепловой энергии.

Блочные электростанции подходят для мощной выработки электроэнергии, а также могут обогревать крупные производственные помещения, к тому же они отличаются хорошей экологичностью. Блочные электростанции применяются в помещениях, где идут активные производственные процессы.

Газопоршневые генераторы применяются и в качестве резервных станций. Они очень удобны для ситуаций, когда наблюдаются частые перебои в электроснабжении. Газовые электростанции – гарант вашей энергетической независимости.

Введение

В настоящем издании приведены общие сведения о процессах производства, передачи и потребления электрической и тепловой энергии, взаимной связи и объективных закономерностях этих процессов, о различных типах электростанций, их характеристиках, условиях совместной работы и комплексного использования. В отдельной главе рассмотрены вопросы энергосбережения.

Производство электрической и тепловой энергии

Общие положения

Энергетика - это совокупность естественных, природных и искусственных, созданных человеком систем, предназначенных для получения, преобразования, распределения и использования энергетических ресурсов всех видов. Энергоресурсами являются все материальные объекты, в которых сосредоточена энергия для возможного использования ее человеком.

Среди различных видов энергии, используемых людьми, электроэнергия выделяется рядом существенных достоинств. Это относительная простота ее производства, возможность передачи на очень большие расстояния, простота преобразования в механическую, тепловую, световую и иную энергию, что делает электроэнергетику важнейшей отраслью жизнедеятельности человека.

Процессы, происходящие при производстве, распределении, потреблении электрической энергии, неразрывно взаимосвязаны. Также взаимосвязаны и объединены установки по выработке, передаче, распределению и преобразованию электроэнергии. Такие объединения называются электроэнергетическими системами (рис.1.1) и являются составной частью энергетической системы. В соответствии с энергетической системой называют совокупность электрических станций, котельных, электрических и тепловых сетей, соединенных между собой и связанных общностью режима в непрерывном процессе производства, преобразования и распределения электроэнергии и теплоты при общем управлении этими режимами.

Составной частью электроэнергетической системы является система электроснабжения, представляющая собой совокупность электроустановок, предназначенных для обеспечения потребителей электрической энергией.

Аналогичное определение можно дать системе теплоснабжения.

Тепловые электрические станции

Получение энергии из топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) посредством их сжигания в настоящее время является наиболее простым и доступным способом производства энергии. Поэтому до 75% всей электроэнергии в стране вырабатывается на тепловых электростанциях (ТЭС). При этом возможны как совместная выработка тепловой и электрической энергии, например, на тепловых электростанциях (ТЭЦ), так и их раздельное производство (рис. 1.2).

Структурная схема ТЭС приведена на рис. 1.3. Работа происходит следующим образом. Система топливоподачи 1 обеспечивает поступление твердого, жидкого или газообразного топлива к горелке 2 парового котла 3. Предварительно топливо соответствующим образом подготавливается, например, уголь дробится до пылевидного состояния в дробилке 4, подсушивается и насыщается воздухом, который дутьевым вентилятором 5 от воздухо-заборника 6 через подогреватель 7 также подается к горелке. Тепло, выделяемое в топке котла, используется для нагрева воды в теплообменниках 8 и образования пара. Вода подается насосом 9 после того, как проходит специальную систему водоподготовки 10. Пар из барабана 11 при высоком давлении и температуре поступает в паровую турбину 12, где энергия пара преобразуется в механическую энергию вращения вала турбины и электрического генератора 13. Синхронный генератор вырабатывает переменный трехфазный ток. Отработанный в турбине пар конденсируется в конденсаторе 14. Для ускорения этого процесса используется холодная вода естественного или искусственного водоема 15 или специальные охладители - градирни. Конденсат насосами вновь подается в парогенератор (котел). Такой цикл называется конденсационным. Электростанции, использующие этот цикл (КЭС), вырабатывают только электрическую энергию. На ТЭЦ часть пара из турбины забирается при определенном давлении до конденсатора и используется для нужд потребителей тепла.

Рис. 1.1.

G - генераторы электроэнергии; Т - трансформаторы; Р - электрические нагрузки;

W - линии электропередачи (ЛЭП); АТ - автотрансформаторы

Рис.1.2.

а - совмещенное производство; б - раздельное производство

Рис.1.3.

Топливо и его приготовление. На ТЭС используется твердое, жидкое или газообразное органическое топливо. Его общая классификация приведена в таблице 1.1 .

Таблица 1.1. Общая классификация топлива

Топливо в том виде, в каком оно сжигается, называется "рабочим топливом”. В состав рабочего топлива (твердого и жидкого) входят: углерод С, водород Н, кислород О, азот N, зола А и влага W. Выражая компоненты топлива в процентах, отнесенных к одному килограмму массы, получают уравнение состава рабочей массы топлива.

Сера называется летучей и составляет часть общего количества серы, находящейся в топливе, остальная негорючая часть серы входит в состав минеральных примесей.

Естественное газообразное топливо содержит: метан, этан, пропан, бутан, углеводороды, азот, углекислый газ. Последние два компонента - балласт. Искусственное газообразное топливо имеет в своём составе метан, окись углерода, водород, углекислый газ, водяные пары, азот, смолы.

Основной теплотехнической характеристикой топлива является теплота сгорания, которая показывает, какое количество теплоты в килоджоулях выделяется при сжигании одного килограмма твердого, жидкого или одного кубического метра газообразного топлива. Различают высшую и низшую теплоту сгорания.

Высшей теплотой сгорания топлива называют количество теплоты, выделяемой топливом при полном его сгорании c учётом теплоты, выделившейся при конденсации водяных паров, которые образуются при горении.

Низшая теплота сгорания отличается от высшей тем, что не учитывает теплоту, затрачиваемую на образование водяных паров, которые находятся в продуктах сгорания. При расчётах используют низшую теплоту сгорания, т.к. теплота водяных паров бесполезно теряется с уходящими в дымовую трубу продуктами сгорания.

Взаимосвязь высшей и низшей теплоты сгорания для рабочеймассы топлива определяется уравнением

Для сравнения различных видов топлива по величине теплоты сгорания введено понятие "условное топливо" (у. т.). Условным считают топливо, низшая теплота сгорания которого при рабочей массе равна 293 кДж/кг для твёрдого и жидкого топлива или 29300 кДж/м3 для газообразного топлива. В соответствии с этим каждое топливо имеет свой тепловой эквивалент Эт = QНР / 29300.

Перевод расхода рабочего натурального топлива в условное производится по уравнению

Вусл = Эт? Вт.

Краткая характеристика отдельных видов топлива приведена в табл.1.2.

Таблица 1.2. Характеристика топлива

Особо следует отметить низшую теплоту сгорания в кДж/кг мазута - 38000...39000, природного газа - 34000...36000, попутного газа - 50000...60000. Кроме того, это топливо практически не содержит влаги и минеральных примесей.

Перед подачей топлива в топку производят его подготовку. Особенно сложна система приготовления твердого топлива, которое последовательно проходит очистку от механических примесей и посторонних предметов, дробление, сушку, пылеприготовление, перемешивание с воздухом.

Система подготовки жидкого и особенно газообразного топлива значительно проще. Кроме тоготакое топливо экологически более чистое, практически не имеет зольности.

Простота транспортировки, легкость автоматизации управления процессами горения, высокая теплота сгорания обусловливают перспективность использования в энергетике природного газа. Однако запасы этого сырья ограничены.

Водоподготовка. Вода, являясь теплоносителем на ТЭС, непрерывно циркулирует по замкнутому контуру. При этом особое значение имеет очистка воды, подаваемой в котел. Конденсат от паровой турбины (рис.1.3) поступает в систему 10 очистки от химических примесей (химводоочистка - ХВО) и свободных газов (деаэрация). В технологическом цикле вода -пар-конденсат неизбежны потери. Поэтому от внешнего источника 15 (пруд, река) через водозабор 16 производится подпитка водяного тракта. Вода, поступающая в котел, предварительно подогревается в экономайзере (теплообменнике) 17 уходящими продуктами сгорания.

Паровой котел. Котел является парогенератором на ТЭС. Основные конструкции представлены на рис.1.4.

Котел барабанного типа имеет стальной барабан 1, в верхней части которого собирается пар. Питательная вода подогревается в экономайзере 2, находящемся в камере 3 уходящих газов, и поступает в барабан. Коллектор 4 замыкает паро-водяной цикл котла. В топочной камере 5 горение топлива при температуре 1500. ..20000С обеспечивает закипание воды. По стальным подъемным трубам 6, имеющим диаметр 30...90 мм и покрывающим поверхность топочной камеры, вода и пар поступают в барабан. Пар из барабана через трубчатый пароперегреватель 7 подается в турбину. Пароперегреватель может выполняться двух - трехступенчатым и предназначен для дополнительного нагрева и сушки пара. Система имеет опускные трубы 8, по которым вода из нижней части барабана опускается в коллектор.

В котле барабанного типа обеспечивается естественная циркуляция воды и пароводяной смеси за счет их разной плотности.

Такая система позволяет получить докритические параметры пара (критической называется точка состояния, в которой исчезает различие в свойствах жидкости и пара): давление до 22,5 МПа, а практически не более 20 МПа; температура до 374°С (без пароперегревателя). При большем давлении нарушается естественная циркуляция воды и пара. Принудительная циркуляция пока не нашла применения в мощных барабанных котлах из-за своей сложности. Поэтому котлы данного типа используются в энергоблоках мощностью до 500 МВт при паропроизводителъности до 1600 тонн в час.

В котле прямоточного типа специальные насосы осуществляют принудительную циркуляцию воды и пара. Питательная вода насосом 9 через экономайзер 2 подается в трубы-испарители 10,где превращается в пар. Через пароперегреватель 7 пар поступает в турбину. Отсутствие барабана и принудительна циркуляция воды и пара позволяют получить сверхкритические параметры пара: давление до 30 МПа и температуру до 590°С. Это соответствует энергоблокам мощностью до 1200 МВт и паропроизводителъности до 4000 т/ч.

Котлы, предназначенные только для теплоснабжения и устанавливаемые в местных или районных котельных, выполняются на тех же принципах, что рассмотрены выше. Однако параметры теплоносителя, определяемые требованиями потребителей тепла, существенно отличаются от рассмотренных ранее (некоторые технические характеристики таких котлов приведены в табл.1.3).

Таблица 1.3. Технические данные котлов отопительных систем

Например, котельные, пристроенные к зданиям, допускают применение котлов с давлением пара до 0,17 МПа и температурой воды до 1150С, а максимальная мощность встроенных котельных не должна превышать 3,5 МВт при работе на жидком и газообразном топливе или I,7 МВт при работе на твёрдом топливе. Котлы отопительных систем различаются по виду теплоносителя (вода, пар), по производительности и тепловой мощности, по конструкции (чугунные и стальные, малометражные и шатровые и др.).

Эффективность работы системы парогенерации или подготовки горячей воды во многом определяется коэффициентом полезного действий (КПД) котлоагрегата.

В общем случае КПД парового котла и расход топлива определяются выражениями:

Кг/с, (1.1)

где hk - КПД парового котла, %; q2, q3, q4, q5, q6 - потеря теплоты соответственно с уходящими газами, химическим недожогом, механическим недожогом, на наружное охлаждение, со шлаком, %; В - полный расход топлива, кг/с; QПК - теплота, воспринятая рабочей средой в паровом котле, кДж/м; - располагаемая теплота поступающего в топку топлива, кДж/кг.

Рис.1.4.

а - барабанного типа; б - прямоточного типа

1- барабан; 2 - экономайзер; 3 - камера уходящих газов; 4 - коллектор; 5 - топочная камера; 6 - подъёмные трубы; 7 - пароперегреватель; 8 - опускные трубы; 9 - насос; 10 - трубы-испарители

Если теплота уходящих газов не используется, то

а при разомкнутой системе сушки топлива уходящими газами

где Нух, Нотб, - энтальпия соответственно уходящих газов, газов в месте отбора на сушку и холодного воздуха, кДж/кг; r - доля отбора газов на сушку; ?yx - избыток воздуха в уходящих газах.

Энтальпия газа при температуре Т численно равна количеству теплоты, которое подведено к газу в процессе нагревания его от нуля градусов Кельвина до температуры Т при постоянном давлении.

При разомкнутой системе сушки все данные о топливе относят к подсушенному топливу.

В этом случае расход сырого топлива при изменении влажности от WР до Wсуш составляет

где Всуш - расход подсушенного топлива по (1.1), кг/с; Wсуш, WР - влажность подсушенного и неподсушенного топлива, %.

При изменении влажности меняется и низшая теплота сгораниятоплива от до:

КДж/кг (1.4)

Низшая теплота сгорания соответствует количеству теплоты, выделяемой топливом при полном его сгорании без учёта теплоты, затрачиваемой на образование водяных паров, которые находятся в продуктах сгорания.

Полная располагаемая теплота поступающего в топку топлива

КДж/кг, (1.5)

где - низшая теплота сгорания топлива, кДж/кг; - дополнительная теплота, вносимая в котел подогретым снаружи воздухом, паровым дутьем и т.д., кДж/кг.

Для ориентировочных расчетов.

Теплота, воспринимаемая рабочей средой в паровом котле

КДж/с, (1.6)

где Dп - паропроизводительность котла, кг/с; hпп, hпв - энтальпия перегретого пара и питающей воды, кДж/кг; ?Qпк - дополнительно воспринимаемая теплота при наличии в котле пароперегревателя, продувки водой и т.д., кДж/с.

Для ориентировочных расчетов?Qпк=0,2…0,3 Dп(hпп - hпв).

где?ун- доля уноса золы с продуктами сгорания; Ншл - энтальпия шлака, кДж/кг; АР - рабочая зольность топлива, %.

Значения q3, q4, q5, Wр, Aр, приводятся в специальной литературе, а также в учебных пособиях .

При твердом шлакоудалении можно принять?ух=1,2…1,25; ?ун=0,95; Ншл=560 кДж/кг.

Кроме того, при температуре воздуха перед котлом 300С =223 кДж/кг, а при температуре уходящих газов 1200С Нух=1256 кДж/кг.

Пример расчета. Определить КПД и расход топлива для парового котла при следующих условиях: Dп=186 кг/с; топливо - подсушенный Березовский угль с Wсуш=13%; разомкнутая система сушки, r=0,34; отбираемый на сушку газ имеет Нотб=4000кДж/кг; энтальпия перегретого пара и питательной воды соответственно hпп =3449 кДж/кг, hпв=1086,5 кДж/кг.

Решение. Предварительно по (1.4) определяется низшая теплота сгорания подсушенного топлива.

Здесь Wр=33% и =16200 кДж/кг приняты по .

Принимая по (1.5)

находим по (1.2)

По находим: q3=1%, q4=0,2%, q5=0,26% и с учётом (1.7)

Для расчета расхода топлива по (1.6) находим

Расход подсушенного топлива по (1.1)

Расход сырого топлива при Wр =33% по (1.3) составляет

Паровая турбина. Это тепловой двигатель, в котором энергия пара превращается в механическую энергию вращения ротора (вала) и закреплённых на нём рабочих лопаток. Упрощенная схема устройства паровой турбины приведена на рис.1.5. На валу 1 турбины крепятся диски 2 с рабочими лопатками 3. На эти лопатки из сопла 4 подаётся пар из котла, подводимый по паропроводу 5. Энергия пара приводит во вращение рабочее колесо турбины, а вращение вала передаётся через муфту 6 валу 7 синхронного генератора. Отработавший пар через камеру 8 направляется в конденсатор.

Паровые турбины по конструкции разделяются на активные и реактивные. В активной турбине (рис.1.5в) объем пара V2 при входе на рабочие лопатки равен объёму пара V3 при выходе с лопаток. Расширение объёма пара от V1 до V2 происходит только в соплах. Там же изменяется давление от р1 до p2 и скорость пара от с1 до с2. В этом случае остаётся неизменным давление пара на входе р2 и выходе р3 с лопаток, а скорость пара падает от с2 до с3 за счет передачи кинетической энергии пара лопаткам турбины:

Gп?(с2-с3)2 / 2 Gт?ст2 / 2,

где Gп, Gт - масса пара и рабочего колеса турбины; с2, с3, ст - скорость пара на входе и выходе с лопаток и скорость перемещения рабочего колеса.

Конструкция лопаток реактивной турбины такова (рис.1.5г), что пар расширяется не только в соплах от V1 до V2, но и между лопатками рабочего колеса от V2 до V3. При этом изменяется давление пара от р2 до р3 и скорость пара от с2 до с3. Поскольку V2p3 и в соответствии с первым законом термодинамики элементарная работа расширения единицы пара

где F - площадь лопатки, м2; (р2 - р3) - разность давления на входе и выходе с лопаток, Па; dS - перемещение лопатки, м.

При этом - работа, используемая для вращения рабочего колеса турбины. Таким образом, в реактивных турбинах помимо центробежных сил, возникающих при изменении скорости движения пара, на лопатки действуют реактивные силы, вызванные расширением пара.

Современные турбины выполняются как активными, так и реактивными. В мощных агрегатах параметры пара на входе приближается к значениям 30 МПа и 6000С. При этом истечение пара из сопла происходит со скоростью, превышающей скорость звука. Это ведёт к необходимости большой частоты вращения ротора. Возникают огромные центробежные силы, действующие на вращающиеся части турбины.

Практически частота вращения ротора, обусловленная конструктивными особенностями, как самой турбины, так и синхронного генератора, составляет 3000 1/мин. При этом линейная скорость на окружности колеса турбины диаметром один метр составляет 157 м/с. В этих условиях частицы стремятся оторваться с поверхности колеса с силой в 2500 раз превышающей их вес. Инерционные нагрузки уменьшают применением ступеней скорости и давления. Каждой ступени отдаётся не вся энергия пара, а только часть ее. Это обеспечивает и оптимальный теплоперепад на ступени, который составляет 40...80 кДж/кг при окружной скорости 140...210 м/с. Общий теплоперепад, срабатываемый в современных турбинах, составляет 1400...1600 кДж/кг.

По конструктивным соображениям 5...12 ступеней группируются в одном корпусе, который называют цилиндром. Современная мощная турбина может иметь цилиндр высокого давления (ЦВД) с давлением пара на входе 15...30 МПа, цилиндр среднего давления (ЦСД) с давлением 8...10 МПа и цилиндр низкого давления (ЦНД) с давлением 3...4 МПа. Турбины мощностью до 50 МВт обычно выполняются в одном цилиндре.

Отработавший в турбине пар поступает в конденсатор для охлаждения и конденсации. В трубчатый теплообменник конденсатора подаётся охлаждающая вода с температурой 10...15°С, что способствует интенсивной конденсации пара. С этой же целью давление в конденсаторе поддерживается в пределах 3...4 кПа. Охлаждённый конденсат вновь подаётся в котёл (рис.1.5), а охлаждающая вода, нагревшаяся до 20...25°С, удаляется из конденсатора. Если вода для охлаждения забирается из водоёма и затем безвозвратно сбрасывается, система называется разомкнутой прямоточной. В замкнутых системах охлаждения вода, нагревшаяся в конденсаторе, подается насосами на градирни - конусообразные башни. С верхней части градирен с высоты 40…80 м вода струится вниз, охлаждаясь при этом до необходимой температуры. Затем вода снова поступает в конденсатор.

Обе системы охлаждения имеют свои достоинства и недостатки и находят применение на электростанциях.

Рис.1.5. Устройство паровой турбины:

а - рабочее колесо турбины; б - схема трехступенчатой активной турбины; в - работа пара в активной ступени турбины; г - работа пара в реактивной ступени турбины.

1 - вал турбины; 2 - диски; 3 - рабочие лопатки; 4 - сопла; 5 - паропровод; 6 - муфта; 7 - вал синхронного генератора; 8 - камера отработавшего пара.

Турбины, у которых весь поданный в них пар после совершения работы поступает в конденсатор, называются конденсационными и используются для получения только механической энергии с последующим преобразованием её в электрическую. Такой цикл называется конденсационным, используется на ГРЭС и КЭС. Пример конденсационной турбины - К300-240 мощностью 300 МВт с начальными параметрами пара 23,5 МПа и 600°С.

В теплофикационных турбинах часть пара отбирается до конденсатора и используется для подогрева воды, которая затем направляется в систему теплоснабжения жилых, административных, производственных зданий. Цикл называется теплофикационным и используются на ТЭЦ и ГРЭС. Например, турбина Т100-130/565 мощностью 100 МВт на начальные параметры пара 13 МПа и 5650С имеет несколько регулируемых отборов пара.

Промышленно-теплофикационные турбины имеют конденсатор и несколько регулируемых отборов пара для теплофикационных и промышленных нужд. Они используется на ТЭЦ и ГРЭС. Например, турбина П150-130/7 мощностью 50 МВт на начальные параметры пара 13 МПа и 5650С обеспечивает промышленный отбор пара при давлении 0,7 МПа.

Турбины с противодавлением работают без конденсатора, а весь отработавший пар поступает теплофикационным и промышленным потребителям. Цикл называется противодавленческим, а турбины используются на ТЭЦ и ГРЭС. Например, турбина Р50-130/5 мощностью 50 МВт на начальное давление пара 13 МПа и конечное давление (противодавление) 0,5 МПа с несколькими отборами пара.

Использование теплофикационного цикла позволяет достичь на ТЭЦ КПД до 70% с учетом отпуска тепла потребителям. При конденсационном цикле КПД составляет 25...40% в зависимости от начальных параметров пара и мощности агрегатов. Поэтому КЭС размещаются в местах добычи топлива, что снижает затрата на транспортировку, а ТЭЦ приближаются к потребителям тепла.

Синхронные генераторы. Конструкция и характеристики этой машины, преобразующей механическую энергию в электрическую, подробно рассматриваются в специальных дисциплинах. Поэтому ограничимся общими сведениями.

Основные элементы конструкции синхронного генератора (рис.1.6): ротор 1, обмотка 2 ротора, статор 3, обмотка 4 статора, корпус 5, возбудитель 6 - источник постоянного тока.

Неявнополюсной ротор быстроходных машин - турбогенераторов (n = 3000 1/мин) выполняется из листовой электротехнической стали в форме цилиндра, находящегося на валу 7. Тихоходные машины - гидрогенераторы (n ? 1500 1/мин) имеют явнополюсный ротор (показан пунктиром). В пазах на поверхности ротора располагается медная изолированная обмотка, подключённая с помощью скользящих контактов 8 (щёток) к возбудителю. Статор представляет собой полный цилиндр из электротехнической стали, на внутренней поверхности которого в пазах располагаются три фазные обмотки - А, В, С. Обмотки выполняется медным изолированным проводом, идентичны друг другу и имеют осевую симметрию, занимая секторы по 120°. Начала фазных обмоток А, В, С через изоляторы выводятся наружу, а концы обмоток Х, У, Z соединяются в общую точку N - нейтраль.

Работа генератора происходит следующим образом. Ток возбуждения iB в обмотке ротора создает магнитный поток Ф, пересекающий обмотки статора. Вал генератора приводится во вращение турбиной. Тем самым обеспечивается равномерное вращение магнитного поля ротора с угловой частотой?=2?f, где f - частота переменного тока, 1/с - Гц. Для получения частоты переменного тока 50 Гц при числе пар магнитных полюсов р необходима частота вращения ротора n=60?f /p.

При р = 1, что соответствует наявнополюсному ротору, n= 3000 1/мин. Вращающееся магнитное поле пересекая обмотки статора наводит в них электродвижущую силу (ЭДС). В соответствии с законом электромагнитной индукции мгновенное значение ЭДС

где w - число витков.

ЭДС в обмотках статора наводятся синхронно с изменением магнитного поля по мере вращения ротора.

Рис.1.6.

а - конструкция генератора; б - схема соединения обмоток;

в - ЭДС на выводах обмоток генератора

1 - ротор; 2 - обмотка ротора; 3 - статор; 4 - обмотка статора; 5 - корпус; 6 - возбудитель; 7 - вал (ось) ротора; 8 - контактные кольца

При равномерном вращении ротора и осевой симметрии обмоток статора мгновенные значения фазных ЭДС равны:

где ЕМ - амплитудное значение ЭДС.

Если к выводам обмоток статора генератора подключена электрическая нагрузка Z во внешней цепи протекает электрически ток

где - напряжение на выводах обмоток при протекании в них тока i и сопротивлении обмотки статора Zвн.

На практике удобнее использовать не мгновенные, а действующие значения электрических величин. Необходимые соотношения известны из курса физики и теоретических основ электротехники.

Работа генератора во многом зависит от режима возбуждения и охлаждения машины. Различные системы возбуждения (независимое и самовозбуждение, электромашинное и тиристорное и т.д.) позволяют изменять величину iB и, следовательно, магнитного потока Ф и ЭДС в обмотках статора. Это даёт возможность регулировать напряжение на выводах генератора в определённых пределах (обычно ±5%).

Величина активной мощности, отдаваемой турбогенератором в электрическую сеть, определяется мощностью на валу турбины и регулируется подачей в турбину пара.

В процессе работы генератора происходит его нагрев, прежде всего из-за выделения тепла в обмотках, обтекаемых током. Поэтому существенное значение имеет эффективность системы охлаждения.

Генераторы малой мощности (1...30 МВт) имеют воздушное охлаждение внутренних поверхностей по проточной (разомкнутой) или регенеративной (замкнутой) схеме. На генераторах средней мощности (25...100 МВт) применяют поверхностное водородное охлаждение по замкнутой схеме, что более эффективно, но требует применения специальных мер безопасности. Мощные генераторы (более 100 МВт) имеют форсированное водородное, водяное или масляное охлаждение, при котором охладитель прокачивается под давлением внутри статора, ротора, обмоток по специальным полостям (каналам).

Основные технические характеристики генераторов: номинальное напряжение на выводах обмотки статора генератора, Uном: 6,3-10,5-21 кВ (бoльшие значения соответствуют более мощным генераторам); номинальная активная мощность, Рном, МВт; номинальный коэффициент мощности; номинальный КПД, составляющий 90...99%.

Эти параметры связаны между собой:

Собственные нужды электростанций. Не вся электрическая и тепловая энергия, произведённая на ТЭС, отдаётся потребителям. Часть остаётся на станции и используется для обеспечения её работы. Основными потребителями этой энергии являются: система транспортировки и подготовки топлива; насосы подачи воды, воздуха; система очистки воды, воздуха, уходящих газов и др.; отопление, освещение, вентиляция бытовых и производственных помещений, а также целый ряд других потребителей.

Многие элементы собственных нужд относятся к первой категории по надёжности электроснабжения . Поэтому они подключаются, по крайней мере, к двум независимым источникам энергии, например, к источникам на своей станции и к энергосистеме.

Распределительное устройство. Электроэнергия, выработанная генераторами, собирается на распределительном устройстве (РУ), а затем распределяется между потребителями. Для этого выводы обмоток статоров генераторов через специальные коммутационные аппараты (выключатели, разъединители и др.) жесткими или гибкими проводниками (шинами) присоединяются к сборным шинам РУ. Каждое присоединение в РУ осуществляется посредством специальной ячейки, содержащей необходимый комплект аппаратуры. Поскольку передача, распределение и генерация электроэнергии, а также ее потребление происходят при разном напряжении, на станции есть несколько РУ. На номинальное напряжение генераторов, например, 10,5 кВ, выполняется РУ генераторного напряжения. Обычно оно находится в здании станции и по конструкции является закрытым (ЗРУ). К этому РУ подключаются близко расположенные потребители. Для передачи электроэнергии по линиям электропередачи (ЛЭП) на большие расстояния и связи с другими станциями и системой необходимо использовать напряжение 35...330 кВ. Такая связь осуществляется с помощью отдельных РУ, обычно открытого исполнения (ОРУ), где устанавливаются повышающие трансформаторы. Для подключения потребителей собственных нужд служит - РУСН. С шин РУСН электроэнергия непосредственно и через понижающие трансформаторы передаётся потребителям на электростанции.

Схожие принципы используются и при распределении тепловой энергии, вырабатываемой на ТЭЦ. Специальные коллекторы, паропроводы, насосы обеспечивают подачу тепла промышленным и коммунальным потребителям, а также в систему собственных нужд.

Когенерация.

Когенераторная станция представляет собой использование первичного источника энергии - газа, для получения двух форм энергии - тепловой и электрической. Главное преимущество когенераторной электростанции перед обычными электростанциями состоит в том, что преобразование энергии здесь происходит с большей эффективностью. Иными словами, когенераторная (когенерационная) установка позволяет использовать то тепло, которое обычно теряется. Значительно снижается потребность в топливе. Использование когенерационной установки сокращает расходы на энергообеспечение ~ 100$/кВт. Когенераторная установка - это энергетическая независимость и снижение затрат на тепло.

Когенерационная установка состоит из газового двигателя, генератора, системы отбора тепла и системы управления. Тепло отбирается из системы выхлопа, масляного радиатора и системы охлаждения двигателя. На 100 кВт электрической мощности потребитель получает ~120 кВт тепловой мощности в виде пара и горячей воды для отопления и водоснабжения. Когенераторные электростанции успешно покрывают потребность в недорогой электрической и тепловой энергии

* Используя пар и горячую воду возможно получение охлажденной воды с помощью установок абсорбционного типа (тригенирация).

Применение когенераторных электростанций в городах позволяет эффективно дополнять рынок энергоснабжения, без реконструкции сетей. При этом значительно увеличивается качество электрической и тепловой энергий. Автономная работа установки позволяет обеспечить потребителей электроэнергией со стабильными параметрами по частоте и по напряжению, тепловой энергией со стабильными параметрами по температуре. Потенциальными объектами для применения когенерационных установок в России выступают промышленные производства, нефтеперерабатывающие заводы, больницы, объекты жилищной сферы, газоперекачивающие станции, компрессорные станции, котельные и т.д. В результате внедрения когенераторных электростанций возможно решение проблемы обеспечения потребителей теплом и электроэнергией без дополнительного строительства мощных линий электропередачи и теплотрасс. Приближенность источников к потребителям позволит значительно снизить потери передачи энергии и улучшить ее качество, а значит, и повысить коэффициент использования энергии природного газа.

Когенерационная установка является эффективной альтернативой тепловым сетям, благодаря гибкому изменению параметров теплоносителя в зависимости от требований потребителя в любое время года. Она не подвержена зависимости от экономического состояния дел в крупных теплоэнергетических компаниях. Когенераторная установка вырабатывает электроэнергию и тепловую энергию в соотношение ~1:1,2. Доход (или экономия) от реализации электричества и тепловой энергии покрывает все расходы на когенераторную электростанцию; окупаемость капитальных вложений на когенераторную установку происходит быстрее окупаемости средств, затраченных на подключение к тепловым сетям, обеспечивая тем самым быстрый и устойчивый возврат инвестиций. Когенераторная установка хорошо вписываются в электрическую схему отдельных потребителей и в электрические сети города при параллельной работе с сетью. Когенераторные электростанции покрывают недостаток генерирующих мощностей в городах. Появление установок позволяет разгрузить электрические сети, обеспечить стабильное качество электроэнергии и делает возможным подключение новых потребителей.

Существенная разница между капитальными затратами на энергоснабжение от сетей и энергоснабжение от собственного источника заключается в том, что капитальные затраты, связанные с приобретением когенераторной установки, возмещаются, а капитальные затраты на подключение к сетям безвозвратно теряются при передаче вновь построенных подстанций на баланс энергетических компаний. Капитальные затраты при применении когенераторной установки компенсируются за счет низкой себестоимости энергии в целом. Обычно полное возмещение капитальных и эксплуатационных затрат происходит после эксплуатации когенераторной электростанции в течение трех-четырех лет. Более того, энергоснабжение от когенераторной установки позволяет снизить ежегодные расходы на электро- и теплоснабжение по сравнению с энергоснабжением от энергосистем примерно на 100$ за каждый кВт номинальной электрической мощности когенераторной электростанции, в том случае, когда когенераторная установка работает в базовом режиме генерации энергии (при 100% нагрузке круглогодично). Такое возможно, когда когенераторная установка питает нагрузку в непрерывном цикле работы, или если она работает параллельно с сетью. Последнее решение является выгодным также для электро- и тепловых сетей.

Сфера применения когенераторов весьма широка.
Когенераторные станции могут вырабатывать энергию для нужд всех отраслей хозяйственной деятельности, в том числе:

На промышленных предприятиях
. в сельском хозяйстве
. в сфере обслуживания
. в гостиницах
. торговых и административных центрах
. в жилых массивах
. частных домах
. больницах, курортных и лечебных заведениях
. бассейнах, спортивных центрах

Источники тепла и электрической энергии - когенераторы.

Источники тепла — для систем отопления, для поддержания устойчивой температуры, для использования в технологических процессах промышленных предприятий.
Источники электроэнергии — для совместной работы с электросетью, как автономный источник электроснабжения, как резервный источник электроснабжения в случае пропадания напряжения в сети.

В настоящее время в мировой энергетике прослеживается стойкая тенденция к увеличению производства и потребления энергии. Даже с учетом значительных структурных изменений в промышленности и перехода на энергосберегающие технологии, потребности в тепло- и электроэнергии в ближайшие десятилетия будут увеличиваться. Поэтому особо широкое применение когенераторов в мире говорит о новой тенденции к развитию локальной энергетики, как наиболее экономически эффективной и экологичной отрасли топливно-энергетического комплекса.
В России необходимость в применении когенераторов для тепло- и энергоснабжения очевидна, поскольку качество центрального снабжения оставляет желать лучшего, да и монопольный характер российских энергоносителей вынуждает покупать электричество и тепло по дорогим тарифам. Таким образом, внедрение когенераторов позволяет существенно снизить затраты на потребляемую энергию, что дает существенный экономический эффект для конечного потребителя, а также решить проблему пиковых нагрузок, недостатков централизованных систем и тем самым обеспечить качественным, бесперебойным энергоснабжением

Недостатком когенераторов является только ограниченная мощность до 3 МВт для одной машины. Средний промышленный потребитель в России имеет установленную мощность в 1-2 МВт. При необходимости могут быть установлены несколько параллельно работающих когенераторов. Когенераторы легко перевозить и устанавливать. Они позволяют решить острый вопрос неравномерного суточного потребления электроэнергии, неразрешимый для крупных генерирующих установок. Действительно, для когенератора, линейная зависимость потребления топлива имеет место, начиная с 15-20% номинальной мощности. Секционируя (пакетируя) общую мощность на 4-8 блоков, работающих параллельно, появляется возможность работы с 1.5-4% до 100% номинальной нагрузки при расчетном удельном потреблении топлива. При отсутствии нагрузки невостребованные когенераторы останавливаются, на этом в значительной степени экономится моторесурс первичных двигателей

Секционирование (пакетирование) когенераторов стало возможным лишь в последнее время, когда появились надежные, высокоточные системы управления, основанные на достижениях микропроцессорной техники и компьютерных технологий. С помощью пакетирования (секционирования) стало возможным построение больших когенераторных установок, экономическая эффективность которых не хуже единичного блока, работающего при номинальной нагрузке. Особенно важным применением таких когенераторов является электроснабжение жилых массивов, в которых отсутствуют промышленные потребители и отношение максимальной и минимальной нагрузки в течение суток достигает десятков раз, так как российские условия делают невозможным продажу вырабатываемой в ночное время электроэнергии сетям как, например в Европе. Важным экономическим фактором распространения секционированных когенераторных систем является то, что удельная стоимость (в расчете на 1 кВт мощности) малых установок ниже, чем удельная стоимость единичных когенераторов большей мощности. Положительной особенностью секционированных когенераторных систем является их более высокая надежность. Действительно при выходе из строя, плановом ремонте или техническом обслуживании общая мощность системы составляет (n-1)/n% номинальной мощности, где n-число блоков в системе. Для российского промышленного и гражданского потребителя предлагаются когенераторы мощностью от 0.02 до 3 МВт, секционированные блоками с общим компьютерным управлением.

Важным фактором в пользу выбора когенератора является его экологическая безопасность. Подобные установки имеют низкий уровень выбросов в атмосферу токсичных веществ и удовлетворяют самым жестким международным и российским стандартам. Предприятия, имеющие собственную когенераторную установку, смогут обеспечить собственные потребности в электроэнергии. При этом не только снизится себестоимость основной продукции предприятий, но и значительно возрастет его энергетическая безопасность, поскольку потери в подаче электроэнергии от центральных энергетических компаний не будут влиять на ход технологического процесса.

В последние годы в мире пришли к пониманию необходимости серьезного отношения к вопросам, касающимся охраны окружающей среды. Факт подписания Киотского протокола свидетельствует о наличии воли со стороны различных стран мира ответить вызову связанному с изменением климата и намерению сократить выбросы газов, вызывающих парниковый эффект. Именно в рамках данного контекста Европейской комиссией были обозначены три приоритетных направления по реализации своей энергетической политики, а именно:

Рациональное использование энергии;

Эффективность использования энергии;

Стимулирование разработок в области возобновляемых источников энергии.

Европе необходимо также найти решение по снижению своей энергетической зависимости. В настоящее время, фактически 50% ее потребностей покрываются благодаря импорту энергии. Если нынешняя тенденция сохранится, этот показатель может достигнуть 70%.

Если же верить прогнозам, то запасы нефти на планете будут исчерпаны менее чем через полвека, что дает основание предположить о резком росте цен в ближайшие годы.

Для того чтобы суметь противостоять этим новым угрозам, Европейская комиссия приняла решение по усилению своей стратегии в области диверсификации способов производства энергии и стимулирования процесса создания новых установок производства энергии, таких как установки когенерации. Цель заключалась в том, чтобы увеличить вдвое долю когенерации в общем объеме производимой Европейским союзом электроэнергии или, другими словами, с 9% в 1994 году достичь 18 % в 2010.

В европейских странах пришли к осознанию двойной выгоды от когенерации. С экономической точки зрения - это надежность энергоснабжения, рациональное использование энергии, экономия первичной энергии. С точки зрения охраны окружающей среды - это сокращение выбросов углекислого газа, выполнение обязательств в рамках Киотского протокола по изменению климата.

В 1998 году в странах Евросоюза 12% электроэнергии было получено методом когенерации. В Дании, Финляндии и Нидерландах показатель распространения когенерации на рынке является наивысшим, составляя 50% от общего объема производства электроэнергии. И, напротив, во Франции, Греции или Ирландии когенерация играет лишь второстепенную роль, составляя около 2% от общего объема производства.

С целью содействия развитию когенерации - технологии, позволяющей экономить первичную энергию и сократить выбросы углекислого газа, Еврокомиссией в 2004 году была опубликовано распоряжение, направленное на стимулирование когенерации.

В национальных масштабах, внедрение положений соглашения 97-01 и 99-02 активизировало работы по разработке установок средней и высокой мощности (> 1 MВт). Помимо этого, Закон от 10 февраля 2000 года, относящийся к модернизации и развитию коммунальных электроэнергетических служб в частях, касающихся установок когенерации малой мощности (менее 215 кВт), в свою очередь, предоставляет возможность выкупа (производимой электрической энергии - Прим. автора ) со стороны Государственного энергетического управления Франции, а также негосударственных электросетей.

ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ

Технология когенерации, если и зовется революционной, все же не может считаться изобретением последнего времени, т.к. появилась в 1824 году. Она является результатом значительных достижений в области термодинамики и электротехники, полученных в ту эпоху.

Метод когенерации, как никогда актуален. Сегодня он представляет собой техническое решение, адаптированное с точки зрения, как экономики, так и экологии к энергетическим потребностям административно-территориальных образований и промышленных предприятий.

Когенерация - это одновременное производство тепла и механической энергии, как правило, преобразуемой в электрическую энергию от одного и того же источника энергии.

Рассмотрим пример когенерационной установки, использующей двигатель внутреннего сгорания (технология, наиболее широко распространенная в установках малой когенерации (так называемых установках ГПА - Прим. автора ) ). Речь идет о двигателе классического типа, берущем свое начало от автомобильных двигателей, который используется при когенерации малой мощности и работает на дизельном топливе или природном газе. Он приводит в действие генератор переменного тока, который преобразует механическую энергию в электрическую. Тепло, содержащееся в выхлопных газах, охлаждающей воде и смазочном масле, может быть отобрано для дальнейшего использования в отопительных системах или системах горячего водоснабжения.

При производстве электроэнергии в результате наличия двух отдельных классических процессов от 45 до 65% первичной энергии теряется в виде тепла, выделяемого в атмосферу (например, в градирнях). Технология когенерации, служащая для рекуперации этого тепла через теплообменники, способствует повышению энергоэффективности установки.

Тем самым она позволяет максимально использовать энергопотенциал топлива и довести общую производительность (электричество + тепло) до 80-90% вместо 35-40% при установке производства электроэнергии классического типа и 55% при цикле в комбинации с газом.

Сравнение между установками когенерации и раздельными процессами производства тепла и электричества при равных произведенных количествах тепла и электроэнергии:

u.e. : единица энергии, например, кВт x час

Данный пример позволяет сравнить установку когенерации общей производительностью 85 % со станцией раздельного производства тепловой и электрической энергии, использующей комбинированный газовый цикл производительностью 55 % (наиболее производительный в настоящее время способ производства) и газовый котел производительностью 90 %. При этом экономия первичной энергии составляет 17 %.

Производительность большинства работающих сейчас электростанций составляет 35 %. Если сравнить эту же когенерационную установку с современной электростанцией средней мощности (производительностью 35 %) и газовым котлом производительностью 90%, то экономия первичной энергии составит уже 35 %.

ВИДЫ ПРИМЕНЯЕМОГО ТОПЛИВА

В зависимости от локальных условий снабжения могут использоваться любые виды топлива. Однака, большинство когенерационных установок работает на природном газе.

Помимо этого, когенерация позволяет использовать также и возобновляемые источники, такие как биогаз.

ДЛЯ ЧЕГО НУЖНА КОГЕНЕРАЦИЯ?

Понятие когенерации характеризуется тремя словами: энергия, экономия, экология.

Энергетический и экономический эффект

Когенерация позволяет максимально использовать энергетический потенциал топлива. Другими словами, производство равного количества электрической и тепловой энергии требует меньше топлива. Расчетная экономия первичной энергии или топлива по сравнению с традиционными системами раздельного производства составляет от 10 до 35 %.

С экономической точки зрения, такая энергетическая эффективность означает существенное сокращение издержек по счетам за полученную энергию (уменьшение количества энергии купленной у энергосетей, оптимизация стоимости производства тепловой энергии) и \ или существенную экономию за счет перепродажи энергосетям произведенной энергии.

Фактически, когенерационные установки предоставляют возможность возникновения обязательств по выкупу производимой ими электроэнергии со стороны Государственного энергетического управления Франции или негосударственного поставщика.

Эффект в области охраны окружающей среды

Одна из форм получения энергии, совместимая с долгосрочным развитием и оптимальным управлением природными ресурсами.

Благодаря своей энергетической эффективности, когенерация позволяет заметно снизить выбросы загрязняющих веществ и парниковых газов. Данный положительный эффект возрастает в случае использования таких видов топлива не ископаемого происхождения, как биогаз.

Вместе с тем, определение воздействия когенерация на окружающую среду представляет собой сложную задачу.

В самом деле, предварительно требуется определить взамен каких средств централизованного производства тепла и электроэнергии служит когенерационная установка.

По результатам работ проведенных Клубом когенерации в сотрудничестве ГДФ ЭксперГаз можно подсчитать, что применение малой когенерации, в зависимости от того какие средства производства электроэнергии и тепла замещаются, позволяет снизить выбросы CO2 с 15 до 29 %*.

Влияние на сети электроснабжения

Когенерационные установки - это децентрализованные производственные агрегаты. Они располагаются в непосредственной близости от местонахождения потребителей электроэнергии (городских центров, промышленных зон, больниц и т.д.), что позволяет:

Избежать большей части потерь на сопротивление, связанных с передачей электроэнергии;

Сократить необходимость увеличения издержек на сети;

Снизить перегрузки в определенных зонах.

Взаимодополняемость централизованных и децентрализованных средств производства электроэнергии, диверсификация энергетического парка

Стихийные бедствия 1999 года выявили, какой хрупкой была французская система, основу которой составляло централизованное, на базе крупных электростанций, производство энергии, которая затем распределялась по передающим и распределительным сетям.

Когенерация представляет собой одно из возможных решений по диверсификации энергетического производственного парка и развитию производства электроэнергии на местном уровне.

Непрерывное и качественное электроснабжение

Промышленные предприятия, размещенные в зонах по типу SEVESO , особо зависимы от бесперебойных поставок электроэнергии. Перебои в работе электросети, которой управляют RTE** и GRD*** случаются редко, но все-таки бывают! Промышленное предприятие, которому необходима абсолютная защита от любых перебоев в подаче электроэнергии, видит в когенерации надежный способ обеспечения своего объекта электроэнергией (ASI = Бесперебойная подача электроэнергии).

Социальные преимущества

Когенерационная установка не заменяет котел полностью, а лишь с пользой дополняет его. Эти дополнительные капиталовложения автоматически означают создание новых рабочих мест, как в части детального технического проектирования, так и в части монтажных работ и технического обслуживания когенерационной установки.

* Данные расчеты производились на примере установки малой когенерации производительностью по электроэнергии 30 % и производительностью по теплу 50 %. Если котел, работающий на природном газе (производительностью 85 %), заменить на когенерационную установку и принять за основу гипотетический средний уровень содержания СО2 в кВт электроэнергии по европейскому парку (по оценкам, составляющее 400 г СО2 на кВт), то выбросы СО2 сократятся на 119 г/кВт, т.е. на 15 %. Если теперь такой же когенерационной установкой заменить котел, работающий на дизтопливе (производительностью 85 %) и комбинированный цикл на газе для производства электроэнергии (расчетное содержание СО2 составляет около 430 г СО2 на кВт), то выбросы СО2 сократятся на 276 г/кВт, т.е. 29 %.

** Компания, управляющая сетями электропередачи (имеется в виду очень высокое напряжение свыше 63 КВ)

*** Компания, управляющая распределительными сетями (уполномоченный представитель Государственного энергетического управления Франции, исполняющий роль распределения электроэнергии внутри коммун и местных административно-территориальных образований при напряжении менее 63 КВ)

ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ

Область применения когенерации:

Когенерация находит применение, как в промышленном секторе, так и в коммунальном хозяйстве, а также сфере обслуживания. Как в промышленном секторе, так и в коммунальном хозяйстве тепло может подаваться в виде пара и в виде горячей воды (например, отопление от городской теплосети*, производство холода при помощи абсорбционных холодильных систем), а также в виде горячего воздуха (например, технологические процессы сушки).

В то же время, необходимо, чтобы когенерационные установки находились вблизи объектов, потребляющих тепло. Это связано с трудностями его передачи, которая может осуществляться лишь с помощью высокотемпературной жидкотекучей среды.

Получаемые электроэнергия и тепло могут быть использованы на самом объекте или выставлены на продажу.

Область применения когенерации очень широка, и в числе прочих можно привести такие примеры, как:

Промышленность: большая потребность в горячей воде и горячем воздухе, большое и интенсивное потребление электроэнергии (агрегаты сушки в агропромышленном комплексе, бумажной промышленности, химии и т.д.);

Сфера обслуживания: (банки, офисные здания, торговые центры и т.д.);

Места общего пользования (больницы, дома для престарелых, общежития, аэропорты и т.д.);

Объекты общей собственности (бассейны, теплосети, здания местных административно-территориальных органов и т.д.)

* Тепло, производимое когенерационной установкой может передаваться по теплосети. Это позволяет обеспечить потребность в тепле большого количества зданий и целых кварталов путем замены традиционных котлов на теплообменники для каждого обслуживаемого клиента в отдельности.

ОГРАНИЧЕНИЯ ПО ПРИМЕНЕНИЮ КОГЕНЕРАЦИИ

Потребляющие объекты должны находиться поблизости от когенерационной установки. Особенно это касается тепла в связи с трудностями его передачи.

Другим ограничением при использовании когенерации, является необходимость соблюдения соответствия между производством и спросом на тепло. Согласно нормативным актам критерием когенерационной установки, как в плане производства, так и в плане эффективного использования полученного тепла является энергетическая эффективность. Теплопроизводительность установки должна быть обязательно адаптирована по времени и количеству потребностей объекта с тем, чтобы тепло использовалось максимально эффективно. Поэтому, при разработке ТЭО, следует точно рассчитать мощности.

СПОСОБЫ КОГЕНЕРАЦИИ

Наиболее распространены следующие три метода: паровые турбины, газовые турбины, двигатели сгорания. Если говорить конкретно, то в сфере малой когенерации (< 215 kW), наиболее распространены двигатели внутреннего сгорания, так называемые двигатели «de Stirling» и микро-турбины.

К этим проверенным методам можно добавить топливный элемент (использование тепла, выделяемого в результате реакции водорода с кислородом). Этот метод прошел первичную промышленную проверку, но пока существует лишь в виде пилотных установок и не должен появиться на рынке в ближайшие годы.

Тип технологии должен отбираться в зависимости от характера и потребностей оснащаемого объекта.

Например, турбины, как правило, обеспечивают высокий уровень давления и тепла, необходимое для производства пара, в то время, как газовый двигатель лучше приспособлен к производству горячей воды температурой менее 100°C и давлением ниже 5 бар.

СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ

Когенерация (комбинированное производство электроэнергии и тепла) дает 12 % от производимой в Европе электроэнергии. В последние годы рост установленной мощности составил примерно 7 % по сравнению примерно с 3% при других способах производства электроэнергии. Этот успех объясняется преимуществами данного метода: высокая энергетическая производительность, удовлетворительные экологические составляющие, гибкость в использовании и т.д.

Во Франции на долю когенерации приходится лишь от 4 до 5 % производимой электроэнергии (заметный рост по сравнению с 1999 годом, когда ее доля составляла 3 %) при установленной мощности около 4 750 МВ.

ТЯЖЕЛЫЕ ВРЕМЕНА

Сложившаяся сейчас конъюнктура не благоприятна для развития когенерации. Открытие европейского рынка электроэнергии привело к снижению цены продаж электроэнергии. Такая ситуация, сопряженная с высокими ценами на природный газ (основное топливо при когенерации) и неопределенностью, витавшей в отношении тарифов на газ в связи с открытием газового рынка, поставила под сомнение жизнеспособность некоторых проектов. Помимо отдельных трудностей, связанных с эксплуатацией, на рентабельность проектов могут оказывать негативное воздействие высокие цены на подключение к распределительным сетям. Производители вынуждены также предпринимать многочисленные административные действия перед тем, как получить разрешение на подключение и приобрести возможность перепродажи.

МАЛАЯ КОГЕНЕРАЦИЯ. МОДУЛЬНЫЙ ПРИНЦИП.

К малой когенерации относятся установки, электрическая мощность которых составляет менее 2,5 МВт.

В целях упрощения и снижения стоимости, проектировщики нашли «комплектный» подход к решению проблемы, объединив в один и тот же модуль все элементы установки малой когенерации.

В сущности, такой модуль представляет собой компактный моноблочный агрегат, звукоизолированный корпус которого объединяет шесть основных элементов:

Производства механической энергии (двигатель);

Производства электрической энергии (генератор переменного тока);

Производства тепловой энергии (система рекуперации);

Удаления продуктов сгорания;

Распределительный щит, укомплектованный автоматикой, органами управления работой агрегата, и органами защиты и подключения к сети низкого напряжения;

Звукоизоляции.

Принципиальная схема подключения когенерационного модуля.