Когенерационная газовая установка: принцип работы и преимущества

Вы когда-нибудь задумывались, сколько тепла уходит в воздух при обычной выработке электроэнергии? А если бы это тепло можно было не терять, а использовать с толком - для обогрева дома, офиса или цеха? Именно на этом принципе работают когенерационные установки. В условиях растущих цен на топливо и желания повысить энергоэффективность, когенерация дает реальные результаты.

Когенерация - это производство электрической и тепловой энергии в рамках одной установки. Когда вырабатывается электричество, двигатель или турбина неизбежно нагреваются. Тепловая энергия обычно уходит в атмосферу.

Что такое когенерационная установка?

Когенерационная установка - оборудование, которое вырабатывает электрическую и тепловую энергию за счет сжигания топлива. Она может работать на газе, биомассе, дизеле или других видах топлива, но чаще всего используется природный газ. Когда двигатель работает, он крутит генератор, вырабатывая электрическую энергию. В процессе работы мотор сильно греется, и вот тут вступает в дело тепловой контур.

Принцип работы газопоршневой когенерационной установки

В основе ГПУ лежит двигатель внутреннего сгорания, работающий на горючем топливе. Чаще всего применяют природный газ, большая часть которого состоит из метана. В двигателе химическая энергия горючего преобразуется в тепловую энергию и механическую работу, вращающую вал генератора, который вырабатывает электроэнергию.

• Тепло уходящих газов из двигателя попадает в теплообменник для утилизации вторичного тепла продуктов горения.
• Количество произведенной теплоты напрямую зависит от выработанной электроэнергии.
• При работе газопоршневой электростанции нельзя регулировать объем производимого тепла.
• Выбирать когенерационную установку нужно исходя из потребности в электрической энергии.

Типичная когенерационная установка состоит из двигателя, генератора, систем управления, охлаждения, маслоснабжения, топливоснабжения, утилизации тепла и отвода отработанных газов. Подобные установки производятся как в контейнерном, так и рамном исполнении. Особенностью работы является возможность обеспечения электроэнергией в границах 50-100% от мощности установки. При нагрузке менее 50% эксплуатация установки, как с технической, так и с экономической точки зрения не целесообразна. Оптимальным считается использования установки с нагрузкой близкой к максимальной 24 часа в сутки и 7 дней в неделю.

Отвод выделяющейся от двигателя тепловой энергии осуществляется через систему утилизации тепла, состоящую из теплообменников охлаждающей жидкости и отработавших газов (водо-водяной теплообменник, газо-водотрубный котел-утилизатор выхлопных газов). Циркулирующая по замкнутому контуру охлаждающая жидкость выходит из системы охлаждения газопоршневого двигателя, где происходит отбор тепла от внутреннего контура двигателя (включая тепловую энергию охлаждения масла, охлаждения воды рубашки двигателя, охлаждения топливной смеси). Затем она поступает в водо-водяной теплообменник, где подогревает сетевую воду (первая ступень подогрева сетевой воды). Далее сетевая вода поступает в газо-водотрубный котел-утилизатор выхлопных газов, где осуществляется ее подогрев до температуры (90-115) °С за счет охлаждения выхлопных газов двигателя, температура которых достигает (450-500) °С (вторая ступень подогрева сетевой воды).

Преимущества когенерационных установок:

• Высокий КПД.
• Экономия на топливе.
• Низкие теплопотери.
• Независимость от централизованных сетей.
• Экологичность.
• Модульное исполнение.

Сферы применения когенерационных установок

Когенерационные тепловые установки находят применение во многих сферах - от частных домов до крупных промышленных предприятий. Ниже рассмотрим их.

Жилые комплексы и поселки

В жилых комплексах, микрорайонах и поселках все чаще устанавливают модульные когенерационные блоки. Они снабжают жильцов электричеством и обогревают дома без зависимости от центральной котельной.

Промышленные предприятия

Заводы, цеха и логистические центры - большие потребители тепловой энергии. Им нужно не только электричество для оборудования, но и тепло для сушки, мойки, технологических процессов.

Сельское хозяйство

Теплицы, птицефабрики, фермы - все это требует круглогодичного обогрева и подачи электрической энергии. Например, в теплицах еще и углекислый газ из отработанных газов можно направить на ускорение роста растений. Здесь особенно важна надежность: даже при отключении внешнего питания установка продолжает работать, обеспечивая свет и тепло.

Коммерческие объекты

Эти объекты тратят много энергии на освещение, вентиляцию, горячую воду и обогрев. А еще они часто работают круглосуточно. Когенерационные системы позволяют снизить счета и стать более независимыми от городских сетей.

Преимущества когенерационных установок для бизнеса

Сравнение когенерационной установки с обычной котельной

Чтобы оценить преимущества когенерационной установки, важно сравнить ее с самым привычным вариантом - обычной тепловой котельной.

Классическая газовая котельная дает только тепловую энергию. Ее КПД (коэффициент полезного действия) в среднем составляет 85-92%, что на первый взгляд много. Однако такой объект не дает электричества, а значит, для питания оборудования, освещения или обогрева нужно еще и подключение к внешней электросети.

Теперь сравним это с когенерационной установкой, например, газопоршневой, мощностью 200 кВт (типичный вариант для ЖКХ или предприятия). Такая модель вырабатывает 200 кВт электрической мощности и дополнительно 230-250 кВт тепловой. Общий КПД достигает 90%, топливо используется почти без потерь.

Предположим, есть объект с потреблением 100 кВт электрической энергии и 120 кВт тепловой. В случае с традиционным решением оплата электричества из сети - это 550 руб./ч. (100 кВт умножаем на гипотетический тариф в 5,5 руб. за кВт*ч энергии). Стоимость газа для котельной составит 91 руб./ч. (при расходе газа около 13 куб./ч.).

Теперь возьмем когенерационную установку с расходом газа в 25 куб./ч. Итоговые затраты составят 175 руб./ч., причем и за тепло, и за электричество. Экономия на фоне классической газовой котельной составит 466 руб./ч. Или 11000 руб. в сутки при условии круглосуточной работы.

Парогазовая когенерационная установка

Парогазовая установка (установка комбинированного цикла) состоит из одной или нескольких газовых турбин, соединенных с одной или несколькими паровыми турбинами (рис.). Во многих случаях такие установки используются для комбинированного производства тепловой и электрической энергии. Тепло выхлопных газов газовой турбины утилизируется и используется для производства пара, приводящего в действие паровые турбины.

Как правило, тепло, полученное в результате утилизации, используется для производства дополнительной электроэнергии, а не для отопления или нагрева. Преимуществами подобных систем являются высокое отношение электрической к тепловой энергии, а также высокий КПД.

Рисунок. Парогазовая когенерационная установка.

Факторы, определяющие целесообразность использования когенерации

Принципиальное решение об использовании когенерации и выбор конкретного метода определяются рядом факторов; даже предприятия с аналогичными потребностями в энергии не могут считаться абсолютно одинаковыми в этом отношении. Во многих случаях принципиальное решение о внедрении когенерации определяется следующими факторами:

• Принципиальным является наличие достаточных потребностей в тепле, отвечающих возможностям когенерации с точки зрения количества, температуры и т.п.
• Наличие у предприятия базисной нагрузки, т.е. уровня, ниже которого потребление электроэнергии опускается редко.
• Сходный характер графиков потребностей в тепловой и электрической энергии.
• Соотношение цен на топливо и тарифов на электроэнергию, обеспечивающее экономическую эффективность когенерации.
• Высокий ожидаемый уровень загрузки (желательно более 4-5 тыс. час. работы при полной нагрузке в год).

В целом, применение когенерации оправдано на тех предприятиях, где имеются значительные потребности в тепле при температурах, соответствующих низкому или среднему давлению пара. При оценке потенциала производства с точки зрения когенерации важно убедиться в том, что нет оснований ожидать существенного сокращения потребностей в тепле. В противном случае эксплуатация системы, рассчитанной на производство избыточного тепла, окажется неэффективной.

Когда стоит использовать паровые турбины?

Паровые турбины могут быть адекватным вариантом при выполнении следующих условий:

• Базисная электрическая нагрузка превышает 3-5 МВтэ.
• Существует применение для низкопотенциального пара, и требуемое соотношение электрической и тепловой энергии превышает 1:4.
• Доступность недорогого топлива с невысокой торговой наценкой.
• Доступность адекватной площади для размещения системы.
• Наличие высокопотенциального тепла, отходящего от технологических процессов (например, от печей или мусоросжигательных установок).
• Необходимость замены существующей котельной.
• Необходимо сведение к минимуму соотношения электрической и тепловой энергии к минимуму. В когенерационных системах максимизация соотношения электрической и тепловой энергии требует минимизации уровня противодавления и максимизации уровня высокого давления.

Когда целесообразно использовать газовые турбины?

Использование газовых турбин может быть целесообразно при выполнении следующих условий:

• Предполагается довести до максимума отношение производимой электрической энергии к тепловой.
• Потребность в электроэнергии является постоянной и превышает 3 МВтэ (на момент подготовки данного документа газовые турбины меньшей мощности лишь начинают выходить на рынок).
• Доступность природного газа (однако его отсутствие не является лимитирующим фактором).
• Существует значительная потребность в паре среднего/высокого давления или в горячей воде, в частности, с температурой, превышающей 500°C.
• Наличие применения для горячих дымовых газов с температурой 450°C или выше - газы могут разбавляться холодным атмосферным воздухом или пропускаться через газо­воздушный теплообменник.