4.2.1. Когенерационные установки в системе теплофикации

Под термином «когенерационные установки» сегодня подразумеваются установки комбинированной выработки тепловой и электрической энергии, базирующиеся на тепловых (поршневых и газотурбинных) двигателях небольшой (0,5–2 МВт) и средней (до 30–40 МВт) электрической мощности. Так же, как и в обычной паротурбинной ТЭЦ, в когенерационной установке полезно используется сбросная теплота теплового двигателя при помощи котла-утилизатора. Он служит либо сетевым подогревателем воды в системе отопления и горячего водоснабжения, либо генератором технологического пара в производстве или энергетического пара для паровой турбины, образуя ту же ПГУ. В некоторых технологических схемах сбросная теплота уходящих газов двигателя может использоваться непосредственно в технологическом процессе, например для сушки какого-либо сырья. Такая схема также относится к когенерационным. Когенерационные установки, производящие теплоту и электроэнергию, называют также мини-ТЭЦ (МТЭЦ).

По своей сути МТЭЦ полностью аналогичны паротурбинным ТЭЦ: они включают системы производства тепловой и электрической энергии, тепловые и электрические магистрали для доставки энергии потребителям, распределительные сети и системы, системы контроля и управления. Отличаются указанные ТЭЦ лишь масштабами и видом энергии, которая является базовой: если для паротурбинной ТЭЦ базовой является в большинстве случаев электрическая энергия, а выработка тепловой является средством повышения эффективности выработки базового продукта, то в МТЭЦ базовой является, как правило, тепловая энергия. По существующей тепловой нагрузке определяется электрическая мощность когенерационной установки, обеспечивающая максимальный коэффициент полезного использования топлива в течение всего года.

Уже по своему определению МТЭЦ являются альтернативой крупным централизованным паротурбинным ТЭЦ. В этом плане применение МТЭЦ служит средством децентрализации (разукрупнения) теплофикационных систем, создания умеренно-централизованных систем теплоснабжения, обеспечивающих теплотой и электроэнергией, а в случае необходимости и холодом отдельные административные и общественные здания, предприятия, жилые комплексы, учебные учреждения и т.п. объекты. Такой путь развития энергетики имеет следующие достоинства:

• снижение потерь при транспорте теплоты и электроэнергии за счет уменьшения расстояний между производителями и потребителями энергии, а также за счет применения современных средств защиты и технологий;
• возможность оперативного регулирования тепловой и электрической мощности установки в зависимости от нагрузки, времени суток, сезона, погодных условий;
• возможность использования современного высокоэффективного энергетического оборудования;
• использование систем глубокой утилизации (утилизации скрытой теплоты парообразования при сжигании углеводородного топлива);
• возможность использования в КОУ местных нетрадиционных видов энергии и энергосберегающих технологий;
• уменьшение средств, необходимых для модернизации или замены устаревшего оборудования и сетей.

Указанные особенности когенерационных технологий позволяют уменьшить расход топлива на выработку теплоты и электроэнергии, т.е. расходы на энергоносители, а вместе с этим сократить выбросы парниковых газов и вредных веществ в окружающую среду, что является на сегодняшний день мощнейшим стимулом для строительства когенерационных установок.

Рис. 4.21. Когенерация в процентах от национального производства электроэнергии в 1999 году и ее рост к 2010 году в соответствии со стратегией ЕС

Первоначальным импульсом для реализации энергосберегающих технологий в теплоэнергетике и, в первую очередь, строительства когенерационных установок послужили разразившиеся в 1973–1978 гг. нефтяные кризисы, впервые заставившие мировое сообщество серьезно взглянуть на проблемы топливообеспечения и топливосбережения в длительной перспективе. Учитывая важность решения топливных проблем, правительствами многих промышленно развитых стран были приняты законодательные акты, стимулирующие развитие когенерационной энергетики. На сегодняшний день когенерация признается радикальным средством противодействия глобальному изменению климата, расточительству в топливной сфере, средством, способствующим сельскому и региональному возрождению, росту занятости в машиностроении. К началу XXI века когенерация занимала уже весомое место в энергетике многих стран мира (рис. 4.21).

Когенерационные установки в Украине

В течение последнего десятилетия в Украине подготовлена база для широкого внедрения когенерационной техники в различных отраслях экономики: разработаны конкретные проекты когенерационных установок различного типа, исследованы потенциальные возможности развития когенерации в Украине, подготовлен проект Программы развития когенерационных технологий в коммунальном хозяйстве страны, принят в 2005 году Закон Украины «Про комбіноване виробництво теплової та електричної енергії (когенерацію) та використання скидного енергопотенціалу», а также приняты подзаконные акты к нему, стимулирующие в определенной степени развитие когенерации в Украине. В стране имеется ряд предприятий по выпуску газовых турбин и газопоршневых двигателей необходимой мощности: ПО «Турбоатом», «Мотор-Січ», ГП НПКГ «Зоря»–«Машпроект», Первомайскдизельмаш. Показатели энергетических газотурбинных установок ГП НПКГ «Зоря»–«Машпроект» в когенерационном варианте, т.е. с производством теплоты и электроэнергии, приведены в таблице 4.2.

Когенерационная электростанция с 2 двигателями UGT 16000С в Мозыре (Беларусь)

Рис. 4.22. Тепловая схема когенерационной электростанции: 1 – газотурбинный двигатель; 2 – электрогенератор; 3 – котел-утилизатор; 4 – расходный бак питательной воды; 5 – насос; 6 – потребитель теплоты

Тепловая схема простейшей когенерационной установки на базе газотурбинного двигателя показана на рисунке 4.22.

Первой из реализованных в Украине установок такого назначения была созданная на базе UGT 15000 «Зоря»–«Машпроект» электростанция Одесского припортового завода.

На базе этой же UGT 15000 в ГП НПКГ «Зоря»–«Машпроект» создана стандартная энергетическая установка ГТЭ-15Ц мощностью 16 МВт с электрическим к.п.д. (в станционных условиях) 33,5%. Ее первый образец смонтирован в 2003 г. на белорусском цементном заводе (г. Костюковичи) с утилизацией теплоты выхлопных газов ГТД в технологическом процессе сушки цемента.

На газотурбинной электростанции ЕГ6000 с когенерационной установкой UGT 6000С коэффициент использования теплоты топлива достигает 80–84%. Такая когенерационная электростанция мощностью 6 МВт сдана в эксплуатацию в 2003 году на Яблуневском нефтеперерабатывающем заводе в Полтавской области. Такие же электростанции успешно работают и в других странах.

На базе UGT 25000 в настоящее время осуществляется преобразование в ПГУ паротурбинных энергоблоков 150 МВт крупнейшей в Белоруссии Березовской ГРЭС, вследствие чего мощность одного блока повышается до 215 МВт при к.п.д. более 41%.

Панорама ГП НПКТ «Зоря»–«Машпроект» – крупнейшего в Украине разработчика и изготовителя газотурбинных установок морского и промышленного применения

Таблица 4.2 Показатели когенерационных ГТУ на базе двигателей НПКГ «Зоря»–«Машпроект»

 * Коэффициент использования теплоты топлива.

В этой установке пар, вырабатываемый в теплоутилизирующем контуре, срабатывается в паровой турбине.

К настоящему времени суммарная мощность когенерационных установок Украины превысила 150 МВт, однако это очень мало для энергетики страны. Согласно проведенным исследованиям на базе существующих теплогенерирующих агрегатов в коммунальном хозяйстве и в промышленности, а также на сбросной теплоте приводных ГТУ в газотранспортной системе Украины может быть создано более 16000 МВт когенерационных генерирующих мощностей.

Когенерационная электростанция в Заполярье с 4 двигателями UGT 6000