4.2.1. Когенераційні установки у системі теплофікації

Під терміном «когенераційні установки» сьогодні розуміють установки комбінованого виробітку теплової і електричної енергії, які базуються на теплових (поршневих і газотурбінних) двигунах невеликої (0,5–2 МВт) і середньої (до 30–40 МВт) електричної потужності. Як і в звичайній паротурбінній ТЕЦ, в когенераційній установці корисно використовується скидна теплота теплового двигуна за допомогою котла-утилізатора. Він служить або сітьовим підігрівачем води в системі опалення і гарячого водопостачання, або генератором технологічної пари у виробництві або енергетичної пари для парової турбіни, утворюючи ту ж ПГУ. У деяких технологічних схемах скидна теплота вихідних газів двигуна може використовуватись безпосередньо в технологічному процесі, наприклад для сушки будь-якої сировини. Така схема також відноситься до когенераційних. Когенераційні установки, що виробляють теплоту й електроенергію, називають також міні-ТЕЦ (МТЕЦ).

По своїй суті МТЕЦ повністю аналогічні паротурбінним ТЕЦ: вони включають системи виробництва теплової і електричної енергії, теплові й електричні магістралі для доставки енергії споживачам, розподільні мережі та системи, системи контролю і управління. Відрізняються вказані ТЕЦ тільки масштабами і видом енергії, яка є базовою: якщо для паротурбінної ТЕЦ базовою в більшості випадків є електрична енергія, а виробіток теплової є засобом підвищення ефективності виробітку базового продукту, то в МТЕЦ базовою є, як правило, теплова енергія. По існуючому тепловому навантаженню визначається електрична потужність когенераційної установки, яка забезпечує максимальний коефіцієнт корисного використання палива впродовж всього року.

Вже за своїм визначенням МТЕЦ є альтернативою крупним централізованим паротурбінним ТЕЦ. У цьому плані застосування МТЕЦ служить засобом децентралізації (зменшення) теплофікаційних систем, створення помірно-централізованих систем теплопостачання, які забезпечують теплотою і електроенергією, а при необхідності й холодом окремі адміністративні і громадські будівлі, підприємства, житлові комплекси, учбові заклади і тому подібні об’єкти. Такий шлях розвитку енергетики має наступні переваги:

• зниження втрат при транспорті теплоти і електроенергії за рахунок зменшення відстаней між виробниками і споживачами енергії, а також за рахунок застосування сучасних засобів захисту і технологій;

• можливість оперативного регулювання теплової і електричної потужності установки в залежності від навантаження, часу доби, сезону, погодних умов;

• можливість використання сучасного високоефективного енергетичного обладнання;

• використання систем глибокої утилізації (утилізація схованої теплоти пароутворення при спалюванні вуглеводневого палива);

• можливість використання в КОУ місцевих нетрадиційних видів енергії і енергозберігаючих технологій;

• зменшення коштів, необхідних для модернізації або заміни застарілого обладнання і мереж.

Вказані особливості когенераційних технологій дозволяють зменшити витрату палива на виробіток теплоти і електроенергії, тобто витрати на енергоносії, а разом з цим скоротити викиди парникових газів і шкідливих речовин в навколишнє середовище, що є на сьогоднішній день найпотужнішим стимулом для будівництва когенераційних установок.

Початковим імпульсом для реалізації енергозберігаючих технологій в теплоенергетиці й, в першу чергу, будівництва когенераційних установок слугували нафтові кризи, що вибухнули у 1973–1978 рр. і вперше змусили світове товариство глянути та її зростання до 2010 року у відповідності зі стратегією ЄС на проблеми паливозабезпечення й паливозбереження у подальшій перспективі. Враховуючи важливість вирішення паливних проблем, урядами багатьох промислово розвинених країн були прийняті законодавчі акти, що стимулювали розвиток когенераційної енергетики. На сьогоднішній день когенерація визнається радикальним засобом протидії глобальній зміні клімату, марнотратству в паливній сфері, засобом, який сприяє сільському й регіональному відродженню, росту зайнятості у машинобудуванні. До початку ХХI століття когенерація займала вже вагоме місце в енергетиці багатьох країн світу (мал. 4.21).

Мал. 4.21. Когенерація в процентах від національного виробництва електроенергії в 1999 році

Когенераційні установки в Україні

Впродовж останнього десятиліття в Україні підготовлена база для широкого впровадження когенераційної техніки в різних галузях економіки: розроблені конкретні проекти когенераційних установок різного типу, досліджені потенціальні можливості розвитку когенерації в Україні, підготовлений проект Програми розвитку когенераційних технологій у комунальному господарстві країни, прийнятий у 2005 році Закон України «Про комбіноване виробництво теплової й електричної енергії (когенерацію) та використання скидного енергопотенціалу», а також прийняті підзаконні акти до нього, стимулюючі у певній мірі розвиток когенерації в Україні. У країні є ряд підприємств з випуску газових турбін й газопоршневих двигунів необхідної потужності: ПО «Турбоатом», «Мотор-Січ», ДП НВКГ «Зоря» – «Машпроект», Первомайськдизельмаш. Показники енергетичних газотурбінних установок ДП НВКГ «Зоря» – «Машпроект» у когенераційному варіанті, тобто з виробництвом теплоти й електроенергії, наведено у таблиці 4.2.

Когенераційна електростанція з 2 двигунами UGT 16000 C у Мозирі (Білорусь)

 

Мал. 4.22. Теплова схема когенераційної електростанції: 1 – газотурбінний двигун; 2 – електрогенератор; 3 – котел-утилізатор; 4 – витратний бак живильної води; 5 – насос; 6 – споживач теплоти

Теплова схема найпростішої когенераційної установки на базі газотурбінного двигуна показана на малюнку 4.22.

Першою із реалізованих в Україні установок такого призначення була створена на базі UGT 15000 «Зоря» – «Машпроект» електростанція Одеського припортового заводу.

На базі цієї ж UGT 15000 в ДП НВКГ «Зоря» – «Машпроект» створена стандартна енергетична установка ГТЕ-15Ц потужністю 16 МВт з електричним к.к.д. (у станційних умовах) 33,5%. ЇЇ перший зразок змонтований у 2003 р. на білоруському цементному заводі (м. Костюковичі) з утилізацією теплоти вихлопних газів ГТД у технологічному процесі сушки цементу.

На газотурбінній електростанції ЕГ-6000 з когенераційною установкою UGT 6000 С коефіцієнт використання теплоти палива досягає 80–84%. Така когенераційна електростанція потужністю 6 МВт здана в експлуатацію в 2003 році на Яблуневському нафтопереробному заводі у Полтавській області. Такі ж електростанції успішно працюють і в інших країнах.

На базі UGT 25000 у даний час здійснюється перетворення в ПГУ паротурбінних енергоблоків 150 МВт найбільшої у Білорусі Березовської ДРЕС, внаслідок чого потужність одного блоку підвищується до 215 МВт при к.к.д. більше 41%.

У цій установці пара, що виробляється у теплоутилізуючому контурі, спрацьовується у паровій турбіні.

На даний час сумарна потужність когенераційних установок України перевищила 150 МВт, проте це дуже мало для енергетики країни. Згідно з проведеним дослідженням на базі існуючих теплогенеруючих агрегатів у комунальному господарстві та в промисловості, а також на скидній теплоті привідних ГТУ у газотранспортній системі України може бути створено більше 16000 МВт когенераційних генеруючих потужностей.

Панорама ДП НВКГ «Зоря» – «Машпроект» – найбільшого в Україні розробника й виготовлювача газотурбінних установок морського та промислового застосування

Таблиця 4.2. Показники когенераційних ГТУ на базі двигунів ДП НВКГ «Зоря» – «Машпроект»

* КВТП – коефіцієнт використання теплоти палива.

Когенераційна електростанція в Заполяр’ї з 4 двигунами UGT 6000