Классификация автономных источников тепловой и электрической энергии малой мощности

Автономные источники - это источники энергоснабжения, не связанные с централизованными системами теплоснабжения и единой энергетической системой страны, предназначенные для получения тепловой и/или электрической энергии.

Автономные источники энергоснабжения можно разделить по назначению на:

• автономные источники, вырабатывающие только тепловую энергию, это так называемые модульные котельные;
• автономные источники, вырабатывающие как тепловую, так и электрическую энергию. Процесс одновременного производства электроэнергии и теплоты называется когенерацией, а автономные источники энергоснабжения  называют когенерационными. При применении паровых турбин малой мощности такие источники называют мини-ТЭЦ;
• автономные источники, вырабатывающие, помимо тепловой и электрической энергии, холод, называют тригенерационными источниками (тригенерационными установками).

Модульная котельная – это транспортабельная котельная контейнерного типа, предназначенная для применения в системах теплоснабжения в качестве автономного источника отопления, вентиляции, горячего водоснабжения и технологии административных, технических, бытовых и промышленных объектов, имеющая определенные ограничения по нагрузке. Модульные котельные поставляются к месту установки в максимальной заводской готовности.

 По виду вырабатываемого теплоносителя модульные котельные можно разделить на:

• паровые модульные котельные, с установкой паровых котлов;
• водогрейные модульные котельные, с установкой водогрейных котлов.

Все типы водогрейных или паровых котлов работают на газообразном,  жидком или твердом  топливе. Особую группу составляют котлы, работающие на возобновляемых видах топлива (древесина, древесные отходы).

Тепловая мощность модульных котельных составляет:

• водогрейных - на твёрдом топливе до 8,0 МВт (6,88 Гкал/ч);
• водогрейных - на   газообразном   и   лёгком   жидком   топливе (дизельное) до 6,4 МВт (5,5 Гкал/ч);
• паровых - на твёрдом топливе до 10 т пара/ч;
• паровых - на газообразном топливе до 10 т пара/ч;
• паровых - на лёгком жидком топливе (дизельное) до 10 т пара/ч;
• паровых - на тяжёлом жидком топливе (мазут) 1-10 т пара/ч.

В настоящее время широкое применение в системах тепло- электроснабжения отдельных жилых зданий (группы зданий), а также небольших промышленных предприятий, складских комплексов, крупных торговых предприятий и других объектов находят когенерационные электростанции или мини-ТЭЦ.      

В некоторых случаях отсутствие источника электроэнергии или его удаленность делает создание собственной мини-ТЭЦ безальтернативным решением. В других случаях создание независимого источника, выполняющего роль резервного источника электроэнергии, позволяет освободиться от зависимости единой энергосистемы страны или снизить ее влияние.

Когенерационные электростанции (мини-ТЭЦ) классифицируют по типу применяемых электрогенерирующих установок:

• когенерационные установки на базе паровых турбин (ПТУ);
• когенерационные установки на  базе газовых турбин (ГТУ);
• когенерационные установки на базе газопоршневых двигателей (ГПД) или дизельных двигателей (ДД).

Когенерационные электростанции (мини-ТЭЦ) оборудуются системой теплообменников для утилизации теплоты, отводимой от     электрогенерирующих установок.

Оптимальный выбор типа электрогенерирующей установки зависит от условий, в которых она используется, включая суточную и сезонную неравномерность потребления тепловой и электрической энергии. Основными критериями выбора являются экономическая целесообразность, надежность, простота обслуживания. При выборе типа электрогенерирующей установки также необходимо учесть финансовые возможности, ограничения земельных площадей для строительства, вопросы экологии, способы доставки топлива и т.д.

Можно выделить два основных режима работы мини-ТЭЦ:

1. Полностью автономный – при котором объект полностью обеспечивается тепловой и электрической энергией от собственного автономного источника энергоснабжения. В этом случае требуется достаточный резерв в случае аварийного останова основного оборудования.
2. Частично автономный – при котором объект сохраняет связь с внешней тепловой и электрической сетью и свои потребности частично покрывает за счет отборов данных видов энергии из внешних сетей. В этом случае внешняя сеть является резервной на период проведения плановых ремонтов, и установка дополнительных резервных агрегатов может не потребоваться.

В последнее время в Российской Федерации  большое внимание уделяется созданию тригенерационных энергоустановок.

В летний период при отсутствии отопительных нагрузок нагрузка ГВС не может обеспечить требуемую утилизацию теплоты, отводимую от источника энергоснабжения, вырабатывающего в этот период только электрическую энергию. В то же время могут потребоваться затраты энергии на кондиционирование  производственных и административных зданий. В этом случае целесообразно в схему генерирующей установки включить холодильную машину (трансформатор теплоты).

На стадии принятия предпроектных решений о типе создаваемого автономного источника энергообеспечения и выборе основного оборудования необходимо проанализировать следующие возможные варианты.

1-й вариант. Потребителю энергоресурсов требуется только тепловая энергия для нужд отопления, вентиляции и ГВС. Электрическая энергия подводится от энергосистемы. В этом случае можно рассматривать вариант создания модульной котельной с соответствующим выбором котлов в зависимости от вида теплоносителя (вода, пар) и  применяемого топлива (жидкое, газообразное или твердое). На рис. 1 представлена блок-схема данного варианта.

Рис. 1. Автономный источник на базе модульной котельной

2-й вариант. Потребителю энергоресурсов, помимо тепловой энергии для нужд отопления, вентиляции и ГВС, требуется  холод. Электрическая энергия, как и в предыдущем случае, подводится от энергосистемы.

В этом варианте в качестве источника тепловой энергии можно рассматривать котельную, а в качестве источника холода – холодильную станцию с использованием парокомпрессионных или абсорбционных холодильных машин. На рис.1.2 представлена блок-схема данного варианта.

 Рис. 2. Автономный источник на базе модульной котельной и холодильной станции

3-й вариант. Данный вариант по характеру и видам энергопотребления аналогичен второму варианту. Однако в данном варианте в качестве автономного источника тепловой энергии и холода рекомендуется рассмотреть холодильную станцию с применением абсорбционной бромистолитиевой холодильной машины (АБХМ). Такие машины работают на газообразном топливе при прямом его горении в камере генератора. На рис. 3 представлена блок-схема  данного варианта.

 Рис. 3. Автономный источник на базе холодильной станции

4-й вариант. В данном варианте источник энергоресурсов не связан с энергосистемой, поэтому выработка электрической энергии должна производиться на самом источнике.  Потребителю энергоресурсов, помимо электрической энергии, требуется тепловая энергия на отопление, вентиляцию и ГВС. Потребители холода отсутствуют.

В этом варианте автономным источником энергоснабжения может служить когенерационная установка на базе газовых турбин, газопоршневых двигателей, дизель-генераторов либо паровых турбин с созданием мини-ТЭЦ. В этом варианте для покрытия дефицита тепла в дни максимального теплопотребления целесообразно предусмотреть на источнике энергоснабжения установку пикового котла. На рис. 4 представлена блок-схема данного варианта.

 Рис. 4. Автономный источник на базе когенерационной установки

5-й вариант. В данном варианте потребителю энергоресурсов требуется тепловая энергия, холод и электрическая энергия. Как следует из поставленной задачи, автономный источник энергоснабжения должен создаваться как тригенерационный центр в составе когенерационной и холодильной установок. В качестве холодильной машины рекомендуется применять абсорбционную бромистолитиевую холодильную машину, работающую на выхлопных газах когенерационных установок, либо на отработавшем паре в паровой турбине мини-ТЭЦ, либо на горячей воде пиковой котельной. Кроме того, АБХМ может работать на сжигаемом в ней газе. На рис. 5 представлена блок-схема данного варианта.

 Рис. 5. Автономный источник на базе когенерационной установки и холодильной машины

6-й вариант. Данный вариант целесообразно рассматри-вать в том случае, когда потребитель энергоресурсов имеет надежную связь с энергосистемой при отсутствии необходимой системы топливоснабжения. В этом случае потребитель вынужден использовать электрокотлы для выработки тепловой энергии.

Такое использование электрической энергии крайне не выгодно, так как себестоимость полученного тепла будет значительно выше себестоимости тепла, выработанного в автономной котельной.  В этом случае для снижения стоимости тепловой энергии целесообразно применять теплонасосные установки (ТНУ). На рис. 6 представлена блок-схема данного варианта.

Рис. 6. Автономный источник на базе теплонасосной установки

Как правило, создание автономного источника энергоснабжения дает экономический эффект от снижения себестоимости электрической и тепловой энергии с дополнительным эффектом за счет отказа от покупной электроэнергии.

Капитальные затраты на строительство мини-ТЭЦ составляют в среднем порядка 800 евро за 1 кВт электрической мощности. Срок окупаемости капитальных затрат от применения мини-ТЭЦ равен примерно 5-7 годам.

Влияние неравномерности потребления тепловой и электрической энергии на выбор генерирующего оборудования

Основными исходными данными для выбора типа источника энергоснабжения и основного его оборудования являются электрическая мощность на клеммах генератора  и расчетная тепловая мощность источника.

Если источник энергоснабжения имеет надежную связь с энергосистемой  и не ставится задача производства электрической энергии, то, как указывалось ранее, этот вариант предусматривает создание модульной котельной.  

По значению расчетной тепловой нагрузки выбирают мощность теплогенерирующего оборудования и определяют диаметры трубопроводов. В зависимости от изменения тепловой потребности в течение суток, месяца, сезона и года разрабатывают соответствующие режимы отпуска тепловой энергии. При этом учитывают взаимное расположение потребителей друг относительно друга, их удаленность от источника теплоты, геометрическую высоту зданий и рельеф местности.

Если на  источнике энергоснабжения предусматривается  выработка как тепловой, так и электрической энергии, а сам источник надежно связан с энергосистемой, то становится важным определить количество вырабатываемой электроэнергии и тепловые потоки, на которых будет осуществляться указанное производство электроэнергии, с учетом их сезонной неравномерности. В отопительный период  выработка электрической энергии может значительно превышать потребности в электроэнергии как источника, так и самого предприятия, которому и принадлежит данный источник энергоснабжения.

В этом случае с избытком выработанной электроэнергии можно поступить следующим образом:

1. Использовать ее в электрокотлах для покрытия части тепловых нагрузок, что позволит перейти на пониженные теплогенерирующие мощности;
2. Передать ее в единую энергосистему, что затруднительно из-за отсутствия законодательной базы.

В летние месяцы с окончанием отопительного сезона тепловые нагрузки включают в себя только нагрузку ГВС. Отопительные и вентиляционные нагрузки отсутствуют. Выработка электроэнергии осуществляется на тепловом потоке ГВС, и ее количество будет значительно снижено. Это потребует останова части электрогенерирующих мощностей с ухудшением показателей работы всего источника энергоснабжения.

Как следует из сказанного, при существующих сезонных колебаниях тепловых нагрузок наиболее выгодной тепловой нагрузкой, на тепловом потоке которой можно осуществлять выработку электрической энергии, является нагрузка ГВС и постоянная технологическая нагрузка. Для коммунальных котельных при 40 % годовой выработки тепла на нужды ГВС выработка электрической энергии может составить 20 % от суммарной выработки тепловой энергии. При этом первоочередной задачей, решаемой энергетиками, является производство электрической энергии для покрытия электрических нагрузок собственных нужд.

Таким образом, при стабильных, маломеняющихся графиках электро - и теплопотребления создаваемый источник энергоснабжения целесообразно комплектовать на базе паровых турбин, работающих  по традиционному паросиловому циклу или по комбинированному циклу парогазовых установок.

Если источник энергоснабжения не связан с энергосистемой и работает в автономном режиме, то, как правило, такой источник работает по независимому электрическому графику, с приоритетной выработкой электрической энергии . При этом выработка тепловой энергии полностью определяется выработкой электрической энергии. Графики производства элетроэнергии зависят от графиков электропотребления и могут иметь значительную суточную неравномерность.  Это объясняется тем, что электропотребляющее оборудование предприятия в ночные часы останавливается и вводится в работу с началом рабочей смены.

Такой режим формирует основное требование к электрогенерирующему оборудованию автономного источника, заключающееся в его быстром пуске и останове. К оборудованию такого типа можно отнести электрогенерирующее оборудование на базе газопоршневых и газотурбинных двигателей.  Указанные двигатели на 1 кВт электрической энергии производят 1,15 – 1,2 кВт тепловой энергии.

На рис. 7 представлен примерный график суточных тепловых и электрических нагрузок в отопительный и неотопительный период работы автономного источника энергоснабжения.

Рис. 7.  Примерный график суточных тепловых и электрических нагрузок: а - отопительный период; б – неотопительный период; 1 – электрическая нагрузка; 2 – тепловая нагрузка; 3 – расчетная тепловая нагрузка 

Кривая 1 характеризует изменение электрических нагрузок в зависимости от времени суток. В ночные часы электрическая нагрузка минимальна. С началом рабочей смены электрическая нагрузка увеличивается, достигая в некоторые отрезки времени максимальных значений. Для покрытия таких нагрузок в источнике энергоснабжения желательно иметь как минимум две электрогенерирующих установки разных мощностей. Одна из них необходима для покрытия базовых нагрузок, другая - для покрытия пиковых нагрузок и для работы в ночное время.

Выработка тепловой энергии, зависящая от вырабатываемой электрической энергии характеризуется кривой 2. Необходимая потребителю расчетная тепловая нагрузка изображается кривой 3. Ее неравномерность объясняется снижением нагрузки ГВС в ночные часы. Затемненная площадь, заключенная между кривой 2 и 3 характеризует недостаток тепловой энергии, производимой установкой, для покрытия расчетных нагрузок. Для выработки недостающей тепловой энергии в автономном источнике  энергоснабжения должны быть установлены пиковые котлы.

Примерные суточные графики тепловых и электрических нагрузок в летний период представлены на рис. 7б.

На указанном рисунке мы имеем аналогичные кривые. Однако затемненная площадь характеризует избыток тепловой энергии, вырабатываемой при производстве электрической энергии в летний период. Указанная тепловая энергия должна отводиться в атмосферу или при наличии системы кондиционирования может быть использована в абсорбционных холодильных машинах для получения холода.

Гладышев Н.Н., Короткова Т.Ю. Автономные источники тепловой и электрической энергии малой мощности