В период развития объединённой энергетической системы наличие больших запасов дешёвых нефти и газа обеспечивало широкий доступ потребителей к тепловой и электрической энергии. Там же, где отсутствовала возможность подключения к централизованным энергоисточникам, использовались автономные системы. При этом там, где необходима была только электроэнергия её получали на паротурбинных, газотурбинных и газодизельных установках, а получаемое при этом тепло выбрасывали в атмосферу. Там же, где нужно было только тепло, использовали отопительные котлы. И в первом и во втором случаях энергия топлива использовалась только на 60…65%.
После энергетического кризиса 70-х годов стоимость энергоносителей резко возросла и ещё больше возросли тарифы на энергию от централизованных сетей. По всем существующим прогнозам, в связи с ограниченностью энергоресурсов, тенденция увеличения тарифов сохранится и в обозримом будущем. Такое развитие событий привело к ещё большему интересу потребителей во всём мире к созданию собственных автономных источников энергии не только в местах отсутствия доступа к централизованным сетям, но и в местах свободного доступа к сетям. К тому же возросшее экологическое сознание способствовало принятию ряда международных соглашений по экологии, требующих более рационального использования энергоносителей и снижению негативного воздействия энергопроизводителей на окружающую среду.
Все вышеперечисленные факторы и явились предпосылкой для создания и развития когенерационных источников автономного энергоснабжения. Широкому распространению когенерации способствовали также и соответствующие законодательства принятые рядом развитых стран для поддержки экономного и экологического использования энергоресурсов.
Суть принципа когенерации заключается в использовании первичного источника энергии для получения двух форма полезной энергии – электрической и тепловой.
Системы когенерации дают возможность более эффективного использования энергоресурсов, и, в частности, таких критичных топлив как газ. Топливная эффективность систем когенерации может достигать 90%. Кроме того, позволяя уменьшить потребление топлива, системы когенерации ос¬лабляют нагрузку на окружающую среду. Мень¬шее количество топлива, участвующее в процес¬се преобразования энергии, означает снижение вредных выбросов.
Системы когенерации дают также прямой эконо¬мический эффект, т.к. их энергия стоит дешевле, чем та, что покупается в энергосистемах. И, на¬конец, они дают более быструю энергоотдачу. Система когенерации может быть пущена в эксп¬луатацию за один-два года, по сравнению с се¬мью - двенадцатью годами, необходимыми для сооружения и ввода в действие крупной электро¬станции.
Когенераторы (мини-ТЭЦ) рассчитаны на производство не только электрической, но и тепловой энергии. Использование тепловой энергии позволяет, с одной стороны, значительно (практически в три раза) снизить себестоимость электроэнергии (см. «Коммерческий раздел»), с другой стороны, снижает тепловое воздействие на природу.
При подборе когенератора необходимо проанализировать потребление объектом тепла в течение года и построить график потребления тепловой энергии по месяцам (рис. 2).
Как правило, наиболее высокое потребление тепла приходится на зимний период, даже в случае наличия его использования в технологических целях, так как всегда существует потребность в отоплении, что и определяет величину пиковых нагрузок. Потребление горячего водоснабжения и тепла в технологических процессах, как правило, распределены равномерно в течение месяца и года.
Для понимания комплектации мини-ТЭЦ необходимо рассмотреть основные принципы управления энергоагрегатами:
- управление по приоритету получения тепловой энергии;
- управление по приоритету получения электроэнергии.
Приоритет получения тепловой энергии.
В этом случае обязательно должно быть предусмотрено соединение электрогенерирующих агрегатов с внешней электрической сетью, либо какое-нибудь другое постоянное использование электроэнергии с учётом её выработки в зависимости от потребления тепла.
Анализ годового потребления тепла позволяет нарисовать график зависимости потребной выработки тепловой энергии по часам в течение года (рис. 3).
Практика показывает, что около 50…70% ежегодной потребности в тепловой энергии может быть обеспечено при помощи газопоршневых когенераторов. А остальные 30…50% обеспечиваются пиковыми водогрейными котлами. Такое распределение актуально и для управления с приоритетом по теплу, и для управления с приоритетом по электроэнергии. Доля, покрываемая когенераторами, зависит от потребной электрической мощности для собственных нужд. Здесь необходимо помнить, что газопоршневые когенераторы выдают примерно одинаковое количество тепловой и электрической энергии (см. раздел «Характеристики»).
Если полностью удовлетворять потребности в тепле когенераторами (при наличии возможности передачи избытков электроэнергии в общие сети), значительно возрастут капвложения и стоимость эксплуатации энергоцентра. Это обусловлено существенной (почти на порядок) большей стоимостью когенераторов и стоимостью их эксплуатации по сравнению с водогрейными котлами аналогичной тепловой производительности. Поэтому количество когенераторов и их суммарная мощность и в этом случае должны подбираться исходя из собственной потребности в электроэнергии.
В схеме теплоснабжения целесообразно также использовать тепловой аккумулятор, который позволяет снизить количество включений/выключений пиковых котлов, тем самым, экономя ресурс горелок и снижая расход газа.
На рис. 3 приведена схема распределения тепловой нагрузки между теплогенераторами, а на рис. 4 – типовая гидравлическая схема энергоцентра.
Приоритет получения электрической энергии
Режим работы когенераторов при таком управлении зависит от потребляемой объектом электрической мощности. И, например, в случае ЖКХ (рис. 1) может снизиться как минимум до 50% от максимального (при использовании в энергоузле одного когенератора) и значительно ниже при использовании нескольких когенераторов. Соответственно снизится и вырабатываемая тепловая энергия. В этом случае речь должна идти не о пиковых котлах, а о параллельной работе когенераторов с водогрейными котлами (см. раздел «Типовые проекты»). И мощность котлов должна выбираться из условия покрытия всех тепловых потребностей объекта при работе когенераторов на минимальном режиме выработки электроэнергии.
Таким образом, последовательность подбора и комплектация для газопоршневых когенераторов Jenbacher выглядят следующим образом.
1. Выбрать общую и единичную мощность когенераторов, водогрейных котлов и тепловых аккумуляторов.
2. Когенераторы отличаются от генератора наличием системы утилизации тепла. Условно систему утилизации можно разделить на две группы – утилизация тепла от двигателя (рубашка охлаждения, масло, газовоздушная смесь) и утилизация тепла выхлопных газов. Количество получаемого тепла от когенератора делится примерно поровну между этими группами. В случае возникновения избытка тепловой энергии, тепло выхлопных газов может выбрасываться в атмосферу через байпас (стандартно поставляется Jenbacher), минуя теплообменник.
3. Если потребность в тепле снижается значительно (например, летом), то может оказаться избыточным и тепло от двигателя. Поэтому он должен оснащаться системой отвода тепла от двигателя в атмосферу. Эту роль выполняет система аварийного охлаждения, выполненная по схеме «сухой» градирни.
- при управлении по приоритету тепла, количество градирен может быть меньше, чем когенераторов, так как двигатели работают только тогда, когда есть потребность в тепле, а, следовательно, всегда присутствует циркуляция сетевой воды, охлаждающей двигатель. Градирня при этом будет включаться именно в аварийном режиме.
- при управлении по приоритету электроэнергии, когенераторы должны работать независимо от наличия расхода тепловой энергии, а значит, они должны укомплектовываться градирнями один к одному.
4. В целях обеспечения санитарных и экологических требований двигатели Jenbacher комплектуются шумоглушителями и катализаторами. Стандартно поставляются комплекты, удовлетворяющие нормы TA-Luft:
- для промышленной зоны шумоглушитель на 65 дБ и ктализатор СО2 на 650 мг/нм3;
- для жилой зоны – шумоглушитель на 45 дБ и ктализатор СО2 на 300 мг/нм3;
- при более жёстких требованиях изготавливаются под заказ.
5. Если предусматривается работа нескольких агрегатов, то целесообразно использовать систему управления несколькими агрегатами «Мастер-контроль».
6. В случае необходимости работы совместно с сетью необходимо использовать соответствующее оборудование – внешнюю синхронизацию и релейную защиту.
