XV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2023

Когенерация представляет собой термодинамическое производство одновременно двух или более форм энергии из одного первичного источника.

Строительство когенерационных установок имеет ряд преимуществ, таких как:

независимость от роста тарифов на электроэнергию за счет обособленной ее выработки;

наиболее высокая эффективность топливоиспользования;

меньшие затраты на создание линий транспортировки энергии и практически отсутствие потерь на них благодаря непосредственной близости расположения установки к потребителям;

высокое качество получаемой тепловой и электрической энергии и максимальные показатели надежности и бесперебойности работы;

меньшее воздействие на окружающую среду и наиболее оптимальное использование топливных ресурсов;

относительно небольшие объемы капиталовложений и меньшие затраты на обслуживание мини-ТЭЦ (в сравнении с подключением к внешним электросетям и дальнейшим обслуживанием за счет них);

малые сроки окупаемости (3-6 лет) и др.

Производство энергии с использованием когенерационных установок имеет существенные преимущества по сравнению с раздельным производством тепловой и электрической энергии (см. рис. 1)

Рис. 1. Сравнение энергетических потоков при раздельной и комбинированной выработке энергии

В малой энергетике существует три основных типа когенерационных установок:

Таблица 1

Характеристики	Паротурбинная установка	Газотурбинная установка	Газопоршневая установка
Используемое топливо	Любое	Газ, биогаз, дизельное топливо, керосин	Газ, биогаз, керосин
Диапазон мощностей, МВт	1-1000	0,25-300	0,2-20
Отношение тепла к электроэнергии	3:1-8:1	1,5:1-5:1	1:1-3:1
Электрический КПД, %	10-20	25-42	35-43
Общий КПД, %	<80	65-87	70-90

Использование газотурбинных установок на ТЭЦ отличатся простой конструкцией. При отсутствии генерации пара в котле-утилизаторе возможно получить высокую степень бинарного тепла при простой конструкции. В настоящее время ГТУ находит широкое распространение в качестве автономного источника тепло- и электроснабжения, а также для работы в составе энергосистем. По виду тепловой нагрузки подразделяют на отопительные, промышленные и комбинированные. Отопительные используются для коммунального теплоснабжения, они отдают тепловую энергию сетевой воде для отопления и горячего водоснабжения. Промышленные ТЭЦ предназначены для обеспечения паром определенных технологических процессов. [1]

Рис. 2. Технологическая схема газовой турбины:1 - газовая турбина; 2 - электрогенератор; 3- котел-утилизатор; 4 - насос; 5 - теплообменник; 6 - регулировочная станция; 7 - теплообменник; 8 - циркуляционный насос

Газотурбинная установка имеет ряд преимуществ и недостатков.

Достоинства :

минимальный расход воды (только на охлаждение масла, идущего к подшипникам);

быстрый ввод турбогенератора в работу (пуск мощных установок из холодного состояния до принятия нагрузки занимает порядка 15-18 минут).

Недостатки:

необходима весьма высокая начальная температура газа перед турбиной (больше 550⁰С), следовательно, требуются жаростойкие материалы и специальная система охлаждения;

-полезная мощность гораздо меньше фактической (так как на привод компрессора расходуется порядка 50-70% мощности;

-исключено применение твердого топлива (только после специальной подготовки);

ограниченность единичной мощности (120 – 150 МВт);

больная шумность при работе.

Рис. 3. Технологическая схема мини-ТЭЦ с использованием газо-порщневого двигателя: 1 — поршневой двигатель внутреннего сгорания; 2 —электрогенератор; 3 — нейтрализатор (система очистки выхлопных газов); 4 — теплоутилизатор выхлопных газов; 5 — теплообменник системы охлаждения масла; 6 — теплообменник воздушной системы охлаждения двигателя; 7 — электрокотел (или теплогенератор); 8 — водяной насос

К достоинствам газопоршневых установок можно отнести высокую производительность, относительно низкий уровень начальных инвестиций, широкий спектр моделей по выходной мощности, возможность автономной работы, быстрый запуск и гибкость по отношению к выбору топлива. Недостатками являются дорогое обслуживание (обслуживающий персонал, использование смазочных масел и охлаждающих жидкостей), высокий уровень низкочастотного) шума, низкая тепловая эффективность и высокое соотношение вес/выходная мощность.

Главным преимуществом ГПУ по сравнению с ГТУ служит ее устойчивость к снижению электрической нагрузки. При уменьшении нагрузки до 50% электрический КПД ГТУ значительно снижается. При этом если изменить режим нагрузки ГПУ на аналогичную величину, то значительных изменений как на общем, так и на электрическом КПД не будет. При повышении температуры окружающего воздуха от –30 до +30 °С электрический КПД у ГТУ падает на 15-20%. ГПУ в свою очередь имеет постоянный и более высокий электрический КПД во всем интервале температур. Удельный расход топлива на выработанный кВт·ч электроэнергии меньше у ГПУ, при любом нагрузочном режиме. Это объясняется тем, что электрический КПД ГПУ больше. При одинаковых электрических мощностях, выработка тепловой энергии у ГТУ выше, поэтому в некоторых случаях для потенциального потребителя это может являться немаловажным фактором.

Рис. 4. График зависимости электрического КПД от температуры окружающей среды

Рис. 5. График зависимости КПД от нагрузки: слева газопоршневой двигатель, справа газовая турбина

Таблица 2. Технико-экономические характеристики мини-ТЭЦ

Характеристика	ГТУ	ГПУ
Удельная стоимость 1 кВтч эл. мощности, тыс. руб/кВтч	14-20	15-23
Удельный расход топлива на 1 кВтч электроэнергии при совместном производстве электрической и тепловой энергии, т.у.т./кВт·ч	180-210	200-250
Себестоимостью электроэнергии, руб/кВт·ч	1,6	1,8 – 2,0
Срок окупаемости, лет	4 - 8	2-5

Традиционно в Российской Федерации комбинированная выработка электричества и тепловой энергии в большей мере представлена на паротурбинных ТЭЦ, расчетный КПД которых колеблется в пределах 35-45%. В добавок к этому значительное количество энергии (как тепловой, так и электрической) тратится при транспортировке её к потребителям.

Количество топлива, требуемого для выработки одного и того же количества электроэнергии на ТЭЦ и мини-ТЭЦ приведено в таблице 3

Таблица 3.

	ТЭЦ				Мини-ТЭЦ
Суммарная электрическая нагрузка ТЭЦ	∑Q ТЭЦ	640	кВт		∑Q ГПУ	640	кВт
Электрический КПД ТЭЦ	ⴄэл ТЭЦ	0,26			ⴄэл ГПУ	0,4
Секундный расход топлива	B ТЭЦ	0,068	м³/с		В ГПУ	0,0444	м³/с
Годовой расход топлива	B ТЭЦ	1287,87	тыс.м³/год		В ГПУ	837,12	тыс.м³/год
Затраты на используемое топливо в денежном эквиваленте за год	С ТЭЦ	7674536	руб/год		С ГПУ	4988448	руб/год

Список литературы

1. Зысин Л.В. Парогазовые и газотурбинные установки: учеб. пособие.-СПб.: Изд.-во Политехн.ун-та, 2010.-274-276 с.

2. Газопоршневые установки (газовые электростанции): проектирование, производство, установка: сайт.-URL: http://www.gazecos.ru/ (дата обращения: 9.02.2023)

Код для цитирования: Скопировать