Пол Кеньон – Cummins Power Generation

Выбор типа когенерационной установки зависит от необходимой мощности, а также от структуры энергопотребления конкретного предприятия.

 

Когенерация (Combined Heat and Power) – это производство электрической и тепловой энергии с использованием одного вида топлива. Когенерационные установки часто применяются на предприятиях для выработки собственной электроэнергии (вместо сетевой). Хотя традиционный способ получения электроэнергии из сети достаточно удобен для предприятия, но большие потери при передаче энергии на дальние расстояния снижают его эффективность.

Когенерационные энергетические установки, эксплуатирующиеся на предприятиях, не только имеют более высокий КПД по сравнению с центральными электростанциями (40% против 30%) – они также позволяют утилизировать теплоту выхлопных газов. В зависимости от применения установок можно сократить более 35% расходов на выработку энергии. Для больших предприятий такая экономия может обеспечить окупаемость когенерационной установки менее чем за 10 лет.

Когенерация

 

Современные технологии

Принципы когенерации известны давно и используются в различных сферах – от первой энергетической установки Томаса Эдисона до современных химических производств, муниципальных электростанций, вырабатывающих электрическую и тепловую энергию. Ранее технологии когенерации применялись только на больших электростанциях, при реализации значительных комплексных проектов или в других особых случаях.

В настоящее время благодаря передовым разработкам в области дизельных и газопоршневых двигателей, микротурбин, теплообменного оборудования и цифровых систем управления когенерационные установки могут успешно применяться даже потребителями малой мощности. Это заставляет самые разные предприятия и компании по-другому посмотреть на перспективы применения когенерационных технологий с точки зрения повышения эффективности производства и сокращения расходов.

Например, министерство энергетики США, учитывая, что на электростанциях когенерационного цикла производится только 9% электроэнергии, поставило задачу перед энергетическими компаниями удвоить данный показатель к 2010 году. Европейская энергетическая комиссия обозначила аналогичные цели. Лидируют в этом процессе Швейцария, где на электростанциях когенерационного цикла вырабатывается 77% электроэнергии, и Дания – здесь этот показатель составляет 40%.

Установка когенерационного цикла состоит из двигателя, который приводит в действие генератор для выработки электроэнергии, и котла-утилизатора, используемого для утилизации тепла вылопных газов. В качестве привода могут применяться дизельные или газопоршневые двигатели, газовая турбина или микротурбина, а также топливные ячейки. Хотя соотношение количества вырабатываемой тепловой и электрической энергии различно для поршневых двигателей и газовых турбин, в любом случае 90% энергии первичного топлива в современных установках когенерационного цикла сохраняется.

Важным шагом при принятии решения о строительстве когенерационной установки на предприятии является общий анализ энергопотребления, который может быть сведен к ответу на несколько главных вопросов. При положительном ответе необходио более детальное изучение проблемы.

1. Все ли сделано для снижения потребления электрической и тепловой энергии на предприятии?

Если существует возможность снизить энергопотребление на предприятии, что, естественно, приведет к снижению эксплуатационных расходов, то нет прямой необходимости в строительстве установки когенерационного цикла и дополнительных расходах.

2. Какова средняя потребность в электроэнергии на предприятии – больше 100 кВт.ч?

В настоящее время на рынке доступны когенерационные установки мощностью менее 100 кВт, но установки большей мощности обеспечат значительную экономию и более короткий период возврата инвестиций. Чтобы полностью быть уверенным, что энергоустановка работает с полной загрузкой, необходимо точно определить потребности предприятия в электрической и тепловой энергии.

3. Какова средняя потребность предприятия в тепловой энергии – 300 кВт.ч или больше?

Для технологического процесса предприятия необходимы пар низкого давления, горячая вода, рабочее тело для абсорбционного охладителя или все эти виды тепловой энергии. Предприятиям с большей потребностью в тепловой энергии эффективнее использовать когенерационную установку на базе нескольких микротурбин или одной газовой турбины. Количество вырабатываемой тепловой энергии (по сравнению с электрической) у таких установок выше, чем у созданных на базе поршневых двигателей. Объем выработки тепловой энергии определяется потребностями компании или нуждами центрального отопления. Избыточная тепловая энергия обычно не утилизируется, что резко снижает общий КПД установки.

4. В продолжение какого времени потребляется предприятием тепловая и электрическая энергия – больше или меньше 4000 часов в год?

Традиционно годовая наработка когенерационных установок составляет около 2000 часов

в год, но наиболее эффективна установка, наработка которой не менее 4000 часов в непрерывном режиме эксплуатации. Потребление тепловой энергии для технологического процесса не зависит от сезона, в отличие от расхода для нужд центрального отопления или охлаждения помещений. Предприятия, которым необходимо отопление помещений в зимний период или поддержание нужной температуры летом, являются потенциальными заказчиками когенерационных установок.

5. Сетевая электроэнергия имеет более высокую стоимость электроэнергии, чем вырабатываемая на собственных энергоустановках? Как осуществляется поставка природного газа для работы установки?

При принятии решения о строительстве установки когенерационного цикла необходимо учитывать стоимость электроэнергии, получаемой из энергосети, и стоимость природного газа, который будет использоваться в качестве топлива. Рассчитать, обеспечит ли установка достаточный уровень экономии средств. При этом важно также учитывать, какой объем избыточной электроэнергии готова приобрести центральная энергосеть и по каким тарифам.

6. Есть ли место для размещения установки когенерационного цикла на предприятии?

Необходимо спланировать размещение энергоблока, котла-утилизатора, помещения для систем управления и других вспомогательных систем станции. Важно учесть инфраструктуру подачи природного газа на станцию. Если основным топливом станции является дизельное топливо, нужно предусмотреть место для размещения резервуаров для его хранения. Необходимо также учитывать экологические стандарты, которые применяются в регионе. Возможно, потребуется установить дополнительное оборудование для снижения уровня выбросов, а также для подавления акустического воздействия.

7. Кто будет осуществлять техническое обслуживание основного оборудования?

Практически все предприятия в настоящее время стремятся к надежному энергоснабжению (на уровне 99,9%). Однако в большинстве случаев центральная энергосистема не способна обеспечить качественное обслуживание энергетического оборудования. Когенерационные установки, работающие в базовом режиме, в сочетании с источниками бесперебойного питания обеспечат необходимый уровень надежности энергоснабжения предприятия. При этом производственный процесс не будет зависеть от аварий на центральных электростанциях, обрывов энергосетей, природных и других катаклизмов.

Необходимо также провести анализ затрат на реализацию проекта и расчет сроков его окупаемости. Такой расчет рекомендуется проводить при участии специалистов компании-поставщика основного оборудования или независимой инжиниринговой компании. В любом случае следует учесть такие факторы:

  •   среднюю оптовую цену электроэнергии на рынке в конкретном регионе;
  •   стоимость природного газа или дизельного топлива;
  •   необходимую годовую наработку оборудования;
  •   удельную стоимость установки когенерационного цикла и затраты в процессе эксплуатации за ее жизненный цикл.

 

Сравнение установок когенерационного цикла на базе различных приводов

Когенерационные установки на базе дизельных и газопоршневых двигателей, микротурбин, газовых турбин или топливных ячеек имеют различные эксплуатационные параметры.

Учитывая специфические особенности энергопотребления предприятия, необходимо определиться, какая из них наиболее полно удовлетворяет ваши потребности. В целом, установки на базе поршневых двигателей обеспечивают выработку большего количества электроэнергии и более высокий общий КПД. При этом все установки обеспечивают уровень надежности 90-95%. Ниже приведены сравнительные характеристики по каждому типу оборудования.

Установки на базе дизельных двигателей. По сравнению с другими аналогами, удельная стоимость таких установок значительно ниже. Они обеспечивают высокий уровень надежности в эксплуатации, требуют минимального технического обслуживания и гарантируют высокое качество вырабатываемой электроэнергии. Однако экологические стандарты серьезно ограничивают их годовую наработку до 300 часов в год, несмотря на применяемые каталитические системы подавления выбросов. Дизельные установки когенерационного цикла используются в диапазоне электрической мощности от 300 до 45 000 кВт, тепловой – от 450 до 45 000 кВт.

Установки на базе газопоршневых двигателей, работающих на обедненном топливе. Передовые разработки в области газопоршневых двигателей соответствуют всем экологическим стандартам по эмиссии в любом из регионов. Установки компании Cummins Power Generation обеспечивают уровни эмиссии NOx менее 85 г/кВт. Они могут работать с соблюдением всех экологических норм без дополнительной очистки выхлопных газов. Используя дополнительное оборудование для подавления выбросов (Selective Catalytic Reduction), установки можно эксплуатировать в районах с повышенными требованиями по экологии. Преимуществами такого оборудования являются короткие сроки поставки и ввода в эксплуатацию (вдвое меньше чем установок на базе газовых турбин). Диапазон электрической мощности газопоршневых когенерационных установок составляет 300…17 000 кВт, тепловой – 450…18 000 кBт.

Установки на базе топливных ячеек. Топливные ячейки преобразуют энергию первичного топлива (чаще всего природного газа) в электрическую и тепловую энергию без использования традиционного процесса горения. Когенерационные установки на их базе являются экологически наиболее чистыми, но удельная стоимость таких установок, по сравнению с другими, намного выше. Большинство из реализованных проектов на базе данного оборудования находится в настоящее время в опытной эксплуатации.

 

Экологический фактор

Использование установок когенерационного цикла на предприятиях снижает потребность в электроэнергии из централизованных энергосетей. Поскольку большая часть энергии вырабатывается на муниципальных электростанциях с использованием каменного угля (США, ред.) в качестве топлива, сокращение энергопотребления от таких электростанций обеспечит резкое снижение выбросов парниковых газов в атмосферу. Это обстоятельство крайне важно для поддержания благоприятной экологической обстановки в каждом из регионов. Кроме того, применение когенерационных установок на предприятиях дает возможность снизить себестоимость продукции, а также обеспечивает экономию природных ресурсов.

 

Применение когенерационных установок

Передовые разработки и достижения в области когенерационных технологий значительно расширили область их применения – это медицинские и учебные учреждения, предприятия, теплицы, отели, коммерческие компании, стадионы и бассейны, детские сады и т. д.

Когенерационные установки, вырабатывая тепловую и электрическую энергию, обеспечивают экономию топлива более 35% по сравнению с традиционными способами производства энергии. Это открывает большие перспективы для развития данной технологии.