Теплофикациятеплоэлектроцентралей (ТЭЦ)
Теплофикация- энергоснабжение тепловых и электрических потребителей на базекомбинированного производства тепла и электроэнергии в одной технологическойустановке. Переход с раздельного производства энергии на теплофикацию позволяетувеличить коэффициент полезного использования топлива (КПИТ) в 1,5 раза с55 % до 83 %.
Используемоепри теплофикации тепло, как правило, является продуктом отходов производствапри выработке электроэнергии или сжигании мусора. Вместо того, чтобы бесполезноотдавать это тепло в окружающую среду, его можно применить для обогрева зданийи целых кварталов города. Чем дальше удалено местонахождение источника отпотребителя, тем больше тепла теряется при транспортировании. Поэтому длятеплофикации предпочтительнее использовать электростанцию небольшой мощностивблизи районов концентрации населения, чем крупные, но удаленные от местпотребления. Таким образом, преимущество теплофикации состоит в том, что,наряду с экономией производственного пространства, достигается лучшееиспользование произведенной энергии, и поэтому стоимость такого тепласравнительно низка.
Так какподобные энергетические установки могут быть одновременно поставщиками кактепла, так и электрического тока, их общий к.п.д. достигает 80%. Например,теплофикационные установки блочного типа обеспечивают теплом многие жилыекварталы городов. Однако в настоящее время лишь незначительная частьдействующих мощностей таких энергетических установок используется наилучшимобразом.
Когенерация — передовая технология, позволяющая вырабатывать электричество и тепло. Особенноэффективна она при наличии дешевого топлива и минимальной удаленностигенератора от потребителя.
Когенерация(теплофикация) — это способ одновременного получения электрической и полезнойтепловой энергии от сжигания топлива. Для максимального сниженияэксплутационных расходов произведенные виды энергии необходимо использоватьполностью.
Насегодняшний день наиболее дешевым видом топлива является природный газ. Егопотребление в процессе теплофикации особенно эффективно при соблюдении трехусловий:
— надежностьи низкая цена поставки «голубого топлива» в места переработки;
— дефицитэлектроэнергии и, соответственно, высокие цены за кВт/час;
— близостьпотребителя.
Главноепреимущество когенератора перед обычными теплоэлектростанциями заключается втом, что он преобразует энергию с большей эффективностью. Система когенерацииработает с наименьшими тепловыми потерями. Уменьшаются также производственныерасходы.
Когенераторпредставляет собой эффективную альтернативу тепловым сетям благодарявозможности гибкого изменения параметров теплоносителя в зависимости оттребований в любое время года. Он вырабатывает электрическую и тепловую энергиюв соотношении 1:1,6.
Когенераторне зависим от финансового состояния дел в энергетических компаниях. Доход(экономия) от реализации энергоносителей покрывает все расходы на теплофикатор.Капитальные вложения в когенератор окупаются быстрее средств, затраченных на подключениек тепловым сетям. Таким образом, обеспечивается быстрый и устойчивый возвратинвестиций.
Теплофикационныеприборы хорошо вписываются в электрическую схему отдельных потребителей и припараллельном подключении в электросети города. Они покрывают недостатокгенерирующих мощностей, позволяют избавиться от перегрузок и предоставляютвозможность присоединения новых районов.
Устройствотеплофикационного прибора.
Когенераторсостоит из газового двигателя, генератора, системы отбора тепла и системыуправления. Теплоноситель может отбираться из газовыхлопа, масляногохолодильника и охлаждающей жидкости двигателя. При этом в среднем на 100 кВтэлектрической мощности потребитель получает 150–160 кВт тепловой в виде горячейводы (90-129 °С) для отопления и ГВС.
Длявыравнивания пиков и провалов тепловых нагрузок необходимо предусмотретьтепловые аккумуляторы.
Системыкогенерации электрической мощностью 150-3200 кВт и тепловой – 240-5120 кВтмогут устанавливаться в относительно небольших помещениях, причем существующиекотлы и водогреи могут использоваться как дополнительные или запасные источникитепла. Так же можно задействовать и местные энергосистемы.
Благодарятеплофикационным приборам успешно решается проблема обеспечения потребителейдешевой электрической и тепловой энергией. Кроме того, независимоеэлектроснабжение влечет за собой ряд преимуществ.
Потребление.
Электричество,получаемое при когенерации, имеет стандартные параметры (трехфазный ток 50 Гц,стандартное напряжение 0,4-10 кВ) и легко реализуется на рынке.
Требования ктепловой энергии отличаются большим разнообразием. Они зависят от видатехнологического процесса или графика потребления тепла по суткам и сезонам.Более того, требования потребителя могут не совпадать с имеющимися стандартами.
Вот почемуосновная задача при проектировании теплофикационных объектов заключается вмаксимальном согласовании совокупной энергии с требованиями заказчика. Онасчитается выполненной, если характеристики всего производящего и потребляющегооборудования сети грамотно скоординированы.
Например,газопоршневые машины являются источниками электроэнергии и горячей воды (+90°С) и иногда пара, низкого (в 1 атм, получаемого из теплообменников двигателя)или высокого давления (получаемого от выхлопной системы). В ряде случаевостаточное тепло используется в низкотемпературных производственных процессах,таких как сушка, дубление, обработка пищевых продуктов, обогрев помещений инагревание воды в зданиях.
Прирассмотрении проекта применения когенератора для нужд производства необходимоизучить работу всех тепловых технологических контуров, поскольку можетоказаться возможным непосредственное использование низкопотенциального теплатеплофикатора.
Использованиекогенераторов в центральной части крупных городов позволяет увеличиватьпоставки электроэнергии без реконструкции старых перегруженных сетей. При этомзначительно улучшается качество энергоносителей.
Автономноефункционирование устройства дает возможность поддерживать стабильныетеплоэлектрические параметры, такие как напряжение, частота и температура,качество воды.
Потенциальнымипотребителями энергии могут быть заводы, больницы, объекты жилищной сферы, атакже газоперекачивающие, компрессорные станции, котельные и т. д.
Когенерациярешит проблему обеспечения населения теплом и электроэнергией бездополнительного строительства мощных высоковольтных линий передач итеплопроводов. Близость когенерационных установок к потребителю позволяетзначительно снижать потери при транспортировке энергии и улучшать ее качество,повышая коэффициент использования природного газа.
Используякогенераторы, местные власти могут более гибко выстраивать отношения сгенерирующими компаниями-монополистами. В некоторых регионах стоимостьподключения нового абонента сопоставима с ценой теплофикатора с одинаковымиэнергетическими параметрами. Капитальные затраты на приобретение устройствавозмещаются в течение трех-четырех лет за счет низкой себестоимости энергии, арасходы на подсоединение к сетям теряются при передаче вновь построенныхстанций на баланс энергетиков.
По сравнениюс обеспечением от централизованных сетей, энергоснабжение от теплофикационныхприборов снижает ежегодные траты примерно на 100 долл. за каждый кВтноминальной электрической мощности в случае, когда он работает в базовом режимегенерации энергии (при 100 % нагрузки круглый год). Такое возможно, есликогенератор питает нагрузку в непрерывном цикле функционирования и если ондействует параллельно с сетью.
Последнеерешение выгодно также генерирующим компаниям, поскольку они приобретаютдополнительные мощности без финансовых вложений. Более того, энергетики имеютвозможность купить дешевую электроэнергию для последующей перепродажи третьимлицам.
Притрадиционном производстве электроэнергии масштабные потери энергии (до65 %) происходят в паротурбинных генераторах, где в качестве топливаиспользуются уголь, мазут, газ, ядерные компоненты и т. д. Энергия теряется приохлаждении в градирне. КПД газотурбинной установки редко превышает38-40 %. Применение теплофикационных систем способно утилизировать избыткитепла и направлять их на нужды потребителя.
К методамтеплофикации можно отнести использование газотурбинных установок скотлами-утилизаторами или когенераторов на базе первичного газового(дизельного) двигателя внутреннего сгорания с электрогенератором на валу, гдеприменяются комплексные устройства переработки оставшейся от первичного циклатепловой энергии. Таким образом, обеспечивается автономность производстваэлектричества, снижающая его цену. На 1000 кВт в среднем можно получить 150-160кВт тепловой мощности в виде горячей воды для нужд отопления и горячеговодоснабжения.
При всехпреимуществах данной технологии к выбору систем теплофикации следует подходитьсерьезно. Необходимо учитывать доступность и цену топлива, местные климатическиеусловия и потребность в тепле. Важно убедиться в надежности и качествеимеющегося в арсенале оборудования. Потребуется предварительный тщательныйтехнико-экономический анализ, по результатам которого можно принимать решенияпо инвестициям, выбору методологий установки и типов оборудования. Следуетучитывать условия взаимодействия с внешними инженерными сетями, в первуюочередь — электрическими.
Возникновениеидеи централизованного теплоснабжения относится к 80-м годам XIX века. В 1877году в г. Локпорте в США была сооружена первая установка для централизованноготеплоснабжения. Однако в США длительное время (до 1937 года) централизованноетеплоснабжение не связывалось с организацией комбинированной выработкиэлектроэнергии, то есть не являлось теплофикацией.
В 1893 годуфирма «Сименс-Шуккерт» построила в Гамбурге первую в Германиитеплоэлектроцентраль. По теплотрассе длиной около 250 м производилось отопление новой ратуши. Паровые машины имели мощность 100-500 л. с. при рабочемдавлении пара 6,5 атм.
В 1900 годубыла пущена в работу первая районная теплофикационная установка в Германии (г.Дрезден). В 1907 году фирмой AEG была создана первая паровая турбина с отборомпара.
Теплоснабжающиепредприятия в Республике Беларусь — одни из крупнейших потребителейорганического топлива. Его доля составляет 46 % общего потребления всехвидов топлива, расходуемого в стране, что примерно в 2 раза больше, чемтопливоемкость электроэнергетики, и соизмеримо с топливоемкостью всех остальныхотраслей народного хозяйства.
Анализируяположительные и отрицательные стороны теплофикации, способствуя умножениюпервых и устранению вторых, представляется целесообразным продолжать наращиватьусилия по увеличению поставок тепла от теплофикационных систем на белорусскийрынок. Практически это может быть достигнуто путем сочетания двух направлений.
Первоенаправление — обновление, техническое перевооружение и реконструкциядействующих теплофикационных систем. При этом, прежде чем приступить к обновлениюдействующих систем, следует проверить целесообразность их дальнейшегофункционирования в существующем виде. В одних случаях системы от отдельныхисточников тепла экономично объединять для совместной работы, полностьюисключая при этом необходимость содержания резервногоэнергооборудования.
В другихслучаях, когда зона охвата города тепловыми сетями велика, а их техническоеперевооружение или ремонт требуют неоправданно больших капиталовложений,систему предпочтительно делить.
Второенаправление — освоение новых технологий, новых типов энергоисточников преждевсего в населенных пунктах, где нет в настоящее время ТЭЦ и ГРЭС, за счетвытеснения морально и физически стареющих городских котельных путем внедренияновых полностью автоматизированных паросиловых, газотурбинных и парогазовыхТЭЦ.
Для будущеготеплофикации очень важно также создать благоприятные для нее экономическиеусловия, которые ориентировали бы производителей и потребителей тепла не насиюминутные экономические выгоды, связанные с произвольным ценообразованием итарифами в условиях несовершенного законодательства и налогообложения, а наосуществляемые в интересах национальной экономики и общества в целом экономиюресурсов и защиту окружающей среды.
Существующийтехнико-экономический анализ работы ТЭЦ совершенно не отвечает технологиипроизводства низкопотенциального сбросного тепла и электрической энергии. Методценообразования на сбросное тепло необходимо пересматривать. Ответы на эти имногие другие парадоксы в энергетике кроются в абсурдности существующего методаценообразования на энергию, в оторванности тарифной политики от технологиипроизводства тепловой и электрической энергии.
Методологическиенедостатки отечественной тарифной политики.
Всуществующей тарифной политике на тепловую и электрическую энергию заложено 6видов логических ошибок, определяющих недостатки сегодняшней тарифной политикиприменительно к “энергетике крупного города”.
Мы пытаемсяодной мерой оценить стоимость двух различных видов энергетической продукции: мощностиво времени предоставляемой тепловой и электрической энергии; количества запериод отпущенной тепловой и электрической энергии.
Отсутствует(неразвита) система классификации видов энергетической продукции по качеству,количеству.
Отсутствуют(неразвит) принцип авансирования затрат на соответствующий вид энергетическойпродукции.
Прикомбинированном производстве тепловой и электрической энергии на ТЭЦ принятыйна сегодня метод разделения затрат топлива на тепловую и электрическую энергиюне отвечает технологии производства энергии на ТЭЦ.
Мы нестимулируем экономичного потребителя на комбинированное потребление тепловой иэлектрической энергии, получаемой по комбинированному способу на ТЭЦ, а такжене принуждаем неэкономичного потребителя к изменению технологии потребленияэнергии (мы вынуждены принуждать все общество).
Мы неосуществляем анализ и нормирование расходов топлива, закладываемых в тарифы дляконкретного типа потребителей тепловой и электрической энергии.
Самым главнымнедостатком существующей тарифной политики является то, что тарифы не отражаюттехнологическую суть производства энергии как по качеству, так и по количеству.Предметом рыночных отношений является не просто количество потребленнойэнергии, а предоставление мощности в определенное временя. На рынокэнергетических услуг предоставляется два вида энергетической продукции:
Возможностьиспользования заявленной энергетической мощности в определенное время;
Количествопотребленной энергии. При этом методологически нет никакой принципиальнойразницы, на какой вид энергии предоставляются услуги - тепловую илиэлектрическую.
Недостатоксуществующего ценообразования заключается в том, что цена не отражает качестваэнергии. Если для электроэнергии разработан государственный стандарт, то, какни парадоксально, мы находимся только на пороге формирования требований ккачеству производства и продажи тепловой энергии. Согласно требованиямГражданского кодекса, поставлены и сформулированы задачи по определениюкачества и надежности теплоснабжения. Так, если для котельной нетпринципиальной разницы, когда производится тепло - летом илизимой, - то для ТЭЦ это различные технологии. Если летом для горячеговодоснабжения можно использовать бросовое тепло, поступающее на градирни ТЭЦ,то зимой для отопления жилья отработанного тепла уже не хватает, и необходимозатрачивать дополнительные первичные источники энергии. Если же летом тепло отТЭЦ не купят, то она все равно это тепло выбросит в окружающую среду или жепросто остановится в вынужденный резерв из-за отсутствия теплового потребления.
Одна изосновных ошибок существующего метода ценообразования заключается в том, что дляпростоты калькуляции рассчитываются не конкретные тарифы для характерныхрежимов энергоснабжения, а средневзвешенные, среднегодовые тарифы. Хотясреднегодовая цена тепла у ТЭЦ ниже чем у котельной, все равно она нестимулирует промышленных покупателей тепловой энергии пойти на то, чтобы несжигать топливо на своих котельных и по обоюдовыгодной цене использоватьсбросное тепло от ТЭЦ.
Абсурдностьсуществующих тарифов заключается и в том, что цена не отражает количествопотребленной энергии по времени. Так, при равномерном потреблении 1000 Гкал втечение года достаточно источника тепла с мощностью 0.11 Гкал/час. Дляпроизводства этого же количества тепла, требуемого для того, чтобы обеспечитьзимний максимум нагрузок за расчетную пятидневку требуется уже8.3 Гкал/час. Разница мощностей установленного оборудования составляет73-кратную величину. Соответственно нужны дополнительные специалисты, площади,оборудование. Оборудование находится в резерве 97% времени и работает только 3%времени, а стоимость покупки энергии одинакова в обоих случаях. Но для обществанет никакой разницы в оплате затрат.
Тепловыенасосы в отопительном процессе могут использоваться в водо- ипароподогревателях. Еще несколько лет тому назад они представляли собой лишьориентиры в экономии энергии. Сейчас они нашли уже довольно широкое применение.Однако не во всех случаях тепловые насосы позволяют экономить энергию. Особенноэто касается тепловых насосов с электроприводом, которые потребляютзначительное количество электроэнергии. Совсем по-другому обстоит дело прииспользовании двигателей внутреннего сгорания с дизельным или газовым топливом,равно как и абсорбционных тепловых насосов.
Принципработы.
Тепловойнасос по принципу работы не отличается существенно от холодильника, где тепло спомощью вспомогательного источника энергии извлекается из объема охлаждаемоготела и передается в воздух помещения. Тепловой насос «качает» энергию изокружающего воздуха, земли или воды и использует это тепло для подогрева воды иотопления. В зависимости от привода различают компрессионные и абсорбционныетепловые насосы.
Тепловойнасос извлекает энергию из окружающей среды при относительно низкихтемпературах. Для использования этой энергии при отоплении или паро- иводоподогреве температурный уровень энергии необходимо повысить. Это может бытьсделано, например, путем сжатия пара.
Электрическиекомпрессионные тепловые насосы осуществляют сжатие пара за счетэлектродвигателей небольшой мощности.
Газокомпрессионныетепловые насосы обеспечивают сжатие пара путем использования небольшогогазового мотора.
Посколькууносимое мотором тепло может вовлекаться в циркуляцию, осуществляемую тепловыминасосами, выработанная первичная энергия используется хорошо. Так, из 100%произведенной первичной энергии с учетом использования энергии окружающей средыможно получить до 160% полезной энергии.
Компрессионныетепловые насосы с дизельными моторами сравнимы с газовыми тепловыми насосами,однако здесь возникает проблема с отводом выхлопных газов.
Абсорбционныетепловые насосы, в сущности, отличаются от компрессионных тепловых насосовтолько элементами привода. Сжатие осуществляется не при помощи двигателя, арабочим телом и теплом сгорания жидкого или газового топлива. Так какабсорбционные тепловые насосы почти не имеют подвижных элементов, ониотличаются высокой долговечностью (большим рабочим ресурсом).
Абсорбционныетепловые насосы весьма перспективны для отопления жилых домов, поскольку ихузлы невелики по размерам и в серийном производстве недороги.
Источникитепла.
Все тепловыенасосы используют тепло окружающей среды, источником которого, в конечномсчете, является солнечное излучение. В результате сжатия испаряющейся жидкостинасос переходит на высокий температурный уровень. Так как все же со снижениемтемпературы окружающей среды расход электроэнергии сильно повышается, некоторыеприродные источники тепла не могут в течение всего года использоваться экономно.
Областьприменения тепловых насосов в системе теплофикации.
Законодателям,определяющим энергетическую стратегию региона, необходимо полностью отказатьсяот услуг так называемого “физического метода” распределения экономии топлива иперейти на применение “эксергетического метода” анализа. Методические указанияпо составлению отчета электростанции о тепловой экономичности оборудованиядолжны быть пересмотрены и должны отвечать технологической сутикомбинированного производства энергии. Чем ниже температура сетевой воды,используемой тепловым потребителем, тем меньше требуется топлива на ТЭЦ для егодополнительного производства как тепловой, так и электрической энергии.
Низкотемпературноетепло на уровне 45 °С как раз и является той экономической нишей, где применениетепловых насосов технически и экономически выгодно. Не надо строитьдополнительных теплообменников для забора тепла из систем охлажденияконденсаторов! Достаточно забирать это тепло непосредственно в центре тепловыхпотребителей из обратной сетевой воды, “захолаживая” обратную сетевую воду от45-70° С до температуры +10°С. Цена на это тепло должна зависеть от числачасов использования сбросного тепла. Если же это тепло не будет забираться вчасы максимума тепловых нагрузок, то цена должна быть в 10-20 раз ниже ценыпикового тепла.
Тепловыенасосы и теплофикация являются взаимно исключающими и взаимно дополняющимиэнергосберегающими технологиями. Теплофикация является более эффективнымтехнологическим решением, чем тепловые насосы. Применять тепловые насосынепосредственно на ТЭЦ, ГРЭС, где имеются круглогодичные сбросы тепла вградирни, пруды охладители, нет никакого смысла. Греть воду, получать парнеобходимых параметров необходимо производить непосредственно с отборов паровыхтурбин, без сложной трансформации тепла с помощью тепловых насосов. Однако,если на ТЭЦ имеются сбросы тепла в атмосферу или водоем, то можно применятьтепловой насос для сверхбалансовой нагрузки, непосредственно забирая тепло изобратной сетевой воды у удаленного потребителя по цене сбросного тепла. Этоозначает, что, если на ТЭЦ имеется сбалансированная тепловая и электрическаянагрузка, то область применения тепловых насосов возможно только в те периоды,когда нет пиковых нагрузок. Для условий г. Омска этот внепиковый период временисоставляет порядка 7000-7500 часов.
Экономическаяниша в схеме балансов тепловой и электрической энергии на ТЭЦ позволяет сделатьтехнологический прорыв в применении тепловых насосов в “Энергетике крупногогорода”. Так, с применением тепловых насосов можно и нужно:
— значительнорасширить область комбинированного производства и комбинированного потреблениятепловой и электрической энергии;
— пересмотретьконцепцию теплоснабжения населения городов:
— базоваянизкотемпературная нагрузка до 115° С — от теплофикационных отборов ТЭЦ;
— пиковаянагрузка — от пиковых котельных, абсорбционных тепловых насосов, компрессионныхтепловых насосов, находящихся в центре тепловых нагрузок;
— применятьнизкотемпературный транспорт базовой нагрузки тепловых сетей по графику: дляполубазовых нагрузок ТЭЦ – 65-10° С, для пиковых нагрузокТЭЦ – 115-10° С, для пиковых нагрузок тепловыхсетей - количественно - и качественное регулирование;
— использоватьполиэтиленовые трубы для невысоких температур до 95° С и невысоких давленийдо 0.6 Мпа;
— применятьтрехтрубные системы: две трубы - отопление, третья труба- толькодля горячего водоснабжения;
— получатьпар из сетевой воды и закрыть сотню низкоэффективных паровых котельных.
Список использованныхисточников
1. Гительман Л.Д, Ратников Б.Е. Энергетическийбизнес. – М.: Дело, 2006. – 600 с.
2. Основы энергосбережения: Учеб. пособие / М.В.Самойлов, В.В. Паневчик, А.Н. Ковалев. 2-е изд., стереотип. – Мн.: БГЭУ, 2002.– 198 с.
3. Стандартизация энергопотребления — основаэнергосбережения / П.П. Безруков, Е.В. Пашков, Ю.А. Церерин, М.Б. Плущевский//Стандарты и качество, 1993.
4. www.cogeneration.ru
5. www.open.by