Зараз все частіше для енергозабезпечення сіл, селищ, малих міст, районів у містах, промислових підприємств впроваджуються технології когенерації на основі міні-ТЕЦ. Однією з таких технологій є будівництво газотурбінних установок з утилізацією теплової енергії (ГТУ).
ГТУ складається з двох основних частин: силової турбіни і генератора, які розміщуються в одному корпусі. ГТУ працює на газі, але в резервному або аварійному режимі може використовуватися дизельне паливо. Діапазон електричного навантаження, яку може покривати ГТУ: від 2 МВт. до 100 МВт. (хоча є деякі ГТУ з потужністю понад 100 МВт.).
ККД вироблення електричної енергії ГТУ досить низький, але це компенсується величиною вироблення теплової енергії. ГТУ здатна віддавати споживачу значну кількість теплової енергії – з коефіцієнтом ~ 1:2 по відношенню до електричної потужності. У деяких досить потужних ГТУ температура відхідних газів після турбіни досить висока для того, щоб отримувати пар і / або гарячу воду у великих кількостях.
При реконструкції енергооб’єктів або новому будівництві можна виділити кілька компонувальних рішень впровадження ГТУ:
- Будівництво ГТУ-ТЕЦ на окремому майданчику, нове будівництво.
- Встановлення ГТУ в діючій котельні, у вигляді надбудови.
- Розміщення ГТУ з паровими котлами-утилізаторами на діючій ТЕЦ замість існуючих парових котлів зі збереженням паротурбінної частини ТЕЦ.
Розглянемо конкретні випадки.
Досвід впровадження ГТУ-ТЕЦ на окремому майданчику при новому будівництві
У 2000 р. в Башкортостані (Російська Федерація) була побудована і введена в експлуатацію ГТУ-ТЕЦ. Електрична потужність станції – 4 МВт., теплова – 8,8 МВт., коефіцієнт використання тепла палива – не менше 75,4%. Станція побудована за півтора року, основним її призначенням є теплопостачання районного центру, а також підвищення надійності електропостачання як райцентру, так і прилеглих населених пунктів.
ГТУ-ТЕЦ забезпечує опалювальне навантаження районного центру, котлоагрегати в котельні знаходяться в резерві на випадок зупинки ГТУ-ТЕЦ, працює лише насосна станція котельні. Застосування установки дозволило знизити втрати в електричних мережах на 8-9%, що в значній мірі компенсувало відносно невисокий електричний ККД ГТУ-ТЕЦ (23,3%).
Кількість персоналу, безпосередньо зайнятого обслуговуванням ГТУ-ТЕЦ, становить 13 осіб.
Надбудова водогрійних або парових котелень ГТУ
Спільна робота ГТУ з водогрійними і паровими котлами в котельнях дозволяє забезпечити надійне електропостачання власних потреб, що в свою чергу підвищує надійність теплопостачання споживачів, а також знизити питомі витрати палива на одиницю одержуваної теплової та електричної енергії.
При широкомасштабній реконструкції котелень з розміщенням в них газотурбінних установок (ГТУ) їх встановлена сумарна електрична потужність в котельнях з тепловою потужністю понад 50 Гкал./год. в умовах помірно-континетального клімату може досягти 10-15 млн кВт.
Якщо порівнювати вартість електроенергії, що виробляється на ГТУ (без урахування утилізаційного теплового контуру), то вона на 30% і більше перевищує вартість електроенергії, одержуваної з централізованого джерела. Газові турбіни мають невеликий ККД (0,22-0,37 %), тому вони повинні використовуватися тільки з утилізаційними контурами.
Окупність модернізації котельні залежить від кількості електроенергії, що відпускається, від тарифів на електроенергію, капітальних витрат, витрат на експлуатацію і від кількості годин роботи при великих теплових навантаженнях. Найбільша ефективність використання ГТУ забезпечується при тривалій роботі з максимальним електричним навантаженням.
Основні проблеми, які можуть виникнути при надбудові котелень ГТУ
– необхідність спорудження сховищ резервного для ГТУ дизельного палива, тому що в котельнях резервним паливом є мазут;
– необхідність спорудження газокомпресорних дотискувальних станцій (ГТУ потребує газ з тиском 2,5 МПа), будівництво яких близько зони житлової забудови заборонено;
– велика витрата вихлопних газів ГТУ (вона обумовлена високим коефіцієнтом надлишку повітря в ГТУ) вимагає нової димової труби;
– високий рівень шуму;
– збільшується споживання газу, виникає необхідність отримання нових лімітів на газ;
– питомий вихід оксидів азоту на 1 кг спаленого палива в 3 рази більше у ГТУ, ніж в котельнях.
Основні плюси при надбудові котелень ГТУ, в порівнянні з незалежним будівництвом ГТУ:
– наявність майданчика (інфраструктури);
– оформленість джерела шкідливих викидів;
– наявність системи централізованого теплопостачання з конфігурацією мереж від існуючих котелень;
– можливість використання частини котлів котельні в якості пікових для ТЕЦ;
– близькість споживачів електричної енергії;
– менші початкові витрати і термін окупності.
Синхронна робота з енергосистемою. Надійність роботи міні-ТЕЦ
Існують проблеми підключення мікро- і міні-ТЕЦ (не тільки ГТУ) до відповідних комунікацій – систем централізованого електро-, тепло- і газопостачання. В першу чергу підключення є «дорогим задоволенням». Виникають також проблеми з продажем електричної енергії до електромережі, в якості варіанту вирішення проблем можливе створення локальних енергосистем з декількох ТЕЦ з резервуванням потужності і виходом на загальнодержавні мережі не кожного енергоджерела, а цвиключно місцевої енергосистеми. Витрати на здійснення таких проектів відносно невисокі при достатньому рівні надійності.
Необхідність резервування незалежних джерел енергопостачання погіршує їх економічні показники, при паралельній роботі з системою необхідна дорога і складна система синхронізації генератора з мережею.
Що стосується промисловості, то ТЕЦ може і не підключатися до мережі, забезпечуючи лише технологічні потреби виробничого процесу. Однак житловий сектор, у якого добовий графік споживання відрізняється істотною нерівномірністю, потребує резервування, тому що при автономній роботі можна не втримати частоту (різкі спад і падіння навантаження, вихід навантаження за можливі межі регулювання і т.д.). Системи автоматики дуже дорогі.
Найбільш істотним фактором, що визначає стійкість газотурбінних генераторів є значно менший момент інерції газової турбіни в порівнянні з паровою.
Висновки
Переваг застосування ГТУ в будь-якому селищі, місті, районі визначається конкретними умовами: споживана теплова та електрична потужність, існуючі джерела та комунікації, щільність забудови, поверховість та інші фактори.
Впровадження тих чи інших технологічних рішень повинно визначатися конкуренцією різних проектів. Конкурувати повинні проекти на основі різних технологій і технологічних рішень: ГТУ, газопоршневі установки, ТЕЦ, котельні, теплові насоси та багато іншизх.
Як показує практика, в деяких випадках нема потреби фінансування нових високотехнологічних енергогенеруючих станцій, достатнім заходом буває реконструкція або модернізація вже існуючих станцій із застосуванням новітніх технологій. Чим більше розглядається варіантів і краще прораховується перспектива, тим більша ймовірність, що буде прийнятий оптимальний варіант.
В останні роки проблема відсутності пікових потужностей (електричних і теплових) в муніципальних поселеннях постає досить гостро. Застаріле і зношене обладнання генеруючих станцій, передавальні мережі, а також зростання енергоспоживання в великих містах з кожним роком тільки ускладнює проблему. Однією з можливостей вирішення проблеми покриття пікових потужностей може бути будівництво ГТУ. Час запуску в установок досить короткий, тим самим можна досить швидко реагувати на зростання пікових потужностей. При надбудові котельні за допомогою ГТУ з’являється можливість отримувати додаткову електричну енергію в межах міста, тим самим розвантажуючи інші електростанції.
Основна проблема ГТУ – надзвичайно низький електричний ККД, особливо при малих потужностях. Слід враховувати і той факт, що в більшості ГТУ при зменшенні навантаження до 50%, електричний ККД газової турбіни значно знижується, також відбувається підвищений знос устаткування. Тому при плануванні впровадження ГТУ повинен враховуватися графік її 100% завантаження.
Використання ГТУ економічно виправдано при підборі установки під покриття теплового навантаження на гаряче водопостачання. Цим самим забезпечується 100% навантаження ГТУ, а котельні, що працюють в опалювальний сезон, в літній час відключаються.
Незважаючи на складнощі, які виникають при будівництві і експлуатації ГТУ, установки такого типу можуть вирішити проблемні завдання по надійному тепло- і електропостачання промислових споживачів або житлових районів. У муніципальних поселеннях при виділенні фінансових коштів на реконструкцію або модернізацію систем енергопостачання варто більш детально розглядати проекти впровадження ГТУ.
