Когенерація: як це працює. Огляд ринку.. German Energy Systems (GES Ltd.

17.08.2015

Когенерація: як це працює. Огляд ринку.

Автор : Віктор ПАНЬКІВ, журнал «МЕРЕЖІ І БІЗНЕС» №4 (53), 2010 рік.

Когенераційні установки не тільки дорога високотехнологічна іграшка для компаній, що їх використовують. Це данина нашому часу, коли доводиться берегти енергоресурси.

Спільне виробництво теплової і електричної енергії практикується вітчизняними енергетиками вже давно, оскільки дозволяє значно збільшити ефективність використання палива. Даний процес отримав у нас назву теплофікація. «Заморський» ж термін когенерація з’явився значно пізніше. Слід зауважити, що обидва поняття, принаймні для нашої країни, не зовсім тотожні, оскільки принцип роботи та структура когенераційних систем схожа на роботу паротурбінних теплоелектроцентралей (ТЕЦ), але має деякі відмінності. В когенераційних установках для вироблення теплової енергії використовуються вихлопні гази двигунів різної будови, які через теплообмінник віддають енергію в магістраль, а в ТЕЦ для тих же цілей використовується перегрітий пар, нагріте теплом від спалювання палива в спеціальних котлоагрегатах.

Хоча слід зауважити, що в ЄС на ці відмінності ніхто не звертає уваги, адже головне, що обидва види енергії виробляються одночасно. Тому всі подібні системи мають назву CHP-plant (Combined Heat and Power plant — завод зі спільного виробництва тепла та електроенергії).

Підприємства, побудовані зусиллями держави для виробництва електричної і теплової енергії, мають величезну потужність (тисячі МВт) і здатні забезпечувати теплом і світлом цілі міста. Частка даних об’єктів в енергетиці держави досить істотна (рис. 1).

Когенерація: як це працює. Огляд ринку.. German Energy Systems (GES Ltd.

Малюнок 1 — Розподіл потужностей української енергетики за даними міністерства палива та енергетики України за 2009 рік

Три кити когенерації

Головним чинником, який змушує переходити на альтернативні засоби постачання теплом і електроенергією, є зношеність тепло — і електромереж, а також низька якість електроенергії. Цією альтернативою стали когенераційні установки малої потужності, так звані міні-ТЕЦ, здатні забезпечити тепловою і електричною енергією окремі будівлі або підприємства.

Розрізняють когенераційні системи на базі газотурбінних і газопоршневих установок, мікротурбін. Рідше використовуються двигуни, що працюють на дизельному паливі. Ще одним критерієм класифікації може служити вид палива. Справа в тому, що походження газу буває різним. Серед інших особливо перспективними вважаються шахтний метан, біогаз і звалищний газ.

До речі, когенераційні системи використовуються не тільки за прямим призначенням. У тепличних підприємствах вони виконують роль установки по виробництву2 для підвищення врожайності.

1. Газотурбінні установки (ГТУ) (рис. 2 ) свідомо поставлені першими в списку, оскільки вони здатні забезпечити найбільш широкий діапазон електричної потужності — від десяти до декількох десятків мегават.

У таких установках потік газу, утворений в результаті згоряння палива, впливаючи на лопатки турбіни, створює крутний момент і обертає ротор, який, у свою чергу, з’єднаний з генератором.

Когенерація: як це працює. Огляд ринку.. German Energy Systems (GES Ltd.

Малюнок 2 — Газотурбінна установка Solar C50 електричною потужністю 4,6 МВт і теплової 11,05 МВт, загальний ККД дорівнює 80%

Електричний ККД (частка електроенергії від загальної енергії згоряння палива) систем подібного типу може досягати 39%. ГТУ, як правило, виробляють в два рази більше теплової енергії, ніж електричної (при цьому загальний ККД не перевищує 90%). Їх безперечною перевагою є можливість роботи як на рідкому (дизельне паливо, гас), так і на газоподібному паливі різного походження, в тому числі низькокалорійному (з вмістом метану менше 30%). Установки великої потужності можна використовувати разом з паровими турбінами. У цьому випадку їх електричний ККД сягає 59%. Газотурбінні установки можна використовувати в багатьох галузях народного господарства, але основні сегменти споживання — це все ж нафто — і газовидобувна сфери, металургійна промисловість, а також енергетика.

2. Мікротурбінні установки рис. 3 ) працюють за тим же принципом, що і ГТУ, але мають менші розміри і, відповідно, потужність. Також відмінною рисою когенераційних установок на базі мікротурбін є компактність конструкції (рис. 4 ), що дає безперечну перевагу при реалізації проектів в обмеженому просторі, наприклад, в будівлях. Як можна бачити з рис. 4, вся когенераційна система компактно розташовується всередині шумозащитного кожуха, назовні виведені тільки система вихлопу і теплова магістраль. Електричний ККД, як правило, не перевищує 35%, а теплової дорівнює приблизно 50%. Максимальна потужність одиничного блоку становить близько 250 кВт.

Когенерація: як це працює. Огляд ринку.. German Energy Systems (GES Ltd.
Когенерація: як це працює. Огляд ринку.. German Energy Systems (GES Ltd.

Малюнок 3 — Схема когенераційної установки на базі мікротурбіни

Малюнок 4 — Микротурбинная установка Capstone C200 електричною потужністю 200 кВт

3. Газопоршневі установки (ГПУ) не потребують особливого представлення. Це агрегати, що працюють від двигунів внутрішнього згорання, паливом для яких є газ. Фактично це аналог дизель-генераторних електростанцій, які, до речі, також можна переробити під даний вид палива.

Електричний ККД газопоршневих установок досягає 40%, що дещо вище, ніж у ГТУ, а ось тепловий ККД нижче — 50%. Меншим є також стелю потужності, який становить близько 9 МВт. Загальна схема когенераційної системи на базі газопоршневої установки показана на рис. 5 .

Когенерація: як це працює. Огляд ринку.. German Energy Systems (GES Ltd.

Малюнок 5 — Загальна схема когенераційної установки на базі ГПУ

Що таке ТЕЦ?

Когенерація: як це працює. Огляд ринку.. German Energy Systems (GES Ltd.
Теплоелектроцентралі — це теплові електростанції, що виробляють, крім електроенергії, тепло у вигляді пари і гарячої води. Конструктивно одиничний енергоблок паротурбінної ТЕЦ складається з котлоагрегату і турбоагрегату. У першому при спалюванні палива (мазут, газ, вугілля) виробляється перегрітий пар, який потім постачається в турбоагрегат, де обертає лопаті парової турбіни, яка, в свою чергу, приводить в обертання ротор електрогенератора. Надлишковий пар відводиться з турбіни в теплообмінник і служить джерелом тепла для нагрівання води. Типова структура ТЕЦ представлена на малюнку.

Розрізняють ТЕЦ промислового типу — для постачання теплом промислових підприємств, та опалювального типу — для опалення житлових і громадських будівель, а також для постачання їх гарячою водою.

Фізично ТЕЦ можуть бути розміщені в межах міста, хоча це і створює загрозу здоров’ю населення прилеглих житлових масивів. Найчастіше ці об’єкти винесені на певну відстань за населені пункти. Теплова енергія від промислових ТЕЦ надходить споживачам через теплотраси довжиною до декількох кілометрів (переважно у вигляді пари), від опалювальних — на відстань до 20-30 км (у вигляді гарячої води).

Останній факт, а саме протяжність тепломереж, є величезним недоліком системи центрального теплопостачання, коли безліч об’єктів забезпечується теплом від єдиного, нехай потужного джерела. З електроенергією, ясна річ, набагато простіше, а ось травичка, зелена над теплотрасою навіть в сильний мороз, служить наочною ілюстрацією колосальних втрат у тепломережах.

Переваги та недоліки

Кожен з перерахованих типів електростанцій володіє своїми перевагами і недоліками, які дозволяють використовувати їх у відповідних галузях. Так, газотурбінні електростанції знайшли застосування переважно важкої та добувної промисловості, де постійно потрібні великі потужності. Використання даних агрегатів в інших галузях народного господарства, наприклад, у комунальній сфері, не є доцільним. Негативні фактори — значний рівень шуму і неможливість масштабування системи. Адже для комунальних потреб часто достатньо 20-30 МВт (тобто приблизно 2-3 ГТУ 10 МВт). Крім того, для газотурбінних установок потрібен персонал високої кваліфікації. Вони складні в обслуговуванні, потрібно значний час для введення системи в експлуатацію та необхідність зупинки в разі поломки або регламентного ремонту, що пов’язано з особливостями робочого циклу.

Все вищесказане стосується також і микротурбинных установок. Але останні все ж використовуються як для комунальних потреб, так і когенераційних системах корпоративних споживачів. Їм віддається перевага перед газопоршневыми установками, якщо потрібно, в основному, теплова енергія та постійна робота системи.

Самими затребуваними агрегатами для побудови когенераційних систем стали газопоршневі установки. Вони завоювали популярність перш за все за рахунок відносної простоти обслуговування і легкості управління, більш низької вартості і більш високого показника повного ККД (сума електричного і теплового ККД).

А у нас на звалищі газ…

Важливим чинником впровадження когене-раціонних установок стала можливість використання альтернативних джерел палива. Серед останніх можна виділити біогаз, шахтний метан і так званий звалищний газ. На ці види палива наша країна особливо багата.

Біогаз одержують шляхом анаеробного (без присутності повітря) розкладання рослинних відходів, а також фекальних мас – відходів тваринницьких господарств або відходів життєдіяльності населення великого міста. Подібні системи активно впроваджують за кордоном. Для цього споруджують спеціальний реактор, в який періодично завантажують свіжу сировину, а далі все як звичайно.

Звалищний газ – також продукт анаеробного гниття, але вже сміттєвих відходів.

Маючи неосяжні простори сміттєвих звалищ, значна кількість відходів сільського господарства і стічних вод великих міст, а також вугільні шахти, що випускають метан, часто є причиною загибелі шахтарів, мільйонами тонн в атмосферу, Україна потенційно могла б значно збільшити частку когенерації в енергетиці і заощадити дорожчають енергоресурси. Але все виявилося не так просто.

Система когенерації, що працює на біогазі, потребує постійного завезення значної кількості відходів тваринництва, що потребує певних логістичних схем, договорів з постачальниками сировини і т. д. Причому, як виявилося, сировину сировини ворожнечу. Приміром, вигодувані на прискорювачах курочки не дають послід потрібного складу (не газоносний він). Використання ж стічних вод великих міст на даний момент просто неможливо. Про стан відстійників та іншої інфраструктури говорити не будемо, і так вже достатньо сказано. Так що і тут труднощів предостатньо.

З свалочным газом і того гірше. Адже для його виробництва необхідно певним чином готувати звалище.

Ha першому етапі будівництва створюється котлован, розрахований приблизно на двадцять років використання. На дні котловану укладають шар глини товщиною в один метр або поліетиленова плівка для запобігання проникнення забруднених вод у грунт. Сміття вноситься в котлован порціями в спеціальні клітинки, що відповідають добовій нормі його надходження на звалище. Кожна така комірка ізолюється глиною від інших.

Після заповнення котловану сміттям, його закривають ізолюючим шаром глини, плівкою (для запобігання травлення газу), засипають землею, зверху висаджують траву. Котлован також доповнюється інженерними спорудами для відведення рідких і газоподібних продуктів розкладання сміття.

Після цього в ньому буряться свердловини зразок використовуються в родовищах газу. Отриманий газ передається по трубопроводах на електростанції, котельні, печі випалу, мікротурбіни і т. д.

За перші місяці закритого котловану виходить в основному, CO2. Потім починає виділятися звалищний газ. Цей процес може тривати від 30 до 70 років. Але після 25 років вироблення метану починає скорочуватися. А правильно організований котлован може бути використаний повторно.

Але в нашій країні поки не знайшлося сміливців, готових витратити капітал на подібне підприємство. Загалом, альтернативна енергетика поки розвивається поганенько, і найперспективнішим напрямком виявилося застосування когенерації у ЖКГ та на підприємствах з використанням магістрального природного газу.

Виробники і проекти

До початку двадцять першого століття вироблення більшості енергетичних об’єктів в Україні перевалила за 100% заявленого ресурсу. Також примарою попереду замаячив зростання цін на енергоносії (в першу чергу на газ та нафту). І все це на тлі зростання енергоспоживання як підприємствами, так і населенням.

Паличкою-виручалочкою в сформованій ситуації повинні були б стати енергозберігаючі технології та альтернативні джерела енергії. І якщо друге завжди було занадто дорого, то енергозберігаючі технології, у числі яких на першому місці стоїть когенерація як спосіб значного збільшення ККД енергогенеруючих установок, були доступнішими. Тим більше що вітчизняне машинобудування мало потужності з випуску газотурбінних двигунів«Мотор-Січ», «Сумське машинобудівне НВО»), а також серійно перероблених у газопоршневі дизельних установок («Первомайськдизельмаш»). З появою попиту на українському ринку когенераційних систем незабаром з’явилися закордонні виробники. Перші проекти були реалізовані вже в 2004-2005 роках. До речі, головною особливістю інсталяції когенераційних установок є тривалість їх реалізації. Від проекту на папері до пуско-налагоджувальних робіт проходить від кількох місяців до півтора і більше років.

таблиці 1 перераховані основні українські компанії-інтегратори, які також є дистриб’юторами зарубіжних виробників силових установок. Існує також інший клас інтеграторів, які проектують і впроваджують когенераційні установки на базі обладнання різних сторонніх виробників, а готові когенераційні системи випускають під своєю торговою маркою. Із зарубіжних фірм в якості прикладу можна навести чеську Tedom (офіційний представник в Україні — «Енергосервісна компанія «Енергетична компанія України»), яка використовує газопоршневі двигуни власного виробництва, а також Ford і Caterpillar. Ще одна вітчизняна компанія — «Енерго-Альтернатива» — впроваджує когенераційні установки на базі газопоршневих двигунів Caterpillar.

Таблиця 1 — Основні світові виробники силових агрегатів, які використовуються в когенераційних установках

Виробник силових установок

Короткий опис статті: енергетика україни Когенерація: як це працює. Огляд ринку. Когенерація: як це працює. Огляд ринку.

Джерело: Когенерація: як це працює. Огляд ринку. :: German Energy Systems (GES Ltd.) — представництво MWM GmbH

Також ви можете прочитати