Комбинированная выработка тепловой и электрической энергии в котельных
Комбинированная выработка электрической и тепловой энергии как способ экономии топлива в жилищно-коммунальном хозяйстве и промышленности. Использование мини тепловых электростанций на базе поршневых двигателей газообразного топлива единичной мощностью.
Рубрика | Физика и энергетика |
Вид | реферат |
Язык | русский |
Дата добавления | 30.01.2017 |
Размер файла | 60,5 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Комбинированная выработка тепловой и электрической энергии в котельных
B.C.Дубинин; с.н.с.
К.М.Лаврухин; с.н.с., МАИ
Котельные могут обеспечить Россию электроэнергией с меньшей затратой газа, автономно от электрических сетей РАО "ЕЭС России".
Введение. Комбинированная выработка электрической и тепловой энергии (теплофикация) - это наиболее эффективный способ экономии топлива, как в жилищно-коммунальном хозяйстве, так и в промышленности. Как остроумно заметил академик Л.А. Мелентьев, "пока действует второй закон термодинамики, будет существовать разумная область теплофикации" [I]. Но в настоящее время в России комбинированная выработка тепловой и электрической энергии производится практически только на паротурбинных теплоэлектроцентралях (ТЭЦ), которые дают только 36% тепловой энергии, так как применение таких ТЭЦ возможно только в крупнейших городах, где имеется достаточная плотность тепловых нагрузок. Основная часть тепловой энергии (46%) производится в котельных [2], которые не только не производят электроэнергию, но и являляются ее крупнейшими потребителями в сфере жилищно-коммунального хозяйства. С другой стороны, при среднем по России КПД тепловых конденсационных электростанций (КЭС) 25% (в США 35%) [2], это означает, что 75% теплоты сгорания топлива выбрасывается в атмосферу через градирни.
Задачи данной статьи - показать, что научно-техническая революция в области поршневых машин, произошедшая в конце 20 века незаметно для энергетиков, вместе с другими достижениями Советских и Российских ученых делает технически возможным и экономически целесообразным переход в основном на комбинированную выработку тепловой и электрической энергии.
Немного истории.
Сложившаяся ситуация была единственно возможной в довоенные годы, так как месторождения природного газа и нефти еще не были открыты. Энергетика всего СССР работала, в основном, на угле (и не только энергетика, но железнодорожный и речной транспорт: паровозы, пароходы). Единственным вариантом использования такого топлива в энергетике были паротурбинные КЭС, при ограниченном использовании ТЭЦ по причине необходимости их размещения в крупных городах для загрузки по тепловой энергии и невозможности их массового строительства в городах из-за отсутствия удаления окислов серы и золы из их выбросов в атмосферу. При использовании в энергетике дешевого бурого угля, добываемого открытым способом, его эффективное сгорание в то время было возможно только в котельных установках большой мощности, что дополнительно ограничивало применение ТЭЦ и приводило к большой протяженности тепловых сетей.
В послевоенные годы в связи с появлением и развитием газовой отрасли гигантомания уже перестала быть технически обоснованной, но продолжалась уже как политика КПСС. Угольные электростанции просто переводились на газ, и строились мощные газовые ТЭЦ и КЭС. Воспитанные в этом духе большинство выпускников Советских энергетических ВУЗов продолжали ее до конца 20 века. Хотя еще в 1962 году Н.И. Сазонов отмечал, что передача газа по газопроводам в 10-12 раз экономичнее передачи электрической энергии по высоковольтным линиям электропередачи. Поэтому электростанции на газе нужно строить в районах потребления тепловой и электрической энергии [З]. Это писалось в то время, когда добыча природного газа, включая попутный, составляла в СССР 47 млрд. м3 (в 2000 году РАО "Газпром" добыл 523, 2 млрд. м3 [4]), а в центре европейской части СССР удельный вес природного газа составлял 6,8% (сейчас в среднем по России удельный вес природного газа для выработки тепла - 53,1% [5] при том, что в Сибири основное топливо - уголь), а город Москва получил в 1960 году около 8 млрд. м газа [б]. Там же писалось: "Сторонники широкого строительства в Москве районных котельных вместо ТЭЦ подтверждают, что более высокий КПД районных газовых котельных по сравнению с домовыми котельными в 5-6% практически сводится к нулю, если учесть потери тепла в наружных тепловых сетях и дополнительных расход электроэнергии на прокачку сетевой воды". Это утверждение правильно.
Именно поэтому централизация теплоснабжения путем сооружения районных котельных на газовом топливе не только не имеет никаких преимуществ по сравнению с домовыми котельными, но и требует дополнительных затрат на внешние теплопроводы.
Основным средством экономии топлива является теплофикация, поэтому затраты на прокладку внешних теплопроводов оправданы только в том случае, когда централизация теплоснабжения обеспечивает значительную экономию топлива, что тогда было возможно только при централизации теплоснабжения от ТЭЦ.
Еще в 1930 году Н.И. Сазоновым на примере г. Ленинграда рекомендовалось построить в период с 1932 по 1938 года ряд ТЭЦ на газовом топливе мощностью от 12 до 48 МВт каждая вместо котельных [7]. Но Ленэнерго была выдвинута идея сооружения мощных ТЭЦ по 100-150 МВт каждая. В продолжение этой концепции в Ленинграде в 1955-1960 годах построены мощные ТЭЦ на высокие параметры пара. В результате из-за невозможности загрузить эти ТЭЦ по теплу они имеют удельный расход топлива на выработку электроэнергии в 2,5-3 раза больше, чем небольшие ТЭЦ № 3 и 7, загруженные по теплу [б].
В дальнейшем, на эффективность сооружения городских ТЭЦ мощностью 4-12 МВт [8] указывал Л.А. Мелентьев со своими единомышленниками [9, 10]. Затем такие публикации продолжили представители его научной школы, например [II]. Целесообразность создания небольших ТЭЦ (сейчас они называются мини ТЭЦ) открывала перспективу применения двигателей внутреннего сгорания еще задолго до рассмотренной ниже технической революции в области таких двигателей. В [12] показано, что парогазовая ТЭЦ на базе уже в то время серийно выпускаемых свободно поршневых генераторов с суммарной электрической мощностью 12,5 МВт и расчетной тепловой нагрузке 50 Гкал/час при коэффициенте теплофикации 0,5 будет по технико-экономических показателем превосходить крупнейшие ТЭЦ того времени (конец 50-х - начало 60-х годов).
Таким образом, еще в период Хрущевской "оттепели" прогрессивные Российские ученые практически открыто заявили, что Советская энергетика, в угоду ведомственным интересам Министерства электрификации, идет по неверному пути суперцентрализации.
Современное состояние вопроса.
Теперь мы имеем "В Сочи вдруг стали темными ночи", о чем говорил профессор Б.И. Кудрин уже в 1997 году [13]. После этого такие ночи были в г. Новороссийске и других городах Черноморского побережья, Брянске и Смоленске, Подмосковье, Ленинградской области, обусловленные обрывом линий электропередач ветром и снегопадом.
Все эти регионы России полностью газифицированы, и перерывы в электроснабжении от сетей РАО "ЕЭС России" не приводили бы к серьезным последствиям, если бы на основных городских объектах работали бы мини ТЭЦ на природном газе.
Создание мини ТЭЦ стало актуальным, благодаря переориентации России на газообразное топливо в послевоенные годы, что видно из таблицы 1, заимствованной из [14].
Таблица 1. Удельный вес углеродного топлива в структуре приходной части топливно-энергетического баланса в СССР,%
В таблице использованы данные следующих источников:
1. СССР и капиталистические страны. Стат. сб. М.: Госполитиздат, 1939.
2. Энергетические ресурсы СССР. Т. I, II. М.: Изд. АН СССР.1938.
3. Народное хозяйство СССР 1922-1982 гг. Юбилейный стат. сб. М.: Финансы и статистика, 1982.
4. Народное хозяйство СССР в 1987 и 1989 г, М,: Финансы и статистика, 1987,1989.
5. Российский статистический ежегодник. М.: Госкомитет России, 1995.
6. Содружество Независимых Государств в 1996 г. Статист, спр. М.: 1997.
7. Вяхирев Р.И. Обновление в рамках стабильности // Потенциал. 1998, № 2. экономия топливо коммунальный газообразный
В довоенные годы никто не мог предположить столь резкие изменения топливного баланса России. Газ не мог рассматриваться в качестве основного топлива, а сделать работоспособный двигатель внутреннего сгорания с большим ресурсом на угле пока не удалось [15]. Жечь уголь или мазут, содержащий серу, в черте города невозможно по экологическим соображением. Поэтому создание крупных угольных электростанций и ТЭЦ, удаленных от жилой зоны, было практически единственным решением. Теперь, когда Россия имеет 42% прогнозных ресурсов и 33% запасов газа от мировых на 2,8% населения и 12,8% территории от мировых [16] и 62% топливного баланса тепловых электростанций обеспечивается природных газом [2], все поменялось, за исключением взглядов тех энергетиков, которые определяли энергетическую политику СССР. Поэтому в настоящее время малые и средние предприятия Европейской части России и жилой фонд получают электроэнергию от Единой электро энергосистемы (ЕЭЭС) , а тепловую энергию для отопления, горячего водоснабжения и технологических нужд от котельных, работающих, как правило, на газе, либо от ТЭЦ, так же использующих в качестве топлива газ. Часто транспорт теплоэнергии производится на большие расстояния (от ТЭЦ до 40 км) в виде, как правило, двухтрубной теплотрассы с использованием в качестве теплоносителя воды или однотрубной для транспорта пара, часто без возврата конденсата. Нормативные потери в теплосетях - 5%, а реальные, в среднем, - 15-16% от передаваемой тепловой энергии [17]. Наш всего лишь семилетний опыт работы в промтеплоэнергетике дал возможность ознакомиться с договорами предприятий на теплоснабжение, где предусматривается оплата предприятием потерь теплоэнергии большей, чем величина используемой энергии.
Ранее несколько десятков лет сотрудники нашей научной группы занимались бортовой энергетикой летательных аппаратов [18], [19], пока не началась конверсия. Сложившаяся система использования газа крайне нерациональна. Большая часть топлива идет на получение тепловой энергии, и только 36% - на получение электроэнергии (180 / 500 = 0,36) [2]. ТЭЦ страны дают только 55% электроэнергии [2]. Остальное - конденсационные электростанции (КЭС), обогревающие атмосферу своими градирнями, через которые выбрасывается более 61% теплоты сгорания газа (КПД лучших КЭС 38-39%) [20]. Таким образом, наиболее эффективная комбинированная выработка тепла и электрической энергии применяется очень ограниченно. С другой стороны, только комбинированная выработка тепла и электрической энергии обеспечит экономное использование газа и позволит реализовать "Энергетическую стратегию России до 2020 года", разработанную специалистами Минэнерго и учеными РАН [2], без чего невозможно развитие экономики России. В [2] показано, что строительством парогазовых установок (ПТУ) на базе площадок существующих паротурбинных электростанций или новым строительством ПТУ эта задача может оказаться нерешаемой и показана возможность ее альтернативного решения путем надстройки имеющихся котельных газотурбинной установкой (ГТУ). Об этом давно и много пишут, но такое решение не стало реальностью, вероятно, вследствие причин, перечисленных в [21J. Напомним некоторые из них кратко:
1. необходимость сооружения хранилищ резервного газотурбинного (дизельного) топлива, так как в котельных резервным топливом является мазут;
2. необходимость сооружения газокомпрессорных дожимающих станций, минимально допустимое расстояние которых от жилых домов - 500 метров. (ГТУ требует газ с давлением 2,5 МПа, а в городской сети - 0,3-1,2МПа);
3. большой расход выхлопных газов ГТУ (он обусловлен высоким коэффициентом избытка воздуха в ГТУ) требует новой дымовой трубы и других котлов;
4. высокий уровень шума;
5. удельный выход оксидов азота на кг сожженного топлива в 3 раза больше у ГТУ, чем в котельных.
Эти причины делают невозможным применение ГТУ в условиях сложившейся городской застройки. Для котлов малой мощности использование парогазовых надстроек на базе газовых турбин оказывается весьма проблематичным из-за малых объемных расходов рабочих тел [22]. Это означает принципиальную невозможность использования газотурбинных надстроек котельных вне регионов с высокой плотностью населения. Так, в [23] указывается, что по такой схеме целесообразно модернизировать относительно новые котлы тепловой производительностью от 50 до 180 Гкал/час. Таких котлов в г. Москве около 100. В то же время, по данным Смоленскоблкоммунэнерго, в Смоленской области основное количество теплоэнергии вырабатывается котлами с производительностью 2-5 Гкал/час.
В регионах с высокой плотностью населения, где проживает не более 20% россиян (Москва, Санкт-Петербург и часть Московской области и Ленинградской области), как правило, уже применяется комбинированная выработка электрической и тепловой энергии на паротурбинных ТЭЦ.
Замена таких ТЭЦ на парогазовые установки нереальна [2]. Поэтому ограниченное количество крупных котельных в г. Москве может дать, согласно [23], только 1 Гвт электрической мощности из примерно 20 Гвт, которые планировало иметь Мосэнерго в 2020 году [24]. В этой связи информация [2] о том, что ввод ГТУ-ТЭЦ в 100 крупных котельных дает 70 Гвт прироста электрической мощности представляется ошибочной, так как крупные котельные обычно имеют 3-5 котлов. Если 100 котлов, как указано в [23], при переводе к ГТУ-ТЭЦ могут дать 1 Гвт электрической мощности, то 100 крупных котельных -(3-5)х1=3-5 Гвт электрической мощности, но никак не 70 Гвт, указанных в [2]. Рассмотрим этот вопрос с другой стороны. Если 100 крупных котельных имеют тепловую производительность по 1000 Гкал/час (что очень завышено), то их суммарная тепловая производительность 100 х 1000 = 100000 Гкал/час. КПД ГТУ, упомянутых в [2], составляет, согласно [25], 22,4-38%, то есть при среднем КПД 25% можно иметь не более 25000 Гкал/час = 25000 х 1160 кВт = 29 Гвт электрической мощности.
Тем не менее, авторы считают правильной основную высказанную в [2] идею решения проблемы выбывающего оборудования электростанций России путем выработки электроэнергии в ее котельных. Но наряду с крупными котельными, которые, согласно [2], дают лишь 10% тепловой энергии России, это надо делать и на мелких и средних котельных, которые дают соответственно 22% и 14% тепловой энергии [2], и, может быть (такие работы ведутся научной группой МАИ "Промтеплоэнергетика"), получать электроэнергию и от автономных теплогенераторов, которые, согласно [2], вырабатывают 13,5% тепловой энергии России. Но это можно делать только с помощью поршневых двигателей (двигатели внутреннего сгорания (ДВС) газообразного топлива, паровые машины, в том числе созданные на базе серийных ДВС); мощность ДВС, выпускаемых Российскими моторостроительными заводами, колеблется от 1 кВт до 22000 кВт в одном агрегате, то есть перекрывает почти весь диапазон от 1250 до 25000 кВт российских авиационных ГТД, предлагаемых в [2] как элемент ГТУ-ТЭЦ.
Энергетическая стратегия России предполагает в энергетике возврат к докризисному 1990 году в 2020 году или раньше [26, 27]. Поэтому используем отчетные данные 1990 года [28]. Суммарная тепловая мощность только котельных предприятий, городов и поселков в России составила 3,89 млн. ГДж/час, в то время как тепловая мощность отборов паровых турбин составила всего 0,8 ГДж/час. Для ДВС, которые могут применяться в качестве надстроек котлов, по мнению проф. Андрющенко А.И. [29], КПД 35,13-36%. Это означает получение электрической мощности от котельных при расчетной температуре окружающего воздуха: (3,89 х 1000000 / 3600) х 0,355 = 383,6 ГВт, то есть больше, чем была установленная мощность всех электростанций России в докризисном 1990 году (210 Гвт, согласно рис. 3 [27])!
Сравнивая ГТУ и ДВС в качестве надстроек котельных в условиях сложившейся городской застройки, можно отметить следующие преимущества ДВС в диапазоне мощностей, перекрываемых авиационными ГТД:
1. Отсутствие необходимости резервного дизельного топлива, так как начиная с 2125 кВт полной мощности и 1000 кВт частичной, могут быть применены дизель-генераторы БМЗ, способные работать не только на газе, но и на топочном мазуте, являющемся резервным топливом. В котельных производительностью меньше 20 Гкал/час не предусматривают резервное топливо, поэтому могут использоваться серийные ДВС газообразного топлива меньшей мощности, не способные работать на мазуте. Научная группа МАИ "Промтеплоэнергетика" обладает ноу-хау по использованию мазута в качестве топлива ДВС меньшей мощности.
2. Отсутствие необходимости сооружения дожимной компрессорной для топливного газа, так как все ДВС способны работать на сетевом газе среднего давления, а значительная часть на газе низкого давления.
3. Сохранение при надстройке ДВС существующих котлов и дымовой трубы, так как поршневые ДВС имеют меньший в несколько раз расход газов, чем ГТД той же мощности, и способны преодолеть аэродинамическое сопротивление котлов, установленных в котельных.
4. В связи с меньшим расходом газов у ДВС, чем у ГТД, проблемы шумоглушения для ДВС менее остры.
5. При использовании ДВС газообразного топлива имеются широкие возможности снижения выбросов окислов азота. В случае необходимости их можно исключить совсем, что невозможно даже в обычной котельной, путем работы ДВС на богатой смеси с последующим дожиганием продуктов сгорания в котле.
6. Ресурс ДВС всегда выше ГТД соответствующей мощности. Так, в проспектах заводов, для ДВС мощностью свыше 1000 кВт указывается ресурс 60-120 тысяч часов, в то время как в [28] сообщается, что межремонтный ресурс авиационных ГТД в наземных условиях - 30 тысяч часов, то есть на уровне самого дешевого дизеля мощностью 500 кВт АО "Волгодизельмаш".
7. В России имеются 14 моторостроительных заводов, каждый из которых выпускает несколько типоразмеров двигателей с диапазоном изменения мощности 1 : 5, 1 : 10, что обеспечивает подбор оптимального серийного ДВС к каждой котельной. Научная группа МАИ "Промтеплоэнергетика" обладает ноу-хау по переводу их на газ, оптимальному для условий котельной.
Использование мини ТЭЦ на базе поршневых двигателей газообразного топлива единичной мощностью от 30 до 12000 кВт не только предприятиями, но и госпиталями, учебными заведениями и т.д. за рубежом достаточно широко распространено [ 28, 29, 30, 31, 32, 33].
"Высокая экономическая эффективность мини ТЭЦ подтверждается и тем, что, несмотря на имеющийся резерв установленной мощности электростанций США, там продолжают строиться мини ТЭЦ, суммарная мощность которых уже превысила 10 млн. кВт. Количество действующих, строящихся и проектируемых мини ТЭЦ в Германии достигает двух тысяч. В Японии каждое вновь строящееся крупное здание (универсам и пр.) обязательно оборудуется мини ТЭЦ, расположенной, как правило, в подвальных помещениях" [29].
(продолжение следует)
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Расчет потребности в тепловой и электрической энергии предприятия (цеха) на технологический процесс, определение расходов пара, условного и натурального топлива. Выявление экономии энергетических затрат при использовании вторичных тепловых энергоресурсов.
контрольная работа [294,7 K], добавлен 01.04.2011Полезный отпуск теплоты с коллекторов станции ТЭЦ, эксплуатационные издержки. Выработка и отпуск электрической энергии с шин станции. Расход условного топлива при однотипном оборудовании. Структура затрат и себестоимости электрической и тепловой энергии.
курсовая работа [35,1 K], добавлен 09.11.2011Основы энергосбережения, энергетические ресурсы, выработка, преобразование, передача и использование различных видов энергии. Традиционные способы получения тепловой и электрической энергии. Структура производства и потребления электрической энергии.
реферат [27,7 K], добавлен 16.09.2010Производство электрической и тепловой энергии. Гидравлические электрические станции. Использование альтернативных источников энергии. Распределение электрических нагрузок между электростанциями. Передача и потребление электрической и тепловой энергии.
учебное пособие [2,2 M], добавлен 19.04.2012Роль электроэнергии в производственных процессах на современном этапе, метод ее производства. Общая схема электроэнергетики. Особенности главных типов электростанций: атомной, тепловой, гидро- и ветрогенераторы. Преимущества электрической энергии.
презентация [316,3 K], добавлен 22.12.2011Промышленная и альтернативная энергетика. Преимущества и недостатки гидроэлектростанций, тепловых и атомных электростанций. Получение энергии без использования традиционного ископаемого топлива. Эффективное использование энергии, энергосбережение.
презентация [1,2 M], добавлен 15.05.2016Потребление тепловой и электрической энергии. Характер изменения потребления энергии. Теплосодержание материальных потоков. Расход теплоты на отопление и на вентиляцию. Потери теплоты с дымовыми газам. Тепловой эквивалент электрической энергии.
реферат [104,8 K], добавлен 22.09.2010Выбор тепловой схемы станции, теплоэнергетического и электрического оборудования, трансформаторов. Определение расхода топлива котлоагрегата. Разработка схем выдачи энергии, питания собственных нужд. Расчет тепловой схемы блока, токов короткого замыкания.
дипломная работа [995,3 K], добавлен 12.03.2013Исследование технологических процессов производства тепловой и электрической энергии с использованием древесного топлива. Характеристика технологии высокоэффективной энергетической утилизации твердых отходов методом сверхкритических флюидных технологий.
статья [20,3 K], добавлен 09.11.2014Построение процесса расширения пара в турбине в h-S диаграмме. Составление сводной таблицы параметров пара и воды. Составление материальных и тепловых балансов всех элементов схемы. Расчет показателей тепловой экономичности атомной электрической станции.
дипломная работа [1,6 M], добавлен 08.11.2015Факторы распространенности электроэнергии на современных производствах и в быту в виде энергии пара, горячей воды, продуктов сгорания топлива. Виды тепловых электрических станций. Графики электрической и тепловой нагрузки, способы покрытия их пиков.
контрольная работа [62,5 K], добавлен 19.01.2011Расчет годовой потребности в электрической энергии и электрических нагрузок потребителей. Расчет годовой потребности района теплоснабжения в тепловой энергии. Выбор турбинного и котельного оборудования. Выработка электроэнергии по теплофикационному циклу.
курсовая работа [459,3 K], добавлен 04.04.2012Определение тепловых нагрузок и расхода топлива для расчета и выбора оборудования котельных. Подбор теплообменников. Составление тепловой схемы производственно-отопительной котельной. Подбор агрегатов. Расчет баков и емкостей, параметров насосов.
курсовая работа [924,0 K], добавлен 19.12.2014Понятие и виды топлива на тепловых электрических станциях. Использование газообразных видов топлива, обусловливаемое их химическим составом и физическими свойствами углеводородной части. Элементный состав жидкого, твердого и газообразного топлива.
реферат [20,8 K], добавлен 28.10.2014Изучение истории рождения энергетики. Использование электрической энергии в промышленности, на транспорте, в быту, в сельском хозяйстве. Основные единицы ее измерения выработки и потребления. Применение нетрадиционных возобновляемых источников энергии.
презентация [2,4 M], добавлен 22.12.2014Особенности тепловых и атомных электростанций, гидроэлектростанций. Передача и перераспределение электрической энергии, использование ее в промышленности, быту, транспорте. Осуществление повышение и понижение напряжения с помощью трансформаторов.
презентация [6,3 M], добавлен 12.01.2015История создания тепловых двигателей и общий принцип их действия. Виды тепловых двигателей: паровая машина, двигатель внутреннего сгорания, паровая и газовая турбины, реактивный двигатель. Использование современных альтернативных источников энергии.
презентация [1,3 M], добавлен 23.02.2011Значение электроэнергетики в экономике России. Анализ потребления энергии в Камчатском крае. Спрос на электроэнергию по изолированным узлам региона. Анализ изношенности оборудования тепловых электростанций. Проблемы возведения мини атомных электростанций.
курсовая работа [3,8 M], добавлен 28.05.2014Капиталовложения в строительство ТЭЦ. Полезный отпуск теплоты с коллекторов станции. Годовая выработка электрической энергии. Коэффициент полезного действия станции на отпуск электроэнергии. Калькуляции себестоимости электрической энергии и теплоты.
курсовая работа [255,8 K], добавлен 08.02.2011Производство электрической энергии. Основные виды электростанций. Влияние тепловых и атомных электростанций на окружающую среду. Устройство современных гидроэлектростанций. Достоинство приливных станций. Процентное соотношение видов электростанций.
презентация [11,2 M], добавлен 23.03.2015