Размещено на http://www.allbest.ru/

О применении парогазовых ТЭЦ с турбинами противодавления в районах городской застройки

С.А. Чистович

Введение

Переход на сооружение парогазовых ТЭЦ вместо паротурбинных привел к еще более резкому снижению теплофикации в общем производстве энергии. Это, в свою очередь, приводит к повышению энергоемкости ВВП и снижению конкурентоспособности отечественной продукции, а также увеличению затрат на жилищно-коммунальные нужды.

Эффективность использования невозобновляемых энергоресурсов, содержащихся в ископаемом топливе, на нужды энергоснабжения городов и населенных пунктов зависит от способа производства электрической и тепловой энергии на генерирующих мощностях.

При раздельном производстве электрической и тепловой энергии на конденсационных электростанциях (КЭС) используется только высокопотенциальная энергия (эксергия), а низкопотенциальная энергия (анергия) сбрасывается в окружающую среду через градирни. В котельных используется вся энергия, однако потенциал, заложенный в эксергии, не реализуется.

При комбинированном производстве тепловой и электрической энергии (когенерация, при централизованном теплоснабжении - теплофикация) полезно используется вся энергия: высокопотенциальная энергия используется для привода силовых машин, освещения и т.д., а низкопотенциальная идет на цели теплоснабжения (рис. 1).

Необходимость дифференцированного учета качества высокопотенциальной и низкопотенциальной энергии, поставляемой потребителю, неоднократно подчеркивалась А.Б. Богдановым в его многочисленных публикациях, в частности в [1, 2]. Надо создавать условия для преодоления роста "котельнизации" России и сокращения доли теплофикации в общем объеме отпускаемой тепловой и электрической энергии. Следует отдавать приоритеты по стоимости электроэнергии, вырабатываемой комбинированным способом на ТЭЦ и отпускаемой потребителю. Тарифы на электроэнергию должны быть выше тарифов на отпускаемое тепло. Тепловая энергия, отпускаемая в тепловую сеть с температурой воды, сбрасываемой на КЭС в градирни ниже 40 ОС, по существу должна быть бесплатной, кроме затрат на электроэнергию при транспортировке теплоносителя по тепловым сетям. При повышении тарифов на электроэнергию необходимо учитывать материальные интересы потребителей. Для этого необходимо, чтобы каждый потребитель тепловой энергии имел возможность поквартирного учета и автоматического регулирования потребляемой тепловой энергии [3].

Эффективность ПГУ ТЭЦ

К сожалению, переход на сооружение парогазовых ТЭЦ (ПГУ ТЭЦ) вместо паротурбинных привел к еще более резкому снижению теплофикации в общем производстве энергии. Это, в свою очередь, приводит к повышению энергоемкости ВВП и снижению конкурентоспособности отечественной продукции, а также увеличению затрат на жилищно-коммунальные нужды.

Причины:

¦ высокий КПД выработки электроэнергии на ПГУ ТЭЦ по конденсационному циклу до 60%;

¦ трудности размещения ПГУ ТЭЦ в условиях плотной городской застройки, а также рост поставок топлива в города;

¦ по сложившейся традиции ПГУ ТЭЦ оснащаются, также как и паротурбинные станции, теплофикационными турбинами типа Т.

Строительство ТЭЦ с турбинами типа Р, начиная с 1990-х гг. прошлого века, было практически прекращено. В доперестроечное время около 60% тепловой нагрузки городов приходилось на долю промышленных предприятий. Их потребность в тепле для осуществления технологических процессов в течение года была достаточно стабильной. В часы утреннего и вечернего максимумов электропотребления городов пики электроснабжения сглаживались путем введения соответствующих режимов ограничения поставок электрической энергии промышленным предприятиям. Установка на ТЭЦ турбин типа Р была экономически оправдана из-за их меньшей стоимости и более эффективного расходования энергоресурсов по сравнению с турбинами типа Т. парогазовый энергоресурс топливо

Последние 20 лет из-за резкого спада промышленного производства существенно изменился режим энергоснабжения городов. В настоящее время городские ТЭЦ работают по отопительному графику, при котором летняя тепловая нагрузка составляет всего 15-20% расчетной величины. Суточный график электропотребления стал более неравномерным из-за включения электрической нагрузки населением в вечерние часы, который связан со шквальным ростом оснащения населения электрической бытовой техникой. Кроме того, выравнивание графика энергопотребления за счет введения соответствующих ограничений промышленных потребителей из-за их малой доли в общем энергопотреблении оказалось невозможным. Единственным не очень эффективным способом решения проблемы явилось сокращение вечернего максимума за счет введения сниженных тарифов в ночные часы [4].

Поэтому в паротурбинных ТЭЦ с турбинами типа Р, где выработка тепловой и электрической энергии жестко взаимосвязаны, применение таких турбин оказалось нерентабельным. Противодавленческие турбины производятся теперь только малой мощности для повышения эффективности работы городских паровых котельных путем перевода их в режим когенерации.

Такой установившийся подход сохранился и на сооружении ПГУ ТЭЦ. Вместе с тем при парогазовом цикле жесткая взаимосвязь между отпуском тепловой и электрической энергии отсутствует. На этих станциях с турбинами типа Р покрытие вечернего максимума электрической нагрузки может осуществляться путем временного увеличения отпуска электроэнергии в газотурбинном цикле. Кратковременное снижение отпуска тепла в систему теплоснабжения не сказывается на качестве отопления благодаря теплоаккумулирующей способности зданий и тепловой сети.

Принципиальная схема ПГУ ТЭЦ с противодавленческими турбинами включает две газовые турбины, котел-утилизатор, турбину типа Р и пиковый котел (рис. 2). Пиковый котел, который может быть установлен вне площадки ПГУ, на схеме не показан [5].

Из рис. 2 видно, что ПГУ ТЭЦ состоит из газотурбинной установки в составе компрессора 1, камеры сгорания 2 и газовой турбины 3. Выхлопные газы из ГТУ направляются в котел-утилизатор (КУ) 6 или в байпасную трубу 5 в зависимости от положения шибера 4 и проходят ряд теплообменников, в которых вода нагревается, пар сепарируется в барабанах низкого 7 и высокого давления 8, направляется в паротурбинную установку (ПТУ) 11. Причем насыщенный пар низкого давления поступает в промежуточный отсек ПТУ, а пар высокого давления предварительно перегревается в котле-утилизаторе и направляется в голову ПТУ Выходящий из ПТУ пар конденсируется в теплообменнике сетевой воды 12 и конденсатными насосами 13 направляется в газовой подогреватель конденсата 14, а затем направляется в деаэратор 9 и из него в КУ.

При тепловой нагрузке, не превышающей базовую, станция работает полностью по отопительному графику (АТЭЦ=1). Если тепловая нагрузка превышает базовую, включается пиковый котел. Потребное количество электроэнергии поступает от внешних источников генерации по городским электрическим сетям.

Однако возможны ситуации, когда потребность в электроэнергии превышает объем ее подачи от внешних источников: в морозные дни при росте потребления электроэнергии бытовыми нагревательными приборами; при авариях на генерирующих мощностях и в электрических сетях. В таких ситуациях величина мощности газовых турбин при традиционном подходе тесно привязана к производительности котла- утилизатора, которая в свою очередь диктуется потребностью в тепловой энергии в соответствии с отопительным графиком и может оказаться недостаточной для удовлетворения возросшего спроса на электроэнергию.

Чтобы покрыть возникший дефицит электроэнергии, газовая турбина переключается частично на сброс отработанных продуктов сгорания помимо котла-утилизатора непосредственно в атмосферу. Таким образом, ПГУ ТЭЦ переводится временно в смешанный режим - с парогазовым и газотурбинным циклами.

Известно, что газотурбинные установки обладают высокой маневренностью (скорости набора и сброса электрической мощности). Поэтому еще в советское время их предполагалось наряду с гидроаккумулирующими станциями использовать для сглаживания режима электроснабжения.

Кроме того, надо отметить, что развиваемая ими мощность увеличивается с понижением температуры наружного воздуха и именно при низких температурах в самое холодное время года наблюдается максимум электропотребления. Это показано в таблице [6].

При достижении мощности, составляющей более 60% от расчетной величины, выбросы вредных газов NOx и CO минимальны (рис. 3).

В межотопительный период, чтобы не допустить снижения мощности газовых турбин более чем на 40%, одна из них отключается.

Повышение энергетической эффективности ТЭЦ может быть достигнуто за счет централизованного холодоснабжения городских микрорайонов [7]. При аварийных ситуациях на ПГУ ТЭЦ целесообразно в отдельных зданиях строить газотурбинные установки малой мощности [8].

В районах плотной городской застройки крупных городов при реконструкции существующих ТЭЦ с паровыми турбинами, выработавшими свой ресурс, целесообразно создавать на их базе ПГУ ТЭЦ с турбинами типа Р. В результате высвобождаются значительные площади, занятые системой охлаждения (градирни и др.), которые могут быть использованы для других целей.

Сопоставление ПГУ ТЭЦ с турбинами с противодавлением (типа Р) и ПГУ ТЭЦ с конденсационно-отборными турбинами (типа Т) позволяет сделать следующие выводы.

1. И в том, и в другом варианте коэффициент полезного использования топлива зависит от доли выработки электроэнергии на базе теплового потребления в общем объеме генерации.

2. В ПГУ ТЭЦ с турбинами типа Т потери тепловой энергии в контуре охлаждения конденсата имеют место в течение всего года; наибольшие потери - в летний период, когда размер теплового потребления ограничен только горячим водоснабжением.

3. В ПГУ ТЭЦ с турбинами типа Р КПД станции снижается только в ограниченный промежуток времени, когда необходимо покрыть возникший дефицит в электроснабжении.

4. Маневренные характеристики (скорости набора и сброса нагрузки) газовых турбин многократно выше характеристик паровых турбин.

Таким образом, для условий строительства станций в центрах больших городов ПГУ ТЭЦ с противодавленческими турбинами (типа Р) превосходят парогазовые ТЭЦ с конденсационноотборными турбинами (типа Т) по всем показателям. Для их размещения требуется значительно меньшая территория, они более экономично расходуют топливо и их вредное воздействие на окружающую среду также меньше.

Однако, для этого необходимо внести соответствующие изменения в нормативную базу по проектированию парогазовых станций.

Практика последних лет показывает, что инвесторами, сооружающими загородные ПГУ ТЭЦ и на достаточно свободных территориях, приоритет отдается выработке электроэнергии, а отпуск тепла рассматривается ими как побочный вид деятельности. Объясняется это тем, что КПД станций даже в конденсационном режиме может достигать 60%, а сооружение теплотрасс требует дополнительных затрат и многочисленных согласований с разными структурами. В итоге коэффициент теплофикации АТЭЦ может быть меньше 0,3.

Поэтому при проектировании ПГУ ТЭЦ нецелесообразно для каждой отдельной станции закладывать в техническом решении оптимальное значение АТЭЦ. Задача заключается в нахождении оптимальной доли теплофикации в системе теплоснабжения всего города.

Сейчас вновь стала актуальной разработанная в советское время концепция строительства мощных ТЭЦ в местах добычи топлива, вдали от больших городов. Это диктуется как увеличением доли использования местных видов топлива в ТЭК регионов, так и созданием новых конструкций теплопроводов (воздушная прокладка) с практически ничтожным падением температурного потенциала при транспортировке теплоносителя.

Подобные ТЭЦ могут создаваться как на основе паротурбинного цикла с непосредственным сжиганием местного топлива, так и парогазового цикла с использованием газа, получаемого на газогенераторных установках.

О повышении системной надежности

Теплофикация и централизованное теплоснабжение (ЦТ) со сложившейся инженерной структурой городов и промышленных комплексов являются приоритетными направлениями развития и модернизации систем энергоснабжения [9].

Наряду с повышением элементной надежности систем (тепловых, газовых и электрических сетей) большое значение имеет повышение и системной надежности. Это достигается сооружением теплообменных и насосных распределительных станций, закольцовкой сетей, параллельной работой источников на общие тепловые сети в режиме "нагруженного" резервирования, т.е. при постоянно открытых задвижках на перемычках. При такой схеме ЦТ в случае аварии на одном из участков теплопроводов снабжение теплом зданий не прекращается, снижается только в допустимых пределах подача тепла на время восстановления аварийного участка. При снижении тепловой нагрузки по погодным условиям более экономичные источники продолжают работать в постоянном режиме, а мощность менее экономичных источников уменьшается или они полностью отключаются.

Автономные энергоисточники (котельные малой мощности, когенерационные установки), расположенные в зоне действия ЦТ, целесообразно подключать к сетям общего пользования. Переход от чисто централизованных систем к системам с распределенной генерацией энергии (централизованно-локальным системам) существенно повышает надежность энергоснабжения, улучшает его качество и снижает потери при транспортировке энергоносителя [10].

Повышение надежности достигается за счет включения генерирующих мощностей внутри города в общегородскую систему энергоснабжения, а следовательно, уменьшается зависимость систем тепло- и электроснабжения от внешних сетей; улучшение качества достигается за счет приближения источников генерации к объектам теплоснабжения. При дефиците подачи тепла от систем ЦТ при низких наружных температурах вследствие изношенности тепловых сетей локальные источники позволяют поднять температуру теплоносителя в соответствии с отопительным графиком.

Локальные источники генерации могут размещаться вблизи зданий, на крышах домов, а также в центральных тепловых пунктах, перепрофилированных в узлы генерации энергии.

Перевод автономных котельных с постоянного режима функционирования в пиковый режим потребует для сохранения интересов инвесторов изменения тарифной политики. Пиковая энергия (как тепловая, так и электрическая) должна стоить дороже по сравнению с базовой энергией. Осуществление гибкой тарифной политики, как показывает зарубежный опыт, будет способствовать также выравниванию режимов электро- и теплопотребления.

Необходимо также снять искусственные барьеры на пути присоединения малых генерирующих мощностей к сетям общего пользования.

Обоснование оптимальных источников тепло-, электроснабжения должно производиться на основании разработанного специализированными предприятиями комплексного плана развития региона (города) с учетом всех аспектов обеспечения потребителей тепло- и электроэнергией и другими ресурсами необходимого качества и надежности. Только при жестком контроле со стороны администрации региона (города) этой ситуации, можно добиться эффективного энергообеспечения потребителей.

Литература

1. Богданов А.Б. Анергия и энергосбережение // Теплоэнергоэффективные технологии. 2010. № 3.

2. Богданов А.Б. Министерство анергии // Новости теплоснабжения. 2010. № 9.

3. Чистович С.А. Два решения проблемы поквартирного учета тепла на отопление в жилых зданиях при централизованном теплоснабжении. Про и контра // Теплоэнергоэффективные технологии. 2010. № 3.

4. Варнавский Б.П. Развитие ТЭЦ в современных российских условиях// Новости теплоснабжения. 2010. № 9.

5. Чистович С.А., Блинов А.Н. Как помочь развитию российской энергоэффективной экономики // Теплоэнергоэффективные технологии. 2009. № 4.

6. Костюк Р.И., Чугин А.Б., Блинов А.Н. Строительство ЮгоЗападной ТЭЦ - оптимальное решение по снижению негативного воздействия на окружающую среду при энергоснабжении новых потребителей района // Теплоэнергоэффективные технологии. 2009. № 3.

7. Бурцев С.И. Повышение энергетической эффективности ТЭЦ за счет централизованного холодоснабжения объектов и городских микрорайонов // Теплоэнергоэффективные технологии. 2009. № 3.

8. Семенов В.Г. О перспективе развития малой энергетики // Новости теплоснабжения. 2010. № 9.

9. Чистович С.А., Харитонов В.Б. Автоматизированные системы теплофикации, теплоснабжения и отопления - СПб.: АВОК-Северо-Запад. 2008.

10. Аверьянов В.К., Карасевич А.М., Федяев А.В. Системы малой энергетики: современное состояние и перспективы - М.: "Страховое ревю". 2008.

Размещено на Allbest.ru