Возможности качественного расширения теплофикации на базе теплотехнологических систем преобразования вещества

теплоэнергетика

УДК 621.311.2

ВОЗМОЖНОСТИ КАЧЕСТВЕННОГО РАСШИРЕНИЯ ТЕПЛОФИКАЦИИ НА БАЗЕ ТЕПЛОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ВЕЩЕСТВА*

Кандидаты техн. наук, доценты РОМАНЮК В. Н, СУДИЛОВСКИЙ В. К.

Белорусский национальный технический университет, РУП «БЕЛТЭИ»

Комбинированная выработка электрической энергии на базе теплового потребления (теплофикация или когенерация), зародившаяся в начале прошлого столетия на основе паротурбинных электростанций, сегодня признана в мире как один из основных путей снижения потребления первичных энергоресурсов. Теплофикация на базе паротурбинной технологии, к сожалению, имеет определенные ограничения, которые в сочетании с характерной структурой энергопотребления промышленного региона предопределяют долю электроэнергии, вырабатываемой на тепловом потреблении, на уровне 3-101 % общего производства. К таким ограничениям относятся:

1. Факторы, сужающие круг тепловых потребителей, вовлекаемых в теплофикацию:

• необходимость в создании и поддержании на должном уровне громоздкой и дорогой подсистемы - тепловых сетей, наличие которой обусловлено требованием достаточной централизации теплофикационного теплоснабжения;

• высокая стоимость устанавливаемых мощностей, увеличенные сроки строительства и возврата инвестиций;

• периодичность отопительной нагрузки, являющейся основной для ТЭЦ, в том числе и в силу перечисленных выше ограничений, что снижает либо время использования, либо базовую теплофикационную мощность;

• высокая централизация генерирующих мощностей;

• вид теплоносителя, в роли которого выступают пар или вода;

• невысокий температурный уровень предлагаемого теплоносителя.

2. Факторы, связанные как с пониженной энергетической эффективностью, так и со спецификой паротурбинной технологии производства электроэнергии:

• низкая удельная выработка электроэнергии на тепловом потреблении. Ее величина, как правило, не превышает 0,4 кДж/кДж 5-1О2 кВт-ч/Гкал);

* Публикуется в порядке обсуждения.

• сильная зависимость удельной выработки на единицу отпускаемой тепловой энергии от параметров пара, в ряде случаев уменьшающая на порядок приведенную выше величину.

Вместе с тем теплофикации нет альтернативы, и не случайно большинство европейских стран рассматривают ее как ключевое направление развития национальной энергетики, на котором осуществляется государственная поддержка в различных формах:

• гарантированная закупка тепловой и электрической энергии у предприятий, комбинированно производящих эти виды энергии (Австрия, Бельгия, Дания, Люксембург, Испания);

• тарифная поддержка (Германия, Испания, Нидерланды, Франция);

• налоговая поддержка;

• государственные субсидии.

Поэтому в ряде стран Западной Европы (Дания, Нидерланды) доля производства электроэнергии на базе комбинированной технологии за последние годы превысила 50 %. В США процент теплофикационной выработки достиг 30 % при том, что в 70-е гг. XX в. это государство не имело теплоэлектроцентралей (ТЭЦ). Однако столь бурное развитие комбинированного производства в мире и высокий процент электроэнергии, производимой на теплофикационных мощностях, связаны не только и не столько с паротурбинными ТЭЦ.

Увеличение удельного веса природного газа в структуре приходной части энергобаланса технически развитых стран ускорило появление и внедрение нового поколения двигателей внутреннего сгорания (ДВС) как газотурбинных (ГТУ), так и газопоршневых (1 НА), с технологиями которых связывают электроэнергетику XXI в. Обусловлено это тем, что современные ДВС оказывают минимальное воздействие на окружающую среду и имеют высокие энергетические, эксплуатационные и экономические показатели. Быстрый запуск, полная автоматизация работы, набор и сброс нагрузки обеспечивают возможность применять их во всех режимах использования: базовом, пиковом, аварийном. Модульность оборудования, его сравнительно небольшие габариты и вес позволяют в чрезвычайно короткие сроки сооружать генерирующие установки, отличающиеся небольшим сроком окупаемости, значительным межремонтным периодом. ГПА, например, характеризуются работой 60...90 тыс. ч до капитальных ремонтов и общим сроком службы 240...300 тыс. ч.

ДВС позволяют реабилитировать традиционные паротурбинные технологии генерации электроэнергии на тепловых электростанциях (ТЭС) путем снижения основных потерь эксергии, имеющих место на их горячем торце технологической цепи в процессе сжигания топлива в котлоагрегате. В результате энергетический КПД процесса производства электрической энергии возрастает в зависимости от ряда факторов на (1...2)-10 %. Для ТЭЦ, кроме того, удваивается количество вырабатываемой электроэнергии при неизменном тепловом потреблении, по этой причине приоритет в улучшении ТЭС следует отдавать модернизации ТЭЦ. Увеличение генерирующего потенциала тепловых электростанций Республики Беларусь за счет подобной реконструкции нетрудно оценить. При существующих в стране паротурбинных мощностях 7... 8 ГВт на их базе возможно увеличе-

ние электрической мощности ТЭС страны на «3 ГВт. Уместно отметить, что происходит это на базе инфраструктуры существующих ТЭС с соответствующим снижением инвестиций, требуемых для создания электроге-нерирующих мощностей.

Не менее важным следствием создания нового поколения газовых тепловых двигателей является то, что ДВС количественно резко расширили круг тепловых потребителей, вовлекаемых в теплофикацию. Типоразмер-ный ряд ДВС, предназначенных для когенерационного использования, сегодня очень разнообразен. Для мелких потребителей выпускаются (Германия) когенерационные модули электрической мощностью от 5 кВт, тепловой - от 11 кВт. Подобная гамма ДВС позволяет использовать их для когенерационного снабжения тепловой энергией и электроэнергией любых потребителей, вплоть до отдельных зданий, например коттеджей. В этом случае если не отпадает, то качественно снижается острота проблемы, связанной с наиболее уязвимой подсистемой традиционной теплофикации -громоздкими тепловыми сетями. Наиболее востребованы для промышленного использования когенерационные модули на базе ДВС с электрической мощностью до 10 МВт.

О преимуществах теплофикации на базе ДВС и будущем когенерации (совместной генерации) много сказано в специальной литературе: это и низкая удельная стоимость, и быстрая окупаемость, и показатели, в два раза лучшие, чем соответствующие характеристики паротурбинных установок, и уже отмеченное отсутствие остроты проблемы тепловых сетей, и многое другое. Перспективность направления для энергосбережения подчеркивает отношение к нему в США, в большой энергетике которых энергетический КПД стабилизировался на уровне 36 %, что является весьма высоким показателем. Например, в России в настоящее время средний КПД ТЭС оценивается «25 %. Вместе с тем для повышения эффективности использования первичных энергоресурсов и снижения стоимости энергии в США разработан план развития строительства малых ТЭЦ непосредственно у потребителей. Его выполнение будет способствовать развитию рынка электроэнергии путем создания большого числа независимых энергопроизводителей.

С ростом числа небольших генерирующих установок в энергосистеме происходит повышение эффективности и устойчивости системы, увеличивается мощность энергосистемы без пропорционального расширения мощности транспортной подсистемы - линий электропередачи, снижаются транспортные потери. Появляющаяся проблема диспетчеризации большого числа электрогенерирующих источников требует своего решения. Задача управления системой распределенных генерирующих мощностей может быть решена статистически: при конкретном наборе качеств большого числа мелких источников свойства их совокупности - кластера - предопределены, оказываются стабильными и не зависящими от поведения отдельного источника. Это свойство кластеров известно и с успехом используется в электронике. Требуется направить усилия на выработку соответствующих требований к мелким производителям энергии и стимулировать их развитие подобно тому, как это делается в развитых странах, где число когенерационных модулей превысило тысячи единиц.

Подобное расширение круга тепловых потребителей и увеличение процента теплофикационного преобразования энергии с соответствующим

снижением потребления первичных энергоресурсов - лишь количественная сторона возможностей, связанных с появлением множества когенера-ционных модулей на базе нового поколения ДВС. Затронутый аспект комбинированного производства энергоресурсов, связанный с применением когенерации в системах тепло- и хладоснабжения, достаточно известен, сегодня к нему привлечен пристальный интерес специалистов. На этом фоне неоправданно мало внимания уделяется качественно новой стороне когенерации, открывшейся в связи с появлением упомянутого выше поколения ДВС и связанной с использованием многообразия промышленных теплотехнологий в качестве потребителей энергии, обеспечивающих комбинированную выработку.

ДВС в составе установок для комбинированной выработки тепловой и электрической энергии, как уже отмечалось, обладают рядом отличительных и важных показателей, количественно расширяющих круг традиционных потребителей тепловой энергии ТЭЦ. В дополнение к ним можно назвать:

1. Факторы, качественно расширяющие круг тепловых потребителей, вовлекаемых в теплофикацию:

• температура тепловых операций, сопрягаемых с когенерационной выработкой электроэнергии, достигающая 5-102 °С;

• обеспечение теплового потребителя идеальным газовым теплоносителем, в котором нуждается широкий круг существующих теплотехнологий -дымовыми газами требуемой температуры;

• децентрализация, позволяющая интегрировать ДВС с отдельными потребителями энергии дымовых газов, в том числе теплотехнологическими;

• возможность осуществления прямого привода единичных потребителей большой мощности;

• возможность работы с широкой гаммой газообразных топлив: от биогаза и абгазов с крайне низкой теплотворной способностью до попутных нефтяных газов.

2. Факторы, связанные с повышенной энергетической эффективностью технологии производства электроэнергии на базе газовых тепловых двигателей:

• большая удельная выработка электроэнергии на единицу отпущенной тепловой энергии. Для когенерационных установок на базе ГТУ и ГПА эта важная характеристика теплофикации имеет соответственно величину 0,5 кДж/кДж (0,6 МВт-ч/Гкал) и 0,85 кДж/кДж (1 МВт-ч/Гкал). ГПА вырабатывают два тепловых потока: с водой систем охлаждения и выхлопными газами. На базе только энергии дымовых газов удельная выработка электроэнергии составляет 1,3 кДж/кДж, или 1,5 МВт-ч/Гкал. Далее эта величина потребуется при оценке возможности когенерационного энергообеспечения промышленных теплотехнологий;

• энергетический КПД когенерационных комплексов находится в пределах 85... 90 % в зависимости от типа ДВС и характера сопрягаемой с ним теплотехнологии;

• эксергетический КПД процессов генерации требуемых для технологических потребителей энергопотоков находится в диапазоне {1... 8)-10 % и,

что очевидно, зависит от типа ДВС и характера сопрягаемой с ним тепло-технологии.

Тепловое воздействие, являясь древнейшим способом обработки материалов, широко распространено в системах преобразования вещества и в обозримом будущем не потеряет своих позиций. Сегодня структура энергопотребления такова, что в системах материального производства около 65 % энергии используется непосредственно в тепловой форме и не более 3-10 % - потребляется в виде электроэнергии. Значительная часть тепловой обработки осуществляется при температурах до 5-102 °С. Указанную теп-лотехнологическую нагрузку отличает непрерывность спроса во времени, что обеспечивает стабильную загрузку оборудования в течение всего года, независимо от сезона. Годовое число часов работы с номинальной мощностью когенерационного оборудования, интегрированного в теплотехноло-гию, достигает 8500 - величины, не достижимой для паротурбинных ТЭЦ, а потому вызывающей недоверие у ряда специалистов. Цикличность спроса, колебания нагрузки в течение отопительного сезона, как известно, являются бичом традиционной теплофикации на базе отопительных систем теплоснабжения, снижающим последний показатель.

Кроме этого, надо принять во внимание, что теплотехнологические агрегаты в ряде случаев являются непосредственно установками, утилизирующими энергию дымовых газов ДВС. Это упрощает и удешевляет их интеграцию с газовыми тепловыми двигателями в когенерационные энерготехнологические комплексы. Все изложенное объясняет пристальный интерес у системных специалистов, связанных с проблемой эффективного использования первичных энергоресурсов, к этой возможности качественного расширения круга потребителей тепловой энергии, на базе которой возможно вырабатывать дешевую электроэнергию. Специфика подобной энерготехнологической комбинированной выработки энергопотоков связана с необходимостью создания генерирующих когенерационных мощностей непосредственно на территории промышленных предприятий, которые используют теплотехнологию, соответствующую возможностям потока выхлопных газов ДВС.

Структура энергопотребления в системах преобразования вещества в промышленности Республики Беларусь такова, что около 65 % энергии используется в виде первичных энергоресурсов и чуть больше 35 % - в виде электроэнергии. Таким образом, на 1 кДж тепловой энергии топлива, т. е. энергии дымовых газов, приходится 0,54 кДж электроэнергии. Непосредственно в энергообеспечении теплотехнологий топливо составляет 34 % энергопотребления, 46 % - приходится на тепловую энергию про-мышленно-отопительных котельных, 20 % энергии теплотехнологические процессы потребляют в форме электроэнергии.

Для нужд большинства промышленных теплотехнологий по комплексу характеристик, как правило, наиболее подходят ГПА. Соотношение потоков электроэнергии и энергии дымовых газов для этих ДВС ранее определено величиной 1,3 кДж/кДж. В этом случае достаточное обеспечение собственных нужд систем преобразования вещества в дешевой когенерацион-ной электроэнергии, производимой на базе теплотехнологий, требует

вовлечения в комбинированную выработку порядка 4-10 % теплотехноло-гических потребителей энергии дымовых газов.

На основании приведенных выше данных (структуры потребления энергии в промышленном производстве, величины удельной выработки электроэнергии на единицу отпущенной тепловой энергии когенерацион-ных модулей), принимая во внимание, что доля топлива, используемого в высокотемпературных (выше «600 оС) технологических процессах, не превышает 60 %, можно сделать вывод: промышленность Беларуси, как минимум, самодостаточна в удовлетворении потребности в электроэнергии на базе когенерационного производства. В ряде случаев теплотехнологиче-ские системы могут обеспечить дешевую выработку электроэнергии по когенерационной технологии в количествах, превышающих собственное потребление, и обеспечить серьезную экономию импортируемых первичных энергоресурсов. Соответствующие возможности в отношении комбинированной генерации энергопотоков на базе промышленных котельных и собственных систем теплоснабжения теплотехнологических предприятий лишь усиливают уверенность в этом.

Когенерационный потенциал выработки электроэнергии на базе промышленных теплотехнологий Республика Беларусь оценивается величиной не менее 2,5 ГВт. Только его реализация позволит сократить годовую потребность страны в импорте природного газа на «5 млрд м3. В сочетании с низкими удельными инвестициями и коротким сроком их возврата для ко-генерационных энерготехнологических модулей, в свете нового статуса энергетики в Беларуси, на наш взгляд, требуется сосредоточить усилия всех сторон и субъектов, связанных с энергоиспользованием в той или иной теплотехнологической системе, на данном направлении. Пример Белорусского цементного завода, где по проекту, выполненному лабораторией технологических энергоустановок РУП «БЕЛТЭИ», внедрена первая энерготехнологическая когенерационная ГТУ мощностью 16 МВт, убеждает в правильности предлагаемого пути снижения потребления первичных энергоресурсов и улучшения финансового положения теплотехнологиче-ских производств при необходимости реабилитации технологического процесса.

Использование местных видов топлива, большей частью твердых, которое так важно для Республики Беларусь, не исключает расширение когене-рации. В мире налажен выпуск двигателей внешнего сгорания с газообразным рабочим телом (двигателей Стирлинга) единичной мощностью до 1,5 МВт, обладающих многими высокими показателями, в том числе и высокой экономичностью, использующих любые виды топлива с тепловым потенциалом отходящих дымовых газов, соответствующим потенциалу выхлопных газов ДВС.

Энергетическим организациям в этой ситуации требуется проявить понимание безусловной необходимости энерготехнологической реструктуризации теплоэнергетической системы с целью снижения соответствующих затрат для большинства теплотехнологических предприятий, вынужденных вести сложнейшую конкурентную борьбу на внешних рынках. Без снижения энергетической составляющей себестоимости (а других путей у большинства теплотехнологических предприятий нет) продукция последних потеряет конкурентоспособность со всеми вытекающими негативными последствиями в конечном итоге и для самих энергогенерирующих

предприятий. Кроме того, участие энергетиков в использовании открывающихся возможностей качественного расширения комбинированной выработки электроэнергии на базе новых подходов к взаимоотношению с теп-лотехнологическими предприятиями (и сохранению своих позиций на внутреннем рынке энергоресурсов, если на внешний рынок путь так труден) естественно и диктуется требованиями времени. Бесспорно, что энергетическим структурам, обладающим необходимым потенциалом для реализации подобных проектов, наиболее просто взять на себя эксплуатацию когенерационных комплексов нового поколения и рассмотреть определенное инвестирование их строительства. В данном случае в выигрыше остаются все перечисленные субъекты хозяйствования: государство, энергетические и теплотехнологические промышленные предприятия, наконец, нация. В этой связи следует обратить внимание на Украину, для которой проблема энергетической независимости не менее актуальна. Соответствующими институтами страны там подготовлен закон о когенерации, в котором сформулированы принципы государственной политики в сфере ее использования:

• экономическое стимулирование применения когенерации на предприятиях всех форм собственности и отраслевой принадлежности;

• создание распределенных (местных) электрогенерирующих мощностей;

• содействие перестройке действующих теплогенерирующих объектов (в контексте изложенного выше можно добавить: и теплотехнологических) в комбинированные установки по производству энергии;

• сбалансированное применение когенерационных установок в национальной экономике.

В Республике Беларусь за последний период многое сделано для повышения эффективного использования энергоресурсов, в этом отношении по многим позициям она находится в числе передовых среди соседей по СНГ. Хочется надеяться, что достигнутые позиции не будут утрачены в связи с безотлагательной необходимостью развития энерготехнологического коге-нерационного обеспечения существующих традиционных теплотехнологий и реабилитации последних независимо от уровня их энергоемкости.

ВЫВОД

В связи с наличием комплекса экономических, экологических, энергетических, эксплутационных факторов комбинированная выработка электроэнергии на базе не имеющих альтернативы теплотехнологических производств должна быть вовлечена в существующую систему преобразования энергии. Задачей специалистов соответствующего государственного уровня является обеспечение выработки и внедрения комплекса мер (юридических, экономических, образовательных и т. п.), который в новых экономических условиях создаст базу для реализации энергосберегающего потенциала действующих и вновь создаваемых теплотехнологий среднего температурного уровня (до «500 °С) путем интеграции современных газовых тепловых двигателей в теплоэнергетические системы соответствующих производств.

Представлена кафедрой промышленной

теплоэнергетики и теплотехники Поступила 30.05.2005