Совершенствование энергоснабжения региона путем использования распределенной когенерации

УДК 697.34:620.9

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ РЕГИОНА ПУТЕМ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РАСПРЕДЕЛЕННОЙ КОГЕНЕРАЦИИ

1 9

© Г.Г. Лачков1, А.В. Федяев2

Институт систем энергетики им. Л.А. Мелентьева СО РАН, 664033, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 130.

Использование когенерации является одним из приоритетных направлений совершенствования энергоснабжения. Это направление наиболее актуально для энергодефицитных регионов с высоким уровнем тарифов на тепловую и электрическую энергию. В статье на примере Калужской области показана эффективность совершенствования энергоснабжения таких регионов путем использования распределенной когенерации. Приведена характеристика состояния и проблем энергоснабжения региона. Проведен анализ более 100 конкретных проектов реконструкции котельных с переводом в когенерационный режим, оценена экономическая эффективность их реализации, выполнено ранжирование проектов. Определены потенциальные масштабы применения распределенной когенерации в регионе.

Ключевые слова: регион; энергоснабжение; котельная; теплоэлектроцентраль; когенерация; эффективность.

REGIONAL ENERGY SUPPLY IMPROVEMENT THROUGH THE USE OF DISTRIBUTED COGENERATION G.G. Lachkov, A.V. Fedyaev

Melentiev Energy Systems Institute SB RAS, 130 Lermontov St., Irkutsk, 664033, Russia.

Cogeneration is one of the priority directions in energy supply improvement. It is particularly relevant for the energy-deficient regions with high heat and electricity tariffs. For the case of the Kaluga region, the article demonstrates the effectiveness of energy supply improvement in such regions through the use of distributed cogeneration. The state of energy supply in the region is described and its problems are indicated. More than 100 projects of boiler plant reconstruction involving their switch to cogeneration are analyzed with the assessment of their cost-effectiveness and ranking of projects. The potential scale of distributed cogeneration application in the region is estimated. Keywords: region; energy supply; boiler plant; cogeneration plant; cogeneration; efficiency.

Введение

Использование когенерации является одним из приоритетных направлений совершенствования энергоснабжения в нашей стране, что закреплено рядом нормативно-правовых актов. В соответствии с Законом «О теплоснабжении» [1] одним из основных принципов организации теплоснабжения в РФ является обеспечение приоритетного использования комбинированной выработки электрической и тепловой энергии. Во исполнение Закона «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности» [2] Постановлением Правительства РФ от 31.12.2009 г. № 1221 [4] установлено требование для строящихся и реконструируемых объектов по производству тепловой энергии мощностью более 5 Гкал/ч - обеспечение комбинированной выработки тепловой и электрической энергии. Согласно Постановлению Правительства РФ «О требованиях к схемам теплоснабжения, порядку их разработки и утверждения» [3], схемы теплоснабжения также должны разрабатываться с обеспечением приоритетного использования комбиниро-

ванной выработки тепловой и электрической энергии.

Однако на практике во многих регионах России этот принцип не нашел широкого применения и особенно в энергодефицитных регионах, где потребность в электроэнергии не покрывается выработкой местных электростанций. В то же время в таких регионах, как правило, высоки тарифы на электроэнергию и тепло, велика изношенность основного оборудования источников тепла [5]. Использование в энергодефицитном регионе когенерации позволит, с одной стороны, частично компенсировать дефицит собственной электроэнергии, а с другой, повысить эффективность местных систем энергоснабжения.

Применение когенерации в энергодефицитных регионах является актуальным и, как показывают проведенные ранее исследования [9-11], в отдельных случаях может быть вполне эффективным. При этом, если техническая эффективность применения когенерации достаточно очевидна (рис. 1) [7], то его экономическая эффективность требует дополнительного обоснования в каждом конкретном случае.

1Лачков Георгий Георгиевич, кандидат технических наук, главный специалист, тел.: 89148767103, e-mail: g.lachkov@isem.sei.irk.ru

Lachkov Georgiy, Candidate of technical sciences, Chief Specialist, tel.: 89148767103, e-mail: g.lachkov@isem.irk.ru

2Федяев Андрей Витальевич, доктор технических наук, главный научный сотрудник, тел.: 89148851799,

e-mail: 1120.fed@mаil.ru

Fedyaev Andrey, Doctor of technical sciences, Chief Researcher, tel.: 89148851799, e-mail: 1120.fed@mаil.ru

Раздельное производство электроэнергии и тепла

Топливо

100% Топливо

Телоаая электростанция

Электроэнергия

100%

Р.5упнципальная котельная

29% Тепловая энерпия

70%

Когенерация

Рис. 1. Сравнение КПД когенерации и раздельного производства тепла и электроэнергии

Настоящая статья посвящена рассмотрению данного вопроса на примере Калужской области.

Особенности энергоснабжения Калужской области

Калужская область является энергодефицитным регионом, практически не имеет собственных топливных энергоресурсов (если не считать торфа, который в последнее время не используется). Топливно-энергетический комплекс области представлен главным образом электро- и теплоэнергетикой.

По состоянию на 01.01.2014 г. годовое потребление электроэнергии региона составляет 5807,6 млн кВт • ч. В электропотреблении наибольшая доля (41%) приходится на домашние хозяйства и сферу услуг (коммунально-бытовой сектор). Электроснабжение области главным образом (94% от потребности) осуществляется из соседних регионов по линиям электропередачи и лишь 6% потребности региона в электроэнергии покрывают местные электростанции. Со-

став и основные характеристики электростанций региона, каждая из которых является теплоэлектроцентралью (ТЭЦ), приведены в табл. 1.

Существующее состояние ТЭЦ региона характеризуется низким техническим уровнем и изношенностью оборудования, низким качеством теплоснабжения потребителей и неэффективным использованием топлива. Как видно из табл. 1, на всех ТЭЦ относительно высок удельный расход топлива на отпуск электроэнергии (исключение - Калужская ТЭЦ ОАО «Квадра») и тепла. Средний по всем ТЭЦ региона удельный расход топлива на выработку электроэнергии составляет 378,9 г у.т./кВт • ч, а на выработку тепловой энергии - 176,1 кг у.т./Гкал. Для сравнения, по данным [8] в среднем по Росси за 2013 г. удельный расход топлива на отпуск электроэнергии от ТЭЦ составил 327,7 г у.т./кВт• ч, а на отпуск тепла от ТЭЦ -145,1 кг у.т./Гкал.

Таблица 1

Состав и основные характеристики электростанций региона*_

Наименование ТЭЦ Установленная мощность, МВт Удельный расход топлива

на отпущенную электроэнергию, г у.т./кВт • ч на отпущенную теплоэнергию, кг у.т./Гкал

Обнинская ТЭЦ ОАО «Калужская сбытовая компания» 21,0 377,8 203,9

Калужская ТЭЦ ОАО «Квадра» 41,8 283,0 163,5

ТЭЦ ОАО «Калужский турбинный завод» 43,0 488,9 169,3

ТЭЦ-2 ОАО «Калужский турбинный завод» 12,0 668,6 190,6

ТЭЦ ФГУП «ГНЦ РФ-ФЭИ» 6,0 536,5 163,0

ТЭЦ ОАО «Новокондровская ТЭЦ» 12,0 335,5 206,3

*По данным Росстата за 2013 г.

Основными проблемами текущего состояния энергосистемы на территории Калужской области являются: большой износ сетевого хозяйства (более 60%); наличие отдельных частей энергосистемы, в которых имеются ограничения на технологическое присоединение потребителей к электрической сети; недостаток пропускной способности электрических сетей 110 кВ и выше для обеспечения передачи мощности в необходимых объемах; отсутствие возможности обеспечения допустимых уровней напряжения (в том числе недостаточные возможности по регулированию уровней напряжения).

Основу теплоснабжения области на 01.01.2014 г. составляют котельные, которые обеспечивают 6,65 млн Гкал тепловой энергии или 92% от общего теп-лопотребления региона. Отпуск тепла от ТЭЦ составляет всего 0,54 млн Гкал. В потреблении тепловой энергии большая доля (66%) приходится на население и бюджетные организации. Протяженность тепловых сетей в двухтрубном исчислении в регионе составляет 1482,3 км, из них более 266 км (18%) нуждаются в замене.

Функционирование котельных сопряжено с рядом проблем, таких как: изношенность и устаревшее оборудование; недостаточность средств на профилактический ремонт; работа в неэкономичном режиме с

высокими удельными расходами топлива; нехватка и недостаточная квалификация персонала.

Проблемы функционирования тепловых сетей заключаются: в высокой степени износа тепловых сетей и их низкой надежности; высокой повреждаемости, которая приводит к еще более быстрому их износу; отсутствии средств на ремонт и перекладку, что ухудшает их состояние; нарушении тепловой изоляции тепловых сетей и потерях тепла через изоляцию.

В настоящее время в регионе особенно остро стоит вопрос об эффективности в теплоснабжении, где наряду с мероприятиями по энергосбережению необходимо проведение целенаправленной реконструкции теплоисточников.

С учетом энергодефицитности Калужской области и проблем в сфере электро- и теплоснабжения представляется целесообразным более широкое применение в регионе когенерации на базе современных высокоэффективных технологий.

Сравнение удельных расходов топлива на отпуск электроэнергии и тепла по типам тепловых электростанций (ТЭС) в РФ за 2013 г. (рис. 2, 3) [8] показывает, что наиболее эффективными типами когенераци-онных установок в настоящее время являются ТЭЦ с парогазовыми установками (ПГУ-ТЭЦ) и газотурбинные установки с котлами-утилизаторами (ГТУ-КУ).

Рис. 2. Ранжирование ТЭС по величине удельного расхода топлива на отпуск электроэнергии, г у.т./кВт  ч

Рис. 3. Ранжирование ТЭС по величине удельного расхода топлива на отпуск тепла, кг у.т./Гкал

Имея в виду рассредоточенность электрической нагрузки (более 40% электропотребления приходится на домашние хозяйства и сферу услуг) и тепловой (более 65% тепла потребляется населением и бюджетными организациями), а также недостаточность пропускной способности электрических сетей в регионе, логично использовать для энергоснабжения потребителей так называемую распределенную когене-рацию, т.е. энергоустановки малой мощности. Этому в полной мере соответствуют мини-ТЭЦ на базе ГТУ-КУ.

Оценка экономической эффективности применения распределенной когенерации в Калужской области

Проведенный анализ состава и технико-экономических показателей существующих в регионе теплоисточников, а также перспективных объектов промышленности подтвердил, что имеется достаточно большое количество котельных потенциальных для реконструкции с переводом их в мини-ТЭЦ, а также промышленных объектов с возможностью сооружения новых мини-ТЭЦ. Исходя из площадок и тепловых нагрузок существующих котельных, а также предполагаемых энергоисточников новых промышленных предприятий выяснилось, что на территории Калужской области может найти применение порядка 120 газо-

вых мини-ТЭЦ суммарной мощностью почти 1100 МВт. Это может обеспечить выработку около 4,0 млрд кВт • ч дополнительной электроэнергии и отпуск тепла в размере более 7,0 млн Гкал. Реализация таких масштабов развития мини-ТЭЦ потребует 2,2 млрд м3 природного газа.

Для определения экономически эффективных масштабов применения распределенной когенерации в Калужской области была выполнена оценка экономической эффективности сооружения мини-ТЭЦ для каждого конкретного намеченного проекта (выбранной площадки). При этом рассматривались проекты мини-ТЭЦ на базе ГТУ отечественного производства мощностью 2,5-32 МВт каждый. Количество блоков мини-ТЭЦ для каждой площадки определялось согласно графику тепловой нагрузки.

Оценка эффективности вариантов сооружения мини-ТЭЦ проводилась в соответствии с методическими рекомендациями [6] по следующим критериям:

• чистый дисконтированный доход (ЧДД), представляющий собой сумму дисконтированных финансовых итогов за все годы функционирования объекта от начала вложения инвестиций до окончания эксплуатации (проекты, имеющие положительное значение ЧДД, не убыточны, так как отдача на капитал превы-

шает вложенный капитал при данной норме дисконта);

• внутренняя норма доходности (ВНД), которая представляет собой ту норму дисконта, при которой отдача от инвестиционного проекта равна первоначальным инвестициям в проект;

• срок окупаемости или период возврата капитальных вложений, т.е. период, за который отдача на капитал достигает значения суммы первоначальных инвестиций (его рекомендуется вычислять с использованием дисконтирования).

Оценено 114 проектов реконструкции существующих газовых котельных с переводом их в режим мини-ТЭЦ, а также несколько проектов строительства новых когенерационных энергоисточников на перспективных объектах промышленности и коммунально-бытового хозяйства.

Рассмотренные проекты мини-ТЭЦ были ранжированы по степени эффективности следующим образом:

• эффективные, имеющие срок окупаемости проекта от 3 до 5 лет, а также высокую ВНД;

• проблемные, имеющие срок окупаемости проекта от 6 до 8 лет;

• неэффективные, имеющие срок окупаемости проекта 9 и более лет, близкую к норме дисконта ВНД, иногда отрицательный ЧДД.

Выполненный анализ эффективности сооружения мини-ТЭЦ показал следующее:

- эффективными можно считать 42% суммарных мощностей потенциальных мини-ТЭЦ (или 463,5 МВт), среди которых 146,5 МВт приходятся на мини-ТЭЦ,

обеспечивающие теплом коммунально-бытовых потребителей (или 31,6%) и 317 МВт (69,4%) - на мини-ТЭЦ, обеспечивающие теплом промышленных потребителей;

- неэффективных мини-ТЭЦ оказалось порядка 32% (343,5 МВт);

- более 26% (или 289 МВт) проектов мини-ТЭЦ признаны проблемными, так как возможные изменения стоимости газа (в сторону удорожания или учета ставки газораспределительной организации) или невозможность сбыть электроэнергию в энергосистему по принятому тарифу снижают коммерческую эффективность и могут привести в ряде случаев к неэффективному результату. Эти проекты требуют дополнительного обоснования, что возможно путем: а) выбора оптимального состава основного оборудования мини-ТЭЦ и оптимизации загрузки его по тепловому и электрическому графикам нагрузки; б) сокращения обслуживающего персонала на пиково-резервных котельных и, соответственно, затрат; в) создания льготных условий по налогообложению и т.д.

В табл. 2 приведены основные характеристики наиболее эффективных, рекомендуемых в качестве первоочередных проектов мини-ТЭЦ. В том числе: четыре проекта мини-ТЭЦ для покрытия тепловой нагрузки коммунально-бытовых потребителей суммарной установленной электрической мощностью 114 МВт; семь проектов мини-ТЭЦ для покрытия тепловой нагрузки в основном промышленных потребителей суммарной установленной электрической мощностью 91 МВт.

Первоочередные проекты когенерационных энергоисточников

Таблица 2

Наименование площадки Тип/ количество блоков мини-ТЭЦ Мощность энергоисточника * Отпуск электроэнергии, млн кВт •ч Отпуск тепла от мини-ТЭЦ, тыс. Гкал Отпуск тепла от котельной, тыс. Гкал Капи-тало-вложения, млн руб. Срок окупаемости, лет ВНД, %

ОАО «КБК», п. Кондрово ГТУ-16р 3 48 174 182,4 330,6 36,6 1670,4 5 29

Калужская птицефабрика, п. Льва Толстого ГТУ-8р 2 16 30 64,0 120,0 38,4 677,4 5 36

Завод стеновых материалов, п. Северный ГТУ-2,5р 2 5 7,5 27,5 41,3 48,8 272,6 4 44

Калужский завод строительных материалов, п. Силикатный ГТУ-2,5р 2 5 7,5 27,5 41,3 16,5 272,6 5 32

Калужская пивоваренная компания, г. Калуга ГТУ-2,5п 2 5 12 27,5 66,0 29,3 272,6 4 48

Котельная Московского округа, г. Калуга ГТУ-16р 2 32 58 144,0 261,0 40,3 1113,6 5 37

Завод строительного фарфора, г. Киров ГТУ-6р 2 12 23,4 66,0 128,7 33,3 581,2 4 47

Завод чугунных изделий, г. Киров ГТУ-4п 2 8 16 44,0 88,0 27,6 410,6 4 42

Котельная № 17, г. Людиново ГТУ-8р 2 16 30 99,2 186,0 74,2 677,4 4 43

МП «Теплоснабжение», г. Обнинск ГТУ-6р 3 18 35,1 108,0 210,6 1001,0 871,7 5 28

Стекольный завод (проект), г. Еленский ГТУ-16р 2 32 58 176,0 319,0 41,0 1113,6 3 63

*В числителе - электрическая (МВт), в знаменателе - тепловая (Гкал/ч).

Расчеты показывают, что реализация экономически эффективных проектов сооружения мини-ТЭЦ в Калужской области суммарной мощностью 463,5 МВт позволит снизить:

- зависимость энергоснабжения региона от внешних энергоисточников за счет увеличения в электробалансе доли местных электростанций с 6 до 29%;

- средний удельный расход топлива на отпуск электроэнергии от ТЭЦ с 378,9 г у.т./кВт  ч до 282,8 г у.т./кВт  ч;

- средний удельный расход топлива на отпуск тепловой энергии от ТЭЦ с 176,1 кг у.т./Гкал до 139,1 кг у.т./Гкал.

Кроме того, масштабное применение распределенной когенерации в регионе повлечет снижение потерь электрической и тепловой энергии в сетях за счет приближения энергоисточников к потребителям, а также снижение стоимости тепловой и электрической энергии за счет совместного производства и меньшей сетевой составляющей.

Заключение

Применение распределенной когенерации в российских регионах является актуальным и в отдельных случаях может быть вполне эффективным. В частности, в энергодефицитном регионе это позволяет, с одной стороны, частично компенсировать дефицит собственной электроэнергии, а с другой, повысить эффективность местных систем энергоснабжения. При этом, если техническая эффективность применения когенерации достаточно очевидна, то ее экономическая эффективность требует дополнительного обоснования в каждом конкретном случае.

Проведенный анализ возможных масштабов и эффективности использования распределенной коге-нерации применительно к Калужской области показал следующее.

1. В регионе имеется достаточно большое количество котельных, потенциальных для реконструкции с переводом их в мини-ТЭЦ, а также промышленных объектов с возможностью сооружения новых мини-ТЭЦ. Потенциально на территории Калужской области могут найти применение порядка 120 газовых мини-ТЭЦ суммарной мощностью почти 1100 МВт. Это может обеспечить выработку около 4,0 млрд кВт  ч дополнительной электроэнергии и отпуск тепла в размере более 7,0 млн Гкал.

2. Из рассмотренных 120 проектов сооружения мини-ТЭЦ эффективными можно считать 42% суммарных мощностей (или 463,5 МВт), неэффективными - порядка 32% (343,5 МВт), проблемными - более 26% (или 289 МВт).

3. Реализация экономически эффективных проектов сооружения мини-ТЭЦ в Калужской области суммарной мощностью 463,5 МВт позволит снизить:

- зависимость энергоснабжения региона от внешних энергоисточников за счет увеличения в электробалансе доли местных электростанций с 6 до 29%;

- средний удельный расход топлива на отпуск электроэнергии от ТЭЦ с 378,9 г у.т./кВт  ч до 282,8 г у.т./кВт  ч;

- средний удельный расход топлива на отпуск тепловой энергии от ТЭЦ с 176,1 кг у.т./Гкал до 139,1 кг у.т./Гкал.

Кроме того, масштабное применение распределенной когенерации в регионе повлечет снижение потерь электрической и тепловой энергии в сетях за счет приближения энергоисточников к потребителям, а также снижение стоимости тепловой и электрической энергии за счет совместного производства и меньшей сетевой составляющей.

Статья поступила 27.08.2015 г.

Библиографический список

1. О теплоснабжении: фед. закон от 27 июля 2010 г. № 190-ФЗ [Электронный ресурс]. URL: http://zakonrf.net /o_te plosnabzhenii/ (07.08.2015).

2. Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации: фед. закон от 23 нояб. 2009 г. N 261-ФЗ [Электронный ресурс]. URL: http://www.kremlin.ru/acts/bank/30163 (08.08.2015).

3. О требованиях к схемам теплоснабжения, порядку их разработки и утверждения: утв. Постановлением Правительства РФ от 22 февр. 2012 № 154 [Электронный ресурс]. URL: http://base.garant.ru/70144110/ (07.08.2015).

4. Об утверждении Правил установления требований энергетической эффективности товаров, работ, услуг при осуществлении закупок для обеспечения государственных и муниципальных нужд: утв. Постановлением Правительства РФ 31 дек. 2009 г. № 1221 [Электронный ресурс]. URL: http://base.garant.ru/12172703/ (07.08.2015).

5. Башмаков И.А. Анализ основных тенденций развития систем теплоснабжения в России и за рубежом [Электронный ресурс]. URL: http://www.cenef.ru/file/Heat.pdf (06.08.2015).

6. Методические рекомендации по оценке эффективности инвестиционных проектов (вторая редакция) / Мин-во экон. РФ, Мин-во фин. РФ, ГК по строит., архит. и жил. политике;

рук. авт. кол. В.В. Косов, В.Н. Лившиц, А.Г. Шахназаров. М.: ОАО «НПО Изд-во «Экономика», 2000. 421 с.

7. Основы когенерации и малой энергетики [Электронный ресурс]. URL: http://www.cogeneration.ru/base-benefits/ base.html (07.08.2015).

8. Теплоэнергетика и централизованное электроснабжение России в 2012-2013 годах: доклад Министерства энергетики Российской Федерации [Электронный ресурс]. URL: http://www.minenergo.gov.ru/upload/iblock/695/doklad-o-teploenergetike-i-tsentralizovannom-teplosnabzhenii-rossii-v-2012_2013-godakh.pdf (06.08.2015).

9. Федяев А.В., Колегов Ю.Е., Сендеров А.М. Особенности реконструкции и модернизации систем централизованного теплоснабжения г. Нариманов Астраханской области // Вестник ОАО «Промгаз». 2005. Вып. 1. С.73-80.

10. Федяев А.В., Колегов Ю.Е., Сендеров А.М. Разработка технико-экономических предложений по реконструкции и модернизации систем теплоснабжения г. Ахтубинска в связи с газификацией // Вестник ОАО «Промгаз». 2005. Вып. 1. С. 62-72.

11. Эффективность применения газотурбинных технологий в условиях разработки небольших нефтегазоконденсатных месторождений Иркутской области / А.М. Карасевич, Г.Г. Лачков, А.В. Федяев, О.Н. Федяева // Теплоэнергетика. 2012. № 2. С. 41-45.