Повышение энергоэффективности системы электроснабжения Салехарда с применением когенерации

ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ САЛЕХАРДА С ПРИМЕНЕНИЕМ КОГЕНЕРАЦИИ

© Г.Г. Лачков1

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

РЕЗЮМЕ. ЦЕЛЬ. Повышение энергоэффективности системы электроснабжения г. Салехарда в условиях большой изношенности основного оборудования и высокой стоимости топлива является актуальной задачей. В статье показана действенность применения когенерации как средства повышения энергоэффективности системы электроснабжения этого муниципального образования. МЕТОД. Выводы основаны на сравнительном анализе альтернативных сценариев. РЕЗУЛЬТАТЫ. Кратко охарактеризована система электроснабжения города, изложены предлагаемые энергосберегающие мероприятия в сфере производства и передачи электроэнергии, показаны возможные масштабы развития системы электроснабжения муниципального образования на период до 2020 года, оценен эффект энергосбережения от реализации предложенных мероприятий. ВЫВОДЫ. Применение когенерации в Салехарде позволит сэкономить более 68 тыс. тонн условного топлива ежегодно, тем самым существенно повысить энергоэффективность системы электроснабжения города.

Ключевые слова: система электроснабжения, электрическая сеть, электростанция, когенерация, энергосбережение, энергетическая эффективность.

Формат цитирования: Лачков Г.Г. Повышение энергоэффективности системы электроснабжения Салехарда с применением когенерации // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2016. Т. 20. № 10. С. 135-141. DOI: 10.21285/1814-3520-2016-10-135-141

IMPROVING SALEKHARD POWER SUPPLY SYSTEM ENERGY EFFICIENCY USING

COGENERATION

G.G. Lachkov

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

ABSTRACT. PURPOSE. Improvement of energy efficiency of the Salekhard power supply system is a relevant problem due to heavy wear of permanent equipment and high fuel cost. The paper demonstrates the effectiveness of applying cogeneration as a means to enhance energy efficiency of this city power supply system. METHOD. The conclusions are based on a comparative analysis of alternative scenarios. RESULTS. The city power supply system is briefly described, the proposed energy saving measures in the field of electricity production and transmission are presented, and the potential expansion of the municipality power supply system for a period of time until 2020 is shown. The effect of energy saving from the implementation of the proposed measures is estimated. CONCLUSIONS. The application of cogeneration in the city of Salekhard will allow to save about 68 thousand (tonne of oil equivalent) toe of fuel annually which will considerably enhance the energy efficiency of the municipal power supply system.

Keywords: power supply system, electric network, electric power plant, cogeneration, energy saving, energy efficiency

For citation: Lachkov G.G. Improving Salekhard power supply system energy efficiency using cogeneration. Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2016, vol. 20, no. 10, pp. 135-141. (In Russian) DOI: 10.21285/1814-35202016-10-135-141

Введение

Энергетика

S5S Power Engineering

Оригинальная статья / Original article УДК: 697.34:620.9(571.16) DOI: 10.21285/1814-3520-2016-10-135-141

Проблема высокой энергозатратности российской экономики общеизвестна -по энергоемкости валового внутреннего продукта (ВВП) наша страна уступает ведущим странам мира в несколько раз [1].

Поэтому максимально рациональное использование энергетических ресурсов является стратегической целью государственной энергетической политики в сфере повышения энергетической эффективности

1

Лачков Георгий Георгиевич, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, e-mail: g.lachkov@isem.irk.ru

Lachkov Georgiy, Candidate of technical sciences, Senior Researcher, e-mail: g lachkov@isem.irk.ru

экономики [2]. Это в полной мере относится не только к сфере потребления энергоресурсов, но и к сфере производства и доставки энергоресурсов потребителям, в том числе к сфере электроснабжения.

Энергетическая эффективность -это характеристики, отражающие отношение полезного эффекта от использования энергетических ресурсов к затратам энергетических ресурсов, произведенных в целях получения такого эффекта, применительно к продукции, технологическому процессу, юридическому лицу, индивидуальному предпринимателю2.

Применительно к системам электроснабжения такими характеристиками в первую очередь являются процент потерь

электроэнергии в электрических сетях при ее передаче и удельный расход топлива на электростанциях при производстве электроэнергии.

По данным [3], наименьший удельный расход топлива имеют теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) на базе парогазовых установок (ПГУ) и газотурбинные установки (ГТУ) в комбинации с котлами-утилизаторами (КУ). Это подтверждает тот факт, что применение когенерации является одним из путей повышения энергоэффективности систем электроснабжения за счет снижения удельного расхода топлива.

Статья посвящена рассмотрению этого вопроса применительно к системе электроснабжения г. Салехарда.

Краткая характеристика системы электроснабжения муниципального образования (МО)3 город Салехард

Система электроснабжения МО город Салехард пока не имеет связи с Тюменской энергосистемой. Электроснабжение осуществляется от собственных источников, работающих на природном газе и дизельном топливе. Электрическая энергия

генерируется тремя дизельными электростанциями (ДЭС), одной газотурбинной электростанцией (ГТЭС) и одной тепловой электростанцией (ТЭС). Характеристика генерирующих мощностей названных источников содержится в табл. 1.

Характеристика генерирующих мощностей МО г. Салехард Characteristic of Salekhard municipality generating capacities

Таблица 1 Table 1

Наименование / Name Установленная мощность, МВт / Installed generating capacity, MW Год ввода в эксплуатацию / Commissioning year Ресурс до капремонта, тыс. час / Time between overhauls, thousands of hours Удельный расход топлива4, г. у.т./кВт-ч / Specific fuel consumption, goe/kWh

ДЭС-1 / DPP-1 19,4 1994 64 290

ДЭС-2 / DPP-2 12,5 1999 61 290

ГТЭС-3 / GTPP-3 39,4 2001 20 432

ТЭС-14 / TPP-14 14,0 2009 60 328

ДЭС Пельвож / DPP of Pelvozh 0,4 1999 12 348

2Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации: федеральный закон от 23.11.2009 № 261-ФЗ

Из-за специфики основного оборудования и неразвитости тепловых сетей тепловые мощности электростанций практически не используются (отпуск тепловой энергии в сеть от электростанций составляет лишь 3,8 % от общего производства тепла в городе). Большая часть тепла, получаемого на электростанциях при охлаждении основного оборудования и в котлах-утилизаторах, выбрасывается.

Основной объем выработки электрической энергии (82%) производится на ГТЭС-3. Однако газотурбинные агрегаты этой электростанции в значительной степени выработали свой ресурс. Сохранение в работе этих старых агрегатов становится нерентабельным.

Электрическая сеть напряжением 35, 6 и 0,4 кВ на территории г. Салехарда имеет радиальную конфигурацию. Суммарная протяженность воздушных (ВЛ) и кабельных (КЛ) линий электропередачи составляет почти 695 км, в том числе: ВЛ 35 кВ - 8,3 км; ВЛ 6 кВ - 147,8 км; КЛ 6 кВ - 166,7 км; ВЛ 0,4 кВ - 236,4 км; КЛ 0,4 кВ - 133,4 км.

Питание электроэнергией распределительных сетей осуществляется от двух повышающих подстанций (ПС) 6/35 кВ («Дизельная» и «Турбинная») и одной понижающей ПС 35/6 кВ («Центральная»). В связи с непрерывным ростом нагрузок и подключением новых объектов капитального строительства эти центры питания практически исчерпали свои возможности по установленной мощности, а ПС «Дизельная» - и по пропускной способности потребительских обмоток. Потребительские обмотки силовых трансформаторов в осенне-зимний период работают с перегрузкой 10%. В этой ситуации невозможно обеспечить электроэнергией новые объекты капи-

тального строительства, а работа в таком режиме повышает вероятность выхода трансформаторов из строя.

Распределение электроэнергии в городе происходит через распределительные пункты (РП) 6 кВ, трансформаторные подстанции (ТП) 6/0,4 кВ. Количество РП 6 кВ - 2 ед.; ТП 6/0,4 кВ - 154 ед.; силовых трансформаторов, установленных в РП, - 4 ед.; силовых трансформаторов, установленных в ТП, - 252 ед. Суммарная мощность силовых трансформаторов РП - 4 МВА; силовых трансформаторов ТП - 162,73 МВА.

Сечение проводов многих городских линий электропередачи не соответствует возросшим за последние годы нагрузкам. Такое состояние линий приводит к росту технических потерь электрической энергии.

В 2014 г. электростанциями МО г. Салехард было выработано 348,85 млн кВтч электрической энергии. При этом в качестве топлива было использовано

о

115,30 млн м3 природного газа и 8,49 тыс. т дизельного топлива. Удельный расход топлива на отпуск электроэнергии составил 427 г. у.т./ кВтч. Собственные и технологические нужды предприятий энергетики, а также потери электроэнергии в пристанционных узлах в сумме составили 13% от выработки, потери при передаче по сетям - 22 %.

Высокий удельный расход топлива на электростанциях, а также большие потери в электрических сетях обусловливают наличие в системе электроснабжения МО г. Салехард значительного потенциала энергосбережения, который на уровне 2020 г. оценивается в объеме 80 тыс. т у.т.

Для реализации этого потенциала необходим комплекс организационных и технических мероприятий.

Мероприятия по повышению энергоэффективности системы

В качестве организационных и технических мероприятий повышения энергоэффективности в системе электроснабжения МО г. Салехард могут рассматриваться:

- проведение обязательных энергетических обследований на объектах электрогенерации и электросетевого хозяйства;

- использование при развитии систем электроснабжения энергоэффективного оборудования;

- вывод из эксплуатации устаревшего неэффективного энергетического оборудования;

- оптимизация схем и режимов работы электростанций и электрических сетей.

Проведение обязательных энергетических обследований на объектах электрогенерации и электросетевого хозяйства не реже 1 раза в 5 лет предписано существующим законодательством в сфере энергосбережения5. Энергетические обследования позволяют получить наиболее достоверную информацию об объеме используемых энергетических ресурсов и о показателях энергетической эффективности.

В результате проведенного энергоаудита уточняются детальные параметры состояния систем электроснабжения, на основе которых корректируются состав и объемы реализации технических мероприятий повышения энергетической эффективности в сфере производства, транспортировки и распределения электроэнергии.

Ориентация на энергоэффективное оборудование (с меньшими удельным расходом топлива, расходом электроэнергии на собственные нужды, потерями электроэнергии) при планировании развития систем электроснабжения, также предписанная федеральным законодательством в сфере энергосбережения, позволяет избежать в последующем дополнительных затрат на приведение показателей энергоэффективности в соответствие с целевыми показателями.

Вывод из эксплуатации неэффективных (с высоким удельным расходом топлива) энергоблоков и электростанций позволяет сэкономить значительные объемы топлива.

Оптимизация режимов работы гене-

рирующего оборудования электростанций (в том числе загрузка в первую очередь наиболее экономичных энергоблоков; поддержание за-грузки всех энергоблоков максимально близко к номинальной и т.п.) способствует уменьшению расхода топлива на производство электроэнергии.

Оптимизация схем и режимов работы электрических сетей ведет к минимизации потерь электроэнергии при ее транспортировке.

В качестве основного мероприятия, которое будет способствовать повышению энергетической эффективности системы электроснабжения МО г. Салехард, предлагается замещение изношенных и неэффективных (с высоким удельным расходом топлива) электростанций новой когенера-ционной ТЭС. В рамках предлагаемого мероприятия выводу из эксплуатации подлежат ДЭС-1, ДЭС-2 и ГТЭС-3 суммарной установленной мощностью 71,3 МВт, а новым когенерационным источником рассматривается ТЭС «Полярная», сооружаемая вблизи г. Салехарда. За счет применения когенерации и ПГУ технологии удельный расход топлива на выработку электроэнергии на вновь сооружаемой ТЭС будет гораздо ниже аналогичного показателя действующих электростанций города, что позволит существенно повысить энергетическую эффективность системы электроснабжения и сэкономить значительные объемы топлива (в том числе дорогостоящего дизельного).

Проект строительства в г. Салехарде газовой ТЭС «Полярная» мощностью 268 МВт реализуется ОАО «Корпорация развития» (до 2012 г. - «Корпорация Урал Промышленный - Урал Полярный»). Строительство ТЭС «Полярная» было предусмотрено Программой развития электроэнергетики Ямало-Ненецкого автономного округа на период 2012-2017 гг., утвержден-

5Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации: федеральный закон от 23.11.2009 № 261-ФЗ (ред. от 13.07.2015) [On energy saving, energy efficiency improvement and introduction of amendments to individual legislative acts of the Russian Federation: Federal Law of 23 November 2009 no. 261-ФЗ (edition of 13 July 2015)]. Available at: http://www.energosovet.ru/npb1189.html (accessed 19 May 2016).

ной постановлением правительства ЯНАО от 28 апреля 2012 г., с целью преодоления энергодефицита региона [4]. Состав генерирующего оборудования ТЭС «Полярная» приведен в табл. 2, сформированной по данным [5].

В качестве мероприятий, повышающих энергетическую эффективность электрических сетей, могут рассматриваться мероприятия, включенные в Программу комплексного развития систем коммунальной инфраструктуры МО г. Салехард [6]:

1. Модернизация существующих электросетевых объектов, в том числе:

• расширение на 16 МВА дополнительной мощности центра питания распределительных сетей ПС «Дизельная» путем монтажа дополнительных трансформаторов 6/6 кВ с целью отбора электроэнергии непосредственно с генераторных шин;

• установка на подстанции «Центральная» двух дополнительных ячеек типа К-59 с вакуумными выключателями, микропроцессорной защитой и телеуправлением;

• модернизация существующих распределительных сетей напряжением 0,4-6 кВ с увеличением сечения проводов, заменой деревянных опор на железобетонные и применением современных материалов и самонесущих изолированных проводов.

2. Сооружение новых электросетевых объектов - строительство новых трансформаторных подстанций и линий электропередачи для обеспечения возможности подключения новых потребителей электроэнергии, в том числе объектов нового капитального строительства.

Реконструкция изношенных и перегруженных участков электрических сетей напряжением 6 кВ и 0,4 кВ с заменой проводов на провода с большим сечением и на самонесущие изолированные провода позволит существенно снизить потери электроэнергии в электрических сетях города при ее транспортировке и повысить надежность и качество электроснабжения потребителей.

Таблица 2

Состав генерирующего оборудования ТЭС «Полярная»

Table 2

Composition of Polyarnaya CH P plant generation equipment

№ Тип / Type Производитель / Manufacturer Марка / Model Мощность / Capacity Количество / Number

Турбины / Turbines

1 Газовая / Gas turbine Siemens SGT-600 23 МВт 23MW 1

2 Газовая / Gas turbine Siemens V93.2 73,7 МВт 73.7 MW 2

3 Паровая/ Steam turbine Skoda MTD 40 CA 94 МВт 94MW 1

Генераторы / Generators

1 - ABB AMS1120LK - 1

2 - ABB TLR193/36 - 2

3 - Skoda SGen5-100A-2P - 1

Котлы / Boilers

1 Паровой/ Steam boiler Babcock Borsing Steinmuller CZ s.r.o. - - 1

2 Водогрейный / Hot water boiler INVELT Service s.r.o. FG 41,7 W - 1

Энергетика

S5S Power Engineering

Эффект от реализации предложенных мероприятий

Для оценки энергосберегающего эффекта от применения предложенных мероприятий по повышению энергоэффективности системы электроснабжения МО г. Салехард были сформированы два сце-

нария ее развития на период до 2020 г.: без реализации (1) и с реализацией (2) предлагаемых мероприятий. Основные показатели этих сценариев представлены в табл. 3.

Показатели развития системы электроснабжения Indices of power supply system development

Таблица 3

Table 3

Показатели / Indices 2014 г. 2020 г.

Сценарий 1 / Scenario 1 Сценарий 2/ Scenario 2

Суммарная установленная мощность электростанций, МВт / Total installed generating capacity of power plants, MW 85,66 85,66 282,36

Суммарная годовая выработка электроэнергии, млн кВт-ч / Total annual electricity generation, million kWh 348,85 370,85 1502,72

Собственные, технологические нужды и потери электроэнергии в пристанционных узлах, млн кВт-ч / Auxiliary and process power consumption and electricity losses at Pot Head Yards, million kWh 45,35 48,21 90,16

Отпуск электроэнергии в сеть, млн кВтч / Electricity supply to the network, million kWh: - всего / total - в т.ч. в городскую сеть / including electricity supply to the municipal network - в т.ч. в региональную сеть6 / including electricity supply to the regional network 303,50 303,50 322,64 322,64 1412,56 302,24 1110,32

Потери электроэнергии в городской сети, млн кВт-ч / Electricity losses in the municipal network, million kWh 76,75 81,60 61,20

Полезное потребление электроэнергии в МО, млн кВт-ч / Useful electricity consumption in the municipality, million kWh 226,75 241,04 241,04

Удельный расход топлива на отпуск электроэнергии, г. у.т./кВтч / Specific fuel consumption for electricity generation, goe/kWh 426,7 426,7 230,0

Расход топлива на отпуск электроэнергии, тыс. т у.т. / Fuel consumption for electricity supply, thousands toe: - всего / total - в т.ч. на отпуск в городскую сеть / including electricity supply to the municipal network 129,5 129,5 137,67 137,67 324,89 69,52

Заключение

Сравнительный анализ сформированных сценариев развития системы электроснабжения позволяет сделать следующие выводы:

- за счет применения когенерации удельный расход топлива на отпуск электроэнергии в МО г. Салехард в целом сократится с 427 г. у.т. /кВтч в 2014 году до

6В соответствии с Инвестиционной программой развития сетевого хозяйства ОАО «Тюменьэнерго» ведутся работы по сооружению линии электропередачи 220 кВ Надым - Салехард - Лабытнанги / According to the Investment program for the development of the JSC "Tyumenenergo" power grids, a 220 kV power transmission line Nadym-Salekhard - Labytnangi is being constructed.

230 г. у.т. /кВтч в 2020 году (почти в 2 раза). Это позволит экономить топлива в объеме более 68 тыс. т у.т. ежегодно;

- годовые потери при передаче электроэнергии в МО г. Салехард за счет реализации мероприятий по реконструкции и модернизации городских электрических

сетей сократятся на 20,4 млн кВтч (или на 25%), что эквивалентно экономии топлива в объеме около 5 тыс. т у.т.;

- суммарная годовая экономия ТЭР в результате реализации рассмотренных мероприятий достигнет к 2020 г. 73 тыс. т у.т.

Библиографический список

1. Энергоэффективность и развитие энергетики: проект государственной программы РФ [Электронный ресурс]. URL: http://gisee.ru/upload/ib-lock/517/gosprogramma_13_20.pdf (19.05.2016).

2. Энергетическая стратегия Росси на период до 2030 года [Электронный ресурс]. URL: http://сацминэнерго.рф/docs/base/Расп.Прав.РФ_171 5р-13.11.09-Энерг.стратегияРФ-2030. pdf

3. Теплоэнергетика и централизованное электроснабжение России в 2012-2013 годах: доклад Министерства энергетики Российской Федерации [Электронный ресурс]. URL: http://www.minener-go.gov.ru/upload/iblock/695/doklad-o-teploenergetike-i-

tsentralizovannom-teplosnabzhenii-rossii-v-2012_2013-godakh.pdf

4. Корпорация развития возобновляет строительство ТЭС «Полярная» на Ямале [Электронный ресурс]. URL: http://energomap.com/news/5076

5. ТЭС «Полярная» [Электронный ресурс]. URL: http://energomap.com/station/327

6. Программа комплексного развития систем коммунальной инфраструктуры муниципального образования город Салехард на 2012-2015 годы и на перспективу до 2020 года [Электронный ресурс]. URL: http://docs.pravo.ru/document/view/22401673/8081508 9/

References

1. Proect gosudarstvennoy programmy Rossijskoy Federacii «Energoeffectivnost i razvitie energetiki» [Draft of the State Program of the Russian Federation "Energy Efficiency and Development of Power Engineering]. Available at: http://gisee.ru/upload/ib-lock/517/gosprogramma_13_20.pdf (accessed 19 May 2016).

2. Energeticheskaya strategiya Rossii na period do 2030 goda [Russia's Energy Strategy until 2030]. Available at: http://сацминэнерго.рф/docs/ba-se/Расп.Прав. РФ_1715р-13.11.09-Энерг.стратегия РФ-2030^ (accessed 19 May 2016).

3. Doklad Ministerstva energetiki Rossiyskoy Federacii «Teploenergetika i centralizovannoe elektrosnabzhenie Rossii v 2012-2013 godakh» [Report of the Ministry of Energy of the Russian Federation "Heat power engineering and centralized power supply in Russia in 2012-2013"]. Available at: http://www.minener-go.gov.ru/upload/iblock/695/doklad-o-teploenergetike-i-

Критерии авторства

Лачков Г.Г. полностью подготовил статью и несет ответственность за плагиат.

Конфликт интересов

Автор заявляет об отсутствии конфликта интересов.

tsentralizovannom-teplosnabzhenii-rossii-v-2012_2013-godakh.pdf (accessed 19 May 2016).

4. Korporaciya razvitiya vozobnovlyaet stroitelstvo TES Polyarnaya na Yamale [Development Corporation restarts the construction of the Polyarnaya thermal power plant on Yamal]. Available at: http://energomap.com/news/5076 (accessed 10 May 2016).

5. TES Polyarnaya [The Polyarnaya Thermal Power Plant]. Available at: http://energomap.com/station/327 (accessed 10 May 2016).

6. Programma kompleksnogo razvitiya sistem kommu-nalnoy infrastruktury municipalnogo obrazovaniya gorod Salekhard na 2012-2015 gody i na perspektivu do 2020 goda [A program for comprehensive development of municipal infrastructure systems in the municipality of Salekhard in 2012-2015 and until 2020]. Available at: http://docs.pravo.ru/document/view/22401673/8081508 9/ (accessed 10 May 2016).

Authorship criteria

Lachkov G.G. has written the article and bears the responsibility for plagiarism.

Conflict of interest

The author declares that there is no conflict of interests regarding the publication of this article.

Статья поступила 01.08.2016 г.

The article was received on 01 August 2016