Что такое мини ТЭЦ?

Мини-ТЭЦ или малая теплоэлектроцентраль представляет собой энергетическую теплосиловую установку, предназначенную для электроснабжения и теплоснабжения потребителей. Фактически – это та же тепловая электростанция, но малой мощности, не превышающей 25 МВт, принцип работы которой основан на сжигании разнообразных видов топлива.

В силу чего она обладает:

• автономностью,
• компактностью,
• независимостью,
• возможностью выступать в роли дублирующего (резервного) источника любых необходимых энергетических ресурсов: электричества, горячей воды и пара, а иногда ещё и холода, сжатого воздуха и продуктов его разделения.

Мини-ТЭЦ на острове Русском – одной из крайних точек РФ

Всё это превращает мини станцию в весьма востребованный агрегат, способный не только обеспечить всеми потребляемыми видами энергоресурсов собственника установки, но и предоставить ему способ реализовать её потенциальные возможности путём продажи энергоресурсов сторонним потребителям. Последнее может даже предусматривать предоставление ряда льгот, предусмотренных решениями федеральных или региональных органов власти.

Устройство мини-ТЭЦ

Как и обычные стационарные тепловые электростанции, мини-ТЭЦ включают в себя устройство ряда обязательных элементов:

• Силового агрегата – газопоршневого, газотурбинного или дизельного двигателя. Предназначенного для получения механической энергии вращения посредством использования внутренней тепловой энергии топлива, извлекаемой вследствие сгорания топлива.
• Электрогенератора, приводимого в действие двигателем, обычно находящегося с ним на одном валу.
• Теплообменника, выполняющего роль утилизатора тепла, забираемого от охлаждающей двигатель воды, машинного масла, выхлопных газов.
• Ряда вспомогательных устройств, предназначенных для хранения и подачи воды, топлива, масла; отвода уходящих газов; приёма и распределения электрической энергии; устранения пиковых нагрузок тепловой энергии – водогрейного котла; обеспечения безопасности и контроля.

Структурная схема мини-ТЭЦ

Структура в общих чертах отражает типовую конструкцию маломощных ТЭЦ на углеводородных видах топлива, которые широко используются в практике общемировой теплоэнергетики. 

Принцип работы мини-ТЭЦ

Принцип действия установки в малых масштабах повторяет техническую схему работы ТЭЦ, где вращение лопастей турбины под воздействием перегретого пара преобразуется генератором в электрическую энергию. С той лишь разницей, что иногда вместо паровой турбины находят применение газовые и дизельные агрегаты. 

Принцип работы их не требует выработки пара, заменяемого топливно-воздушной смесью, приводящей в движение механизм, преобразующий энергию движения поршней во вращение двигателя. Что вызывает работу электрогенератора.

Мини-ТЭЦ

Во время осуществления процесса происходит значительное выделение тепла, используемого для отопления, горячего водоснабжения, обеспечения паром. Одновременное получение тепловой и электрической энергии носит название когенерации (комбинированной выработки – генерации двух энергетических компонентов на одной установке). 

Схема работы когенерационной установки

Топливо для мини-ТЭЦ

В качестве топлива для работы мини-ТЭЦ могут выступать: горючие газы, жидкости и твёрдые вещества. Значительное количество отечественных станций функционирует благодаря природному газу, являющемуся весьма недорогим и эффективным энергоресурсом на территории нашей страны. Однако в качестве альтернативы, приведшей к распространению ТЭЦ на газообразных видах топлива, могут выступать:

• попутный нефтяной газ,
• жидкий газ (сжиженные углеводороды),
• биогаз, 
• свалочный газ,
• шахтный газ, 
• очистной газ,
• рудничный газ,
• коксовый газ.

О том, что к 2020 году 90% объектов мини-ТЭЦ (ТЭС) функционировало именно на газе, свидетельствует выпущенный Санкт-Петербургским политехническим университетом Петра Великого «Качественный и количественный анализ тепловой энергетики малых мощностей в России» под редакцией В. А. Петрущенкова и И. А. Коршакова» (рис. 6, стр. 65). 

Среди жидких видов используемых топлив можно отметить:

• биодизель,
• нефть, 
• мазут,
• дизельное топливо.

Наиболее употребляемыми видами твёрдых топлив выступают:

• уголь,
• торф,
• древесина,
• биотопливо.

Основные разновидности мини-ТЭЦ

Предлагаемые сегодня рынком мини теплоэлектростанции можно подразделить на следующие виды:

• паротурбинные с противодавленческой турбиной, отдающие на нужды потребителей весь или часть отработанного пара;
• паротурбинные с конденсационной турбиной, оснащённой теплофикационным отбором или отборами пара для нужд потребителей;
• газовые мини станции, реализуемые на базе газотурбинных установок с утилизацией тепловой энергии;
• газопоршневые мини-ТЭЦ, использующие газопоршневой двигатель в качестве силовой установки;
• газодизельные агрегаты;
• дизельные станции, вырабатывающие высокопотенциальное (выхлопные газы) и низкопотенциальное (охлаждение двигателя) тепло;
• парогазовые мини-ТЭЦ, производящие пар за счёт тепла выхлопных газов, который в последствие направляется на работу турбин.

Преимущества мини-ТЭЦ

Факторами, оказавшими существенное влияние на повсеместное распространение объектов малой энергетики – каковых в США к 2014 году насчитывалось 12 млн, общей мощностью в 220 ГВт (данные Российского энергетического агентства) – стали:

• существенный износ основных энергетических фондов;
• конструктивные недостатки, присущие объектам энергетики значительной мощности;
• достаточно низкий кпд ТЭЦ, ГЭС, АЭС, разнообразных котельных;
• комплекс обостряющихся экологических проблем.

В то время как, повсеместно использующие природный газ и иные широко распространённые виды топлива, устройства не только лишены значительного количества проблем, создаваемых традиционными производителями энергии, но и имеют по сравнению с ними значительные преимущества:

• близость к потребителям, что существенно снижает издержки на транспортировку тепловой и электрической энергии и потери в сетях;
• низкая стоимость вырабатываемых энергоносителей (уменьшенная в 3-4 раза), приводящая к малым срокам окупаемости вложений (вследствие невысокой цены на сам агрегат и отпускаемые им энергоресурсы к настоящему времени они составляют 3-5 лет);
• надёжность и независимость энергоснабжения;
• легко улавливаемые и утилизируемые отходы;
• компактность, автономность и малый уровень зависимости установок от присутствия значительных объёмов топлива, дающая возможность при необходимости перевезти мини-ТЭЦ для проведения капитального ремонта, реконструкции или обеспечения энергетическими ресурсами новых потребителей.

Современные маломощные теплоэнергетические установки имеют существенные плюсы и минусы, последние из которых: недостаточный уровень мощности (актуально на энергоёмких крупных предприятиях) и необходимость постоянного контроля состояния оборудования, что подчас весьма затруднительно в локализованных условиях эксплуатации, компенсируются наличием нескольких станций и обеспечением должного обслуживания специализированными компаниями.

Сферы применения мини-ТЭЦ

Эксплуатируемый в настоящее время парк мини–ТЭЦ работает на всех видах используемого топлива, среди которых более всего выделяется газовая составляющая. Именно поэтому они находят повсеместное и многофункциональное распространение, что убедительно подтверждает выше упомянутый «Качественный и количественный анализ…», приводя:

Распределение мини-ТЭЦ (ТЭС) по отраслям

Варианты размещения мини-ТЭЦ

В зависимости от выставляемых условий, существующих обстоятельств и требований заказчика, разработчик, выполняя проектирование мини-ТЭЦ, обязан предусмотреть возможные варианты её размещения:

• Или внутри капитального помещения совместно с сопутствующим оборудованием, системами и агрегатами.
• Или в блочно-модульном исполнении. Данный вариант наиболее актуален в тех случаях, когда предусматривается возведение ТЭЦ на таких видах топлива, которые требуют значительных площадей для складирования и переработки.

Блочно-модульная мини-ТЭЦ

Стационарное исполнение внутри помещения

Особенности внедрения мини-ТЭЦ

В силу того, что мини-ТЭЦ в большинстве своём работают на природном газе или иных видах пожароопасного топлива, а сама эксплуатация мини энергетических установок связана с работой опасных производственных объектов и обслуживанием действующих электроустановок, на первоначальном этапе внедрения требуется выполнить ряд важных мероприятий:

1. Получить ТЗ на проектирование мини-ТЭЦ и ТУ на подключение газового оборудования и подключение установки к электрооборудованию.
2. Провести проектно-исследовательские работы, собрав всю необходимую информацию об обеспечении топливом и сведения об оборудовании – потребителе тепловой и электрической энергии.
3. Учесть необходимость выполнения природоохранных мероприятий.
4. Выполнить проект и провести его согласование в надзорных и контролирующих органах.
5. Обеспечить надлежащее обслуживание оборудования путём подготовки собственного персонала эксплуатирующей организации или посредством заключения соглашения со специализированным подрядчиком.

Этапы строительства мини-ТЭЦ

После того, как проектирование мини-ТЭЦ будет завершено, все необходимые согласования получены, а прохождение государственной экспертизы завершиться положительным заключением, можно приступать непосредственно к производству работ по монтажу объекта, включающего в себя:

1. Подготовку места строительства.
2. Приобретение необходимого оборудования и расходных материалов.
3. Выполнение комплекса строительно-монтажных работ.
4. Сдачу объекта органам надзора, завершаемую получением разрешительных документов.
5. Проведение пуско-наладочных работ.
6. Ввод оборудования в эксплуатацию. Эксплуатация мини теплоэлектроцентрали в обязательном порядке подразумевает гарантийное, а возможно – и послегарантийное обслуживание.

Основные показатели газопоршневой мини-ТЭЦ и расчёт её окупаемости

Одними из наиболее эффективных установок тепловой энергетики малой мощности считаются газопоршневые агрегаты, имеющие простую и надёжную конструкцию и обладающие электрическим кпд ТЭЦ на уровне 39-43%. Список их основных показателей включат в себя:

• Общую электрическую мощность, кВт.
• Общую тепловую мощность, Гкал.
• Стоимость ГПУ, руб.
• Габаритные размеры, м.
• Потребление газа, нм³/ч.
• Расход масла на угар, г/кВт∙ч.
• Годовая выработка электрической энергии, кВт∙ч/год.
• Годовая выработка тепловой энергии, Гкал/год.

Расчёт окупаемости такого рода теплоэнергоцентрали предполагает: учёт мощности, загрузки (в моточасах), вариант исполнения ГПУ, наличие системы утилизации, учёт региональных тарифов, энергетическую эффективность используемого природного газа. Что позволяет в результате получить:

• Удельную стоимость одного кВт установленной мощности.
• Себестоимость одного кВт∙ч вырабатываемой электроэнергии.
• Себестоимость иных видов вырабатываемой энергии в виде тепла и холода.
• Срок окупаемости энергетической установки.

Авторитетнейшее мнение по вопросу перспектив развития мини-ТЭЦ можно увидеть в докладе директора института энергомашиностроения и механики НИУ «МЭИ» Сергея Старкова: