Когенерация

Когенерация. Что это такое?

Впервые о когенерации в промышленных масштабах заговорили тогда, когда тариф централизованного электроснабжения в России сравнялся с себестоимостью электроэнергии, получаемой при создании собственных генераций, включая расходы на строительство. Но и ранее этот способ параллельного производства тепла и электричества использовался в теплоэлектроцентралях – ТЭЦ.

Суть когенерации – максимизация использования энергии топлива, применяемого в установке, снижение непроизводительных потерь. Вырабатываемое при производстве электрической энергии тепло не выбрасывается в атмосферу, не теряется, а питает снабжаемые инфраструктурные или производственные объекты.

Когенерационная установка

Применяемое оборудование – производитель двух видов энергии – электрической и тепловой. Они выпускаются на базе газопоршневых и газотурбинных агрегатов.

Установки отличаются идеальными характеристиками по двум параметрам:

• мобильность. Небольшой размер позволяет перевозить установки даже на Крайний Север;
• автономность. Пользователь установки не зависит от централизованных систем.

Есть и недостатки экономического характера, срок окупаемости может затянуться из-за неравномерной потребности в тепле в течение года. Применяемое топливо, в основном, газовое.

Принцип работы когенерационных установок

Когенерационные установки предназначены для выработки двух видов энергии – электрической в виде переменного трехфазного тока с частотой 50 Гц, тепловой в виде пара или горячей воды. Эффективность использования топлива в ходе производства увеличивается, что приводит к общему снижению его объема, стоимости, совокупных расходов. Комбинированная генерация дает суммарно больше энергии на единицу затраченного топлива. В зависимости от конструкции оборудования КПД может достигать 92%.

Утилизация тепла от уходящих газов производится с помощью теплообменников. Отработанные газы имеющие высокую температуру, играющие роль теплоносителя, под давлением проходят через экономайзер по теплообменным каналам. Противотоком через каналы прокачивается холодная вода, которая в дальнейшем нагревается. Далее охлажденные выхлопные газы выбрасываются через сбросную систему, а горячая вода поступает к потребителям. 

Варианты исполнения когенерационных и тригенерационных установок

Создавая собственную станцию, можно купить типовую установку или выполнить ее под конкретный объект, по параметрам клиента. Меняются устройство, мощность, используемые виды топлива. Газопоршневые и газотурбинные установки производятся на заказ или по проектам, под потребности заказчика. Также можно заказать дополнительное оборудование к уже имеющимся мощностям.

Преимущества когенерационных и тригенерационных установок

Оборудование, используемое для одновременного производства энергии и тепла или энергии, тепла и холода, достаточно просто по своему устройству, экономично, быстро проходит период окупаемости.

Оно способно обеспечивать автономную работу предприятий или отдаленных населенных пунктов, при условии наличии газа на объекте. Простота в обслуживании, надежность, безотказность привлекает интерес к подобным установкам.

Основное достоинство установок – минимизация потерь тепла при работе. Чем больше производится энергии, тем больше будет тепла. Если оно избыточно, излишки отводятся в атмосферу. Если недостаточно – устанавливаются дополнительные водогрейные пиковые котлы.

Инженерные решения

Работа инженера начинается с проектирования. На этом этапе готовится расчет когенерационной установки, всех ее параметров, режимов работы, характеристик и условий работы, систем автоматизированного управления. Необходимо предусмотреть систему аварийного охлаждения двигателя, потому требуется включить в агрегат систему воздушного охлаждения. Ее элементы обычно размещаются на крыше контейнера газопоршневой установки, либо монтируется в машинном зале здания.

Контур охлаждения заполняется не водой, для избежания разрыва труб при перепадах температуры, а этиленгликолем, который не замерзает и не расширяется. Это обеспечивает безопасность эксплуатации. Система управления требует отдельного внимания при проектировании, как для одной установки, так и для комплекса установок, работающих в параллели между собой.

Управление

Управление процессом когенерации зависит от того, к какой системе относится установка – к централизованной или распределенной. Эти направления развиваются одновременно, централизованное – в рамках генерирующих компаний, распределенное – в виде множества субъектов, управляющих установками – муниципалитетов, частных мини электростанций, совмещенных с котельными, предприятий. В рамках общего управления осуществляется закупка топлива, производство и сбыт электроэнергии, за что отвечают руководители частных ООО или муниципальных МУПов.

Одним из важнейших элементов управления установок является управляющий контроллер. Процессы управления  полностью автоматизированы. На управляющий контроллер выводятся данные от датчиков, предусмотрены возможности управление самой системой, запорно-регулирующей арматурой. Контроллер располагается в щитовой энергоцентра, при этом возможен его вывод в операторскую для удобства управления. Решаются задачи:

• утилизации тепла, которое вырабатывает установка;
• мониторинг температуры газов на всем протяжении их маршрута;
• управления аварийным охлаждением;
• контроля термодинамических характеристик работы оборудования, анализа поступающей от датчиков информации.

Управление установкой требует специальных знаний, обычно производитель или поставщик проводит обучение персонала заказчика.

Режим работы

Установка работает в самых сложных климатических условиях, выдерживая перепады температуры и давления. Производство электроэнергии является приоритетом, тепло, получаемое в процессе удовлетворения энергетических потребностей, если его производится слишком много, сбрасывается в атмосферу. Если тепла требуется больше, устанавливаются дополнительные водогрейные пиковые котлы.

Виды когенерации

Исходя из вида основного теплоносителя, выделяется два вида когенерации:

• теплоносителем является горячая вода;
• теплоносителем становится горячий пар.

В рамках ожиданий заказчика в теплоносителе выбирается тип устройства. Допускается производство устройств смешанного типа, объединяющих оба метода получения и подачи тепла потребителя.

Тригенерация

Еще одно направление смешанной генерации, перспективы развития которого заданы Энергетической доктриной России – тригенерация. Она является самым удобным способом одновременно производить электроэнергию, тепло и холод, ресурсы применяются зимой для обогрева, холод – летом, для снижения температуры или поддержания работы складов скоропортящейся продукции. КПД такого оборудования оказывается еще выше, они способны генерировать ресурсы круглогодично. 

Для производства холода в рамках тригенерации применяются абсорбционные установки. Эти устройства отводят лишнее тепло и поддерживают необходимую температуру.

Топливо

Когенерационные установки потребляют несколько видов топлива, выбор зависит от типа оборудования.

Биогаз или биотопливо считается наиболее перспективным направлением из-за доступности, экологичности, невысокой стоимости. Также можно использовать побочные газы – свалочный, попутный нефтяной, шахтный, рудничный.

Оборудование

Промышленное производство энергоустановок активно развивается в настоящее время. Мощность агрегатов колеблется в диапазоне от 30 кВт до 10 МВт. Основа устройства – газопоршневой/дизельный или газотурбинный двигатель, и генератор. Принцип работы генератора - преобразование механической энергии в электрическую путем вращения проволочной катушки в магнитном поле. 

 КПД современных устройств достигает 90-92% при использовании современных схем работы, исключающих потерю тепла. 

Реализация проектов когенерации

Для Европы комбинированная энергетика не новость. в 2004 году была принята Директива ЕС о развитии когенерации. В ее рамках работает система грантовой поддержки этой формы теплофикации. Программа модернизации российского энергетического рынка предполагает реализацию принципа «умных сетей». Излишки производимой энергии могут направляться в общую сеть, что снизит срок окупаемости установки и повысит конкурентность на рынке. 

При внедрении установки конкретному заказчику производитель или поставщик старается брать на себя весь комплекс работ – от проектирования до монтажа, обучения персонала, ввода в промышленную эксплуатацию, дальнейшего гарантийного и технического обслуживания.

Преимущества когенерации

Основным преимуществом когенерации становится значительная экономия ресурсов. Тепло, вырабатываемое при производстве электроэнергии, не пропадает, а используется для теплоснабжения. Можно выделить еще ряд достоинств совместной выработки тепловой и электрической энергии, которые называет не только Википедия, но и ученые, изучающие проблематику:

• экономия топлива;
• повышение надежности энергоснабжения, больший совокупный коэффициент полезной деятельности, в течение сезона, в котором не требуется отопление и котельные простаивают, продолжается генерация электроэнергии;
• снижения расходов на сооружение и эксплуатацию электрических и тепловых сетей;
• простота технического обслуживания;
• снижение затрат на передачу энергии, установки ставятся рядом с основными потребителями;
• возможность работы на биотопливе местного происхождения;
• сокращение выбросов парниковых и токсичных газов.

Применение технологии способно обеспечить автономное снабжение ресурсами и его итоговое удешевление.

Экономика и эффективность когенерации

Как во всем мире, в российской муниципальной энергетике когенерация быстро находит свое место. Она решает проблемы обеспечения теплом небольших населенных пунктов и производств. Для эффективного развития когенерации в стране требуется:

• организовать розничные рынки электроэнергетики на муниципальном уровне;
• создать систему экономического стимулирования строительства объектов когенерации;
• разрешить сетевым компания строить малую генерацию.

В ситуации, когда потребитель постоянно нуждается в равном количестве тепла и энергии, срок окупаемости оборудования наступает быстро. В ЖКХ, где существует понятие «пиковых нагрузок», а часть времени тепло не потребляется, первичный период окупаемости затягивается. В среднем производство и монтаж установки занимает календарный год, срок окупаемости – около пяти лет, но он зависит и от того, для собственных нужд или на продажу производятся энергоресурсы. Снизить срок окупаемости могла бы грантовая поддержка когенерации, активно применяемая в Европе.

Стоимость реализации проектов когенерации

Активное развитие когенерации в России началось в 2011-2012 году. С точки зрения экономики оно повышает эффективность использования ресурсов, позволяя их экономить.  Перспективы развития зависят от трех факторов:

• себестоимость строительства когенераторных станций;
• уровень расходов на топливо;
• наличие рынка и спроса

В среднем строительство установки обойдется собственнику установки в 750-800 евро за 1 кВт электрической мощности. Но итоговый результат следует рассчитывать с учетом минимизации потерь тепла и экономии топлива.

Оценка современного состояния когенерации в стране говорит о неуклонном повышении ее значения, принято решение перевести на нее ряд муниципальных объектов ЖКХ.

Продуктивная и эффективная когенерация, особенно работающая на биотопливе, в скором времени приведен к снижению себестоимости энергии, в противном случае, экономика страны замедлит свое развитие из-за неуклонного повышения цен на энергоресурсы.