Микротурбины и газопоршневые двигатели — сравнение эффективности

По всей России 8 800 707-75-89
Санкт-Петербург +7 (812) 611-25-89

В числе других приоритетов — повышение доли автономных источников в энергосистеме, интенсивное развитие и широкомасштабное внедрение ресурсосберегающих и экологически чистых энерготехнологий на базе генерирующих установок небольшой мощности. К числу последних относится технология когенерации.

Когенерацией называют способ производства энергии, при котором из одного первичного источника (топлива) на выходе энергоустановки получают два или несколько видов полезной энергии (в большей части когенерационных систем, применяемых в настоящее время, осуществляется совместное производство тепла и электричества).

Преимущества когенерации

Главным преимуществом технологии когенерации является эффективность топливоиспользования, недостижимая при раздельном производстве тепловой и электрической энергии. КПД электростанций составляет от 30 до 50% (остальная часть энергии первичного топлива теряется в виде неиспользуемого тепла). КПД котельной в среднем составляет около 80%. Таким образом, полный КПД системы с раздельным производством тепла и электричества находится в пределах 55–65%. При этом для когенерационных установок (их также называют мини-ТЭЦ или когенераторами), где наряду с генерацией электрической энергии осуществляется утилизация тепла, полный КПД может достигать 90%. Соотношение теплового и электрического КПД когенерационных установок составляет 1:1,2–1,6.

Более полное использование энергии первичного топлива в когенерационных системах — основной фактор, относящий когенерацию к числу перспективных технологических направлений в энергетике, отвечающих требованиям стратегической задачи ресурсосбережения. В течение последних трех десятилетий задача экономии энергоресурсов является приоритетной для многих стран; осознанию ее важности во многом способствовал мировой кризис цен на нефть 1973 года.

С этой точки зрения дополнительным преимуществом когенерационных установок является возможность использования в них как природного газа, так и других газообразных топлив, характеристики которых различаются в весьма широком диапазоне (пропан, бутан, ПНГ, газы химической промышленности, древесный газ, биогаз, пиролизный газ и т.д.). Современный уровень развития технологии позволяет выбрать подходящий тип когенерационной установки для работы на местном газообразном топливе.

Существуют также когенерационные установки, работающие на жидком и твердом топливе. По данным Австралийской ассоциации по когенерации, доля природного газа среди видов топлива, используемых в когенерационных системах, стоставляет около 55%; 25% приходится на долю прочих видов газообразного топлива, 14% — на твердое топливо и 6% — на жидкое топливо.

Многообразие видов используемого топлива, широкий диапазон мощностей (от нескольких десятков киловатт до 10 МВТ и более), возможность кластеризации (установки нескольких модулей, что повышает надежность системы и позволяет оптимизировать управление мощностью в системах с переменным энергопотреблением) — все это делает мини-ТЭЦ практически универсальным вариантом решения проблемы энергоснабжения. Наличие потребности в электрической и тепловой энергии и доступность топлива — уже достаточный набор предпосылок для рассмотрения варианта мини-ТЭЦ.

С автономностью когенерационных систем и возможностью их установки в непосредственной близости от потребителя связаны такие преимущества, как надежность энергоснабжения, отсутствие затрат на подключение к сетям, отсутствие потерь энергии, весьма значительных при ее передаче на большие расстояния в централизованных сетях. Также следует отметить высокое качество электрической (стабильность частоты и напряжения) и тепловой (стабильность температуры) энергии, вырабатываемой когенерационными установками.

Из преимуществ энергоэффективности и гибкости технологии когенерации напрямую вытекает высокий экономический потенциал автономных систем энергоснабжения на базе когенерационных установок. По ряду оценок, сделанных применительно к российским условиям, рационально спроектированная система когенерации позволяет добиться сокращения затрат на энергию приблизительно в 7 раз по сравнению со стоимостью электричества и тепла от централизованных сетей энергоснабжения. Это, в свою очередь, означает существенное снижение себестоимости продукции или услуг в целом. Окупаемость такого рода проектов составляет в среднем от 3 до 6 лет.

По своим экологическим характеристикам когенерационные установки соответствуют требованиям сегодняшнего дня. Основным же их преимуществом с точки зрения экологии является то, что повышенная эффективность использования первичного топлива в когенераторах позволяет снизить выбросы вредных веществ в атмосферу в 2–3 раза по сравнению с использованием традиционных энерготехнологий, основанных на раздельном производстве тепла и электричества.

Помимо перечисленного набора общих «плюсов» когенерации, существует также ряд специфических факторов, повышающих привлекательность данной технологии в условиях России. Главные из них — это:

  • кризис централизованной энергетики, изношенность оборудования, высокая частота аварий и перегруженность сетей тепло- и электроснабжения;
  • рост тарифов на электроэнергию и тепло;
  • высокая стоимость подключения к сетям, сопоставимая с затратами на сооружение мини-ТЭЦ (к тому же подключение доступно не везде, и даже там, где оно доступно, решение этого вопроса нередко занимает длительное время);
  • необходимость освоения удаленных регионов, не охваченных сетями централизованного энергоснабжения.

При этом когенерация — относительно новая для России технология. Только в последнее десятилетие в нашей стране стал наблюдаться серьезный интерес к проектам мини-ТЭЦ, тогда как опыт использования этой технологии на Западе составляет порядка 25 лет.

Основные принципы реализации и виды когенерационных систем

Основными компонентами любой системы когенерации являются:

  • первичный двигатель;
  • электрогенератор;
  • система утилизации тепла.

Тип первичного двигателя — базовый признак, по которому классифицируютя системы когенерации. В настоящее время распространены следующие виды когенерационных установок:

  • газотурбинные;
  • газопоршневые;
  • микротурбинные.

В газотурбинных мини-ТЭЦ роль первичного двигателя (привода электрогенератора) выполняет газовая турбина (ГТ). Установки данного типа используются преимущественно для обеспечения энергетических нужд крупных промышленных потребителей; их применение целесообразно в диапазоне мощностей от 6 МВт и выше. Для малых мощностей альтернативными вариантами являются следующие два типа когенераторов.

В газопоршневых мини-ТЭЦ приводом электрогенератора служит поршневой ДВС на газообразном топливе. На сегодняшний день этот тип установок является наиболее распространенной разновидностью когенерационных систем небольшой мощности.

Основным видом топлива для газопоршневых мини-ТЭЦ является природный газ. Также в газовых ДВС могут использоваться альтернативные виды газообразного топлива, как высококалорийные (пропан, бутан), так и газы с низкой и средней теплотворной способностью (древесный, пиролизный, коксовый, попутный нефтяной, биогаз и т. д.). Кроме того, многие виды газопоршневых когенерационных установок допускают перенастройку с одного вида газового топлива на другой.

Нижний предел допустимых нагрузок для газопоршневых установок составляет 30–50% от номинальной мощности, причем снижение нагрузки в этих пределах почти не влияет на электрический КПД. Ресурс газопоршневых мини-ТЭЦ составляет от 200 до 250 тыс. моточасов.

Газопоршневые установки характеризуются высокой эффективностью топливоиспользования (общий КПД может достигать 90%). Удельная стоимость газопоршневых мини-ТЭЦ находится в пределах $750–1100 за 1 кВт установленной мощности.

Микротурбинные когенераторы представляют собой новейший тип когенерационных установок, в которых выработка тепла и электроэнергии осуществляется газотурбинным генератором малой мощности (25–300 кВт).

Единственная движущаяся деталь микротурбинной установки — высокоскоростной вращающийся вал, на котором размещены турбина, электрогенератор и компрессор. Используемый принцип компоновки обеспечивает высокую эксплуатационную надежность и компактность турбинных генераторов. Основное преимущество микротурбинных когенерационных установок — возможность работы с переменной нагрузкой в диапазоне от 0 до 100% без сокращения ресурса. Также микротурбинные установки характеризуются низким уровнем шума при работе и хорошими экологическими показателями, что делает возможным их использование в жилых районах. Общий КПД микротурбинных когенераторов составляет 85–90%.

Основным недостатком микротурбинных установок по сравнению с газопоршневыми является их высокая удельная стоимость ($1600–1800 за 1 кВт). Столь значительная разница в капитальных затратах отчасти связана с тем, что микротурбинные когенерационные установки представляют собой новую технологию, промышленное освоение которой началось в конце 1990-х гг., тогда как мини-ТЭЦ на газопоршневых двигателях — зрелая технология с большим промышленным опытом использования.

Заключение

Несмотря на все перечисленные выше преимущества когенерации, распространение данной технологии в России сдерживается cравнительно низкой покупательной способностью отечественных потребителей энергии. В этих условиях высокие первоначальные затраты, связанные с приобретением микротурбинного когенератора, являются фактором, сужающим спектр применения, по крайней мере, на ближайшие несколько лет.

Использование микротурбинных установок экономически оправдано, когда их ключевые преимущества имеют принципиальное значение (там, где имеет место переменный характер нагрузки с периодическим ее падением до нулевых или близких к нулевым значений, в местах, где критичен уровень шума, производимого установкой), в диапазоне мощностей до 250 кВт.

Газопоршневые системы, представленные большим числом моделей как зарубежных, так и отечественных производителей, в диапазоне мощностей от 250 кВт до 6 МВт остаются рациональным и эффективным решением для большинства типовых задач автономного тепло- и электроснабжения.

© 1997 — 2019
FAS