Система утилизации тепла ГПЭС и ГТЭС

Когда когенерация действительно выгодна

Газовая электростанция производит не только электричество. Значительная часть энергии топлива превращается в тепло: нагреваются выхлопные газы, двигатель, масло, охлаждающая жидкость.

Без системы утилизации это тепло приходится отводить в окружающую среду. С помощью системы утилизации тепла, или СУТ, его используют для отопления, горячего водоснабжения, технологических процессов, производства пара или холода.

Так работает когенерация – одновременное производство электрической и тепловой энергии.

Газовую электростанцию выбирают прежде всего исходя из потребности объекта в электроэнергии. Тепло – дополнительный энергетический ресурс, который имеет смысл использовать настолько полно, насколько это позволяет объект.

Пример энергетического баланса ГПЭС: 43% – электрическая энергия, 45% – полезная тепловая энергия, 12% – потери. Конкретное соотношение зависит от двигателя и схемы СУТ.  Источник: ОЗЭУ

Из 100% топлива можно использовать почти 90%

Электрический КПД современных газовых генераторных установок находится примерно на уровне 40–45%. Остальная энергия не исчезает, ее значительная часть остается в выхлопных газах и системах охлаждения.

Если это тепло утилизировать, суммарная эффективность использования энергии топлива может достигать 90% и более. Часто в материалах по промышленной когенерации приводятся значения электрического КПД до 45% и общей эффективности когенерационной системы свыше 90%.

Важно не путать эти показатели. У двигателя не появляется электрический КПД 90%. Он по-прежнему преобразует в электричество около 40–45% энергии топлива. Остальные полезные проценты появляются за счет того, что предприятие начинает использовать тепло, которое без СУТ было бы потеряно.

Предприятие не вырабатывает больше электричества – оно полнее использует уже сожженное топливо.

Откуда берется тепло в ГПЭС

У газопоршневой установки несколько источников тепловой энергии.

Самый высокотемпературный – выхлоп двигателя. Для промышленных газовых двигателей температура выхлопных газов может составлять около 460 °C. Эту энергию можно использовать для нагрева воды или получения пара.

Другой значительный источник – система охлаждения двигателя. Через теплообменник можно получать горячую воду температурой примерно 82–99 °C. Она подходит для отопления, ГВС и многих технологических процессов.

Дополнительно можно использовать тепло системы смазки и охлаждения наддувочного воздуха. В результате одна ГПЭС одновременно становится источником электрической и тепловой энергии.

Источник тепла	Температурный потенциал	Применение
Выхлопные газы ГПУ	около 460 °C	пар, горячая вода, технологический нагрев
Контур охлаждения двигателя	до 82–99 °C	отопление, ГВС, технологическая вода
Маслоохладитель	ниже основного контура	низкотемпературный нагрев
Охладитель наддувочного воздуха	низкий и средний	предварительный нагрев теплоносителя

Принцип когенерации на газопоршневой установке: электричество вырабатывает генератор, а тепло снимается с охлаждающих контуров и выхлопа.

А у ГТЭС?

У газотурбинной электростанции основным ресурсом для СУТ являются горячие выхлопные газы после газовой турбины.

Их направляют через котел-утилизатор или теплообменное оборудование. В зависимости от проекта можно получать горячую воду или пар требуемых параметров.

Поэтому ГТЭС особенно интересны для объектов, которым кроме электроэнергии требуется значительное количество технологического тепла или пара.

Газотурбинная электростанция ОЗЭУ.

Что дает СУТ на станции мощностью 1 МВт

Возьмем упрощенный пример. Газопоршневая электростанция вырабатывает 1 МВт электрической мощности. Электрический КПД двигателя составляет, скажем, 43%.

Чтобы получить 1 МВт электрической мощности, в двигатель необходимо подвести 1 / 0,43 = 2,33 МВт энергии топлива.

Если еще около 45% энергии топлива может быть получено в виде полезного тепла, доступная тепловая мощность составит 2,33 × 0,45 ≈ 1,05 МВт.

ГПЭС электрической мощностью 1 МВт потенциально может одновременно давать величину порядка 1 МВт тепловой мощности.

Это не универсальная характеристика любой ГПУ. Точное значение зависит от конкретного двигателя, температур контуров, нагрузки и выбранной схемы утилизации. Но порядок величины показывает, почему СУТ имеет смысл рассматривать уже на стадии выбора электростанции.

Пример промышленной когенерации MWM: двигатель TCG 3020 V20 имеет электрическую мощность 2 000 кВт и тепловую мощность 2 066 кВт; суммарная эффективность проекта – 87,8%.

Главное не сколько тепла можно получить, а сколько вы сможете использовать

Предположим, станция способна выдавать 1 МВт тепловой мощности и работает 8 000 часов в год. Теоретический ресурс – 8 000 МВт·ч тепловой энергии в год.

Но предприятие способно использовать в среднем только 70% этого тепла. Тогда полезная выработка составит 8 000 × 0,70 = 5 600 МВт·ч в год.

Именно эти 5 600 МВт·ч, а не паспортный 1 МВт тепловой мощности нужно использовать при расчете экономики проекта.

Если сегодня такое количество тепла производит отдельная газовая котельная, СУТ позволяет заместить соответствующую часть ее топливной нагрузки. Поэтому при проектировании когенерации важна не только мощность оборудования, но и годовой график потребления тепла.

Теплоутилизационное оборудование промышленной когенерационной установки MWM. Реальный эффект определяется тем, сколько тепла потребитель сможет принять по часовому и сезонному графику.  

Почему станцию нельзя выбирать по пиковому отоплению

Допустим, предприятию круглый год требуется 1 МВт электрической мощности. Летом ему одновременно нужно 500 кВт тепла, зимой – 2 МВт.

Можно установить более мощную газопоршневую электростанцию только ради того, чтобы зимой получить недостающие 1,5 МВт тепла. Но большую часть года электрическая мощность такой станции окажется невостребованной. Это ухудшает экономику.

Гораздо рациональнее подобрать ГПЭС по электрической нагрузке, постоянно использовать доступное тепло от двигателя, а пиковую тепловую нагрузку закрывать котельной.

В практических CHP-проектах генерация, котлы и другие источники тепла часто объединяются в общей гидравлической схеме. Электростанция закрывает базовую нагрузку, а котел – пики.

Загрузка станции важнее КПД

Для экономики ГПЭС имеет значение не только паспортный КПД, но и то, насколько полно оборудование работает в течение года.

Если проект ориентирован именно на снижение стоимости энергии, высокая среднегодовая загрузка улучшает экономику. При низкой загрузке капитальные затраты распределяются на меньшее количество выработанных киловатт-часов.

Поэтому для предварительного расчета нужно смотреть сразу на два показателя: загрузку самой электростанции и долю реально используемого тепла.

Потребитель с круглосуточным производством, стабильной электрической нагрузкой и круглогодичной потребностью в горячей воде или паре создает наиболее благоприятные условия для когенерации.

Группа газовых генераторных установок Caterpillar на промышленном объекте. Высокая годовая наработка и стабильная базовая нагрузка – ключевые условия экономики собственной генерации.

Что делать летом?

Один из вариантов – получить из него холод. Для этого СУТ соединяют с абсорбционной холодильной машиной – АБХМ.

Так появляется тригенерация: газ → электроэнергия + тепло + холод.

В отличие от обычного электрического чиллера, АБХМ использует в качестве основного источника энергии тепло.

Одноступенчатые абсорбционные машины могут работать при температуре источника примерно от 93 °C и иметь холодильный коэффициент COP порядка 0,7–0,9. Для более высокотемпературных двухступенчатых машин при температуре около 175 °CCOP может составлять примерно 1,05–1,4.

При COP 0,8: 1 МВт тепла → около 0,8 МВт холода.

Поэтому тепло, которое зимой идет на отопление, летом можно направлять на производство холода. Тригенерация особенно интересна для объектов с постоянной потребностью в охлаждении: ЦОД, пищевых производств, холодильных комплексов и промышленных предприятий.

Микротурбина Capstone C65 без теплоутилизатора и с модулем HRM

Capstone C65 iCHP с интегрированным модулем утилизации тепла HRM. Такие решения применяются в когенерационных и тригенерационных схемах.  

Когда СУТ не нужна

Если объекту требуется только тепло, строить ради этого газопоршневую или газотурбинную электростанцию обычно бессмысленно. Для производства тепла существует более простое и дешевое оборудование – котельная.

Смысл когенерации появляется тогда, когда объекту прежде всего требуется электрическая энергия, а образующееся при ее производстве тепло можно использовать вместо отдельного источника.

Хороший объект для СУТ имеет три характеристики одновременно:

· электростанция много работает в течение года;

·электрическая нагрузка достаточно стабильна;

·значительная часть производимого тепла действительно нужна объекту.

Если одно из этих условий не выполняется, экономику проекта нужно считать особенно внимательно.

Контейнерная когенерационная электростанция ОЗЭУ с СУТ

СУТ не должна управлять работой электростанции

Если предприятию сегодня не нужно тепло, это не должно заставлять газопоршневую или газотурбинную установку останавливаться.

При проектировании предусматривается возможность отводить или обходить лишнее тепло. Для ГПЭС сохраняется штатная система охлаждения двигателя. Для ГТЭС может предусматриваться байпасирование котла-утилизатора.

Автоматика регулирует насосы, клапаны, температуры и расходы теплоносителя в зависимости от текущей нагрузки.

Логика работы: сначала электроснабжение объекта, затем максимально полезное использование доступного тепла.

Промышленное теплоутилизационное оборудование байпасного типа

Что входит в систему утилизации тепла

Состав СУТ зависит от типа электростанции и параметров потребителя. Это могут быть теплообменники контуров ГПУ, котел-утилизатор выхлопных газов, насосы, газоходы, байпас, регулирующая арматура, расширительные емкости, трубопроводы и система автоматического управления.

Для тригенерации к системе добавляется абсорбционная холодильная машина.

В том случае, когда объекту нужен пар, состав оборудования будет одним. Если вода 90/70 °C – другим. Когда зимой требуется тепло, а летом холод – третьим.

Универсальной СУТ «на 1 МВт» не существует.

Что нужно знать до проектирования

Для предварительного расчета недостаточно сказать: «Нам нужна ГПЭС 2 МВт с когенерацией».

Нужно знать электрический график нагрузки, число часов работы в год, необходимую тепловую мощность, температурный график, потребность в паре, сезонность, существующую котельную и режим ее работы.

После этого можно определить, сколько тепла реально доступно от выбранной ГПЭС или ГТЭС и какая доля этого ресурса будет использоваться. И уже затем считать экономику.

Смысл СУТ не в том, чтобы отобрать от электростанции максимальное количество тепла. Смысл – заместить этим теплом энергию, за которую предприятие сегодня отдельно платит.

Именно тогда когенерация становится экономическим инструментом, а не просто дополнительной комплектацией электростанции.

Газотурбинная электростанция ОЗЭУ на объекте.