Техніко – економічні характеристики джерел розосередженої генерації

Розглянуто питання визначення характеристик імовірних джерел генерації. в тому числі оцінки співвідношення кількості електричної та теплової енергії, що виробляється різними системами когенерації. Оскільки режим когенераційної установки в більшості продиктований необхідністю генерації електричної енергії, важливо знати, скільки теплової енергії генерується одночасно, та визначати, яку потребу в тепловій енергії має система енергоспоживання на час генерації. Це дає можливість раціонально використовувати енергетичний потенціал палива і, відповідно, зменшувати собівартість вироблюваної енергії.

Для отримання відповідних характеристик використовуються дані виробників про технічні параметри енергогенеруючих установок, матеріали досліджень кафедри електропостачання.

Нижче наводяться результати аналізу та отримані характеристики для кожного з розглянутих типів установок.

Мікротурбіни

Мікротурбіни (газотурбінні установки) швидко набувають широкого розповсюдження.

Електричний ККД таких пристроїв сягає 25…30%. При утилізації тепла, що виділяється, він може становити 60…70%. Мікротурбіни можуть працювати на широкому спектрі палива – природний газ, метан, бензин, гас. Вміст сажі у вихлопі сучасних моделей в 100 разів менше ніж у дизельного двигуна.

Важливою властивістю мікротурбіни є її здатність працювати на високосірчастих газах, що містять до 7% сірчастого водню (H₂S) з низькою або змінною теплотою згоряння.

Здебільшого одинична потужність машини складає 0.03 — 0.5 МВт (в основному 30, 60, 100 кВт). А загальний ККД може сягати 85%. Електричний ККД - на рівні 27 -33%.

Діапазон електричного навантаження: 10-100%.

Потужність теплова: до 2,5 кВт на 1 кВт електричної енергії.

Вихідна температура теплоносія: (вода) 95°С.

Загальні переваги і недоліки мікротурбін приведені в таблиці 1.4.

 

Таблиця 1.4 - Переваги і недоліки мікротурбін

Переваги	Недоліки
1. Висока надійність у зв'язку з малою кількістю рухомих деталей. 2. Спрощена установка. 3. Компактні розміри. 4. Легка вага. 5. Прийнятний рівень шуму. 6. Низькі емісії. 7. Допустима якість енергії. 8. Можливість автономної роботи. 9. Можливість кластеризації (паралельної роботи декількох установок).	1. Високий рівень початкових інвестицій за 1 кВт. 2. Продуктивність нижча, ніж у поршневих двигунів. 3. Низька вихідна потужність одного модуля. 4. Нова технологія.

 

В таблиці 1.5. приведені, для прикладу, технічні характеристики базових моделей мікротурбін «Capstone». Застосування декількох енергоустановок «Capstone» (об'єднаних єдиною системою автоматики) для нарощування потужності, гарантує надійне і гнучке енергозабезпечення. Окрім цього, системою автоматики при об'єднанні в кластер – енергетичну станцію (передбачено до 100 енергоустановок), забезпечується однакове напрацювання мотогодин кожної установки, тим самим підвищується загальний ресурс енергетичної станції.

Таблиця 1.5 -Параметри мікротурбінних установок

Параметри мікротурбін Capstone	Модель C30	Модель С65
Електрична потужність	30 кВт	65 кВт
ККД електричний	28% (+/- 2)	30% (+/- 2)
КПД загальний	80%	80%
Напруга на виході, трьохфазна	400 - 480 вольт	400 - 480 вольт
Максимальний струм у фазі	46 ампер	100 ампер
Частота струму	50/60 герц	50/60 герц
Вага	478 кг	758 кг
Час виходу на номінальний режим роботи	не більше 2 хвилин	не більше 2 хвилин
Габарити	1900 x 714 x 1344 мм	2108 x 762 x 1956 мм
Паливо	Газ / дизельне паливо	Газ
Витрата газу при номінальному навантаженні	12 м^3	22 м^3
Температура вихлопних газів	275° С	305° С
Вихід теплової енергії	305 000 кДж/год (85 кВт)	571 000 кДж/год (160 кВт)
Термін служби до капітального ремонту	60 000 год	60 000 год

 

Вихлоп мікротурбін є екологічно чистим, що підтверджується найбільш вимогливими сертифікатами відповідності: емісія NOx (оксиди азоту) < 0.2 кг на мВт*год, CO (чадний газ) < 1.3 кг, інші летючі органічні сполуки < 0.4 кг. Завдяки тому, що вихлоп однієї мікротурбіни містить до 120 кВт теплової енергії (модель С60), можливе поєднання з теплообмінниками і кліматичними системами, що використовуються для нагріву води, опалювання (кондиціонування) приміщень, сушки продукції.

Мікротурбіна виробництва компанії «Capstone Turbine Corporation» (США) призначена для вирішення локальних завдань енергопостачання. Її застосовують для згладжування пікових навантажень при паралельній роботі з централізованою мережею, для оперативного нарощування додаткових генеруючих потужностей, для резервування на випадок порушень в централізованій електромережі, для автономного виробництва електроенергії при недоступності електромережі, для спільного виробництва теплової і електричної енергії (когенерації).

Мікротурбіни використовують підприємства нафтової і газової промисловості (видобуток, переробка), міські комунальні служби, торгівельні і сервісні центри. Вони можуть бути встановлені в спортивних спорудах (стадіони, басейни, корти), місцях відпочинку і розваг.

Дизельні установки

В якості первинного двигуна в дизель-генераторах (ДГ) використовуються двигуни внутрішнього згоряння (ДВЗ) із займанням палива від стиснення повітря - дизелі.

Енергія, яка виділяється при згоранні палива, в дизелі виробляє механічну роботу та теплоту. Механічна робота на валу двигуна використовується для виробництва електроенергії генератором електричного струму.

Області використання дизель-генераторів: в якості резервного, допоміжного чи основного джерела електроенергії на підприємствах, в будівництві, адміністративних та медичних закладах, аеропортах, готелях, системах життєзабезпечення і т. ін., в автономному режимі або разом з централізованими системами електропостачання.

Основні характеристики дизель-генераторів:

- Питома ефективна витрата палива - 0,184-0,220 кг/(кВт*год);

- Питома витрата масла - 0,30-1,40 г/ кВт*год;

- ККД електричний – 39 – 47 %;

- ККД (з утилізацією тепла) – 70 - 80 %;

- Потужність одиничної установки - 0,10-5,00 МВт;

- Напруга - 0,4-13 кВ;

- Діапазон робочих режимів - 10-110 % від номінальної потужності;

- Термін служби двигуна (не менше) - 150-300 тис. год.;

- Затрати на ремонт - 5-20 % від вартості;

Дизель-генератори поділяються на:

- Дизель-генератори з повітряним охолодженням. Використання дизельних двигунів повітряного охолодження, які працюють при 3000 об/хв дозволяє отримати хороші масові та габаритні показники. Відсутність рідинної системи охолодження значно спрощує сервіс установок и гарантує працездатність установок незалежно від кваліфікації обслуговуючого персоналу.

- Дизель-генератори з рідинним охолодженням. Дизельні генератори з рідинним охолодженням - це джерела альтернативного та резервного електропостачання для більшості об’єктів. Використання низькообертових дизельних двигунів та найновіших розробок дозволяє добитися мінімального рівня шкідливих вихлопів та моторесурса двигуна в 15 - 18 тисяч мотогодин. Такі генератори при наявності паливного баку відповідної ємності можуть працювати без зупинки двигуна цілодобово.

Можливості при використанні дизель-генераторів:

- резервування потужностей для роботи при відключенні центральних мереж (аварійний режим);

- допоміжний режим роботи паралельно з центральними мережами;

- низька собівартість палива для нафтодобувних компаній та можливість реалізації електроенергії та тепла;

- можливість зниження залежності від зростання тарифів на електроенергію та тепло.

В Україні є заводи з виробництва дизельних двигунів, на базі яких випускаються дизель-генератори потужністю 25 – 1600 кВт. У таблиці 1.6 наведена характеристика дизельних двигунів виробництва Токмакського заводу.

Таблиця 1.6 - Характеристики дизельних двигунів

Марка	Потужність агрегату, кВт	Годинна витрата палива, л/год	ККД агрегату %	Маса агрегату, т
ДГА-25		6,8	30,2	1,65
ДГА-50		12,5	33,0	1,8
ДГА-75		18,0	34,3	2,0
ДГА-100		23,4	35,2	2,3

 

Слід зазначити, що вітчизняні установки істотно поступаються кращим зарубіжним зразкам цієї техніки, перш за все, за ваговими та габаритними показниками, характеристиками шумності і екологічними.

Крім того, ДГУ, наприклад, на базі дизельного двигуна фірми «Waukesha» Р9390G при номінальній потужності 800 кВт має питому витрату палива 0,215 кг/кВт*год і ресурс до капітального ремонту 18 тис. годин.

На рисунку 1.2 представлено залежність годинної витрати палива ДГА від потужності агрегату. Ми бачимо рівномірну прямолінійну залежність. Витрата зростає з підвищенням потужності.

Рисунок 1.2 З алежність годинної витрати палива ДГА від потужності агрегату

 

Вартість електроенергії, що виробляється дизельними електростанціями, складає 0,65...1,10 грн/кВт*год, а вартість 1 кВт встановленої потужності - біля 1200...2000 грн. У вартості електроенергії частка паливної складової (для роботи на дизельному паливі) доходить до 80...85%.

Отже, головним недоліком дизельних електростанцій є висока вартість палива, що робить економічно не вигідним використання дизельних електростанцій в якості основного джерела електропостачання. Доцільним для різних підприємств, установ і організацій являється застосування дизельних електростанцій в якості резервного джерела електропостачання на випадок аварійного відключення живлення від енергосистеми, та в якості допоміжного джерела у випадку обмежених можливостей централізованих джерел енергії при розширенні потужностей. Також доцільним являється застосування дизель-генераторів на об’єктах, де відсутнє централізоване електропостачання, оскільки встановлення дизельної електростанції потребує менших капіталовкладень і затрат часу у порівнянні з приєднанням об’єкту до централізованого джерела електропостачання.

Газопоршневі установки

Газопоршнева електростанція являє собою поршневий двигун внутрішнього згорання (ДВЗ), сполучений з генератором електричного струму в єдиний агрегат.

Газопоршневі установки представлені в широкій гаммі монопаливних дизельних двигунів одиничною потужністю від 0,05 МВт до 17-20 МВт, які можуть працювати на: газі природному, попутному, пропані, біогазі, газі сміттєзвалищ, тощо.

В середньому питомі витрати палива газопоршневих електростанцій складають 0,326 м³/кВт∙год. Вартість 1 кВт встановленої потужності газопоршневих електростанцій складає біля 1500 - 2800 грн. Ціна електроенергії, виробленої газопоршневою електростанцією, складає 0,293 - 0,326 грн/кВт∙год (дані на 2006 рік).

Основою перевагою газопоршневих двигунів перед дизельними є більш дешеве паливо. Вартість електричної енергії, виробленої на газопоршневій установці, в 2,87 рази менше, ніж на дизельній (рисунок 1.3).

Тепловий потенціал газопоршневої установки може сягати від 0,1МВт до 60 МВт.

 

 

Рисунок 1.3 Вартість електричної енергії, виробленої на газопоршневій та на дизельній електростанціях (за даними на 2006 рік)

 

Іншою важливою перевагою газопоршневих установок перед дизельними є екологічна безпека. Так, рівень викидів NOx газопоршневих установок у 3 рази менше ніж у дизельних установок (рисунок 1.4).

 

Рисунок 1.4 Рівень шкідливих викидів дизельної і газопоршневої електростанцій

 

 

Проведено, порівняння характеристик газопоршневих і газотурбінних установок. Для потужностей до 20...30 МВт газопоршневі установки показують себе краще від усіх інших технологій (дизельні, газотурбінні, паротурбінні, парогазові установки). Причому, в діапазоні від 3 кВт до 5 МВт вони поза конкуренцією. По-перше, газопоршневі установки мають високий електричний ККД. Найвищий електричний ККД - до 30 % у газової турбіни, і близько 40 % у газопоршневого двигуна досягається при роботі при номінальному навантаженні. При зменшенні навантаження до 50 %, електричний ККД газової турбіни знижується майже у 3 рази. Газові двигуни мають високий електричний ККД, який практично не змінюється в діапазоні навантаження 50 - 100 %.

Номінальний вихід потужності газової турбіни також залежить від висоти майданчика над рівнем моря і температури навколишнього повітря. При підвищенні температури від -30°С до +30°С електричний ККД у газової турбіни падає на 15 – 20 %. При температурах вище +30°С ККД турбіни - ще нижчий. На відміну від газової турбіни газопоршневий двигун має вищий електричний ККД у всьому інтервалі температур і постійний ККД до +25°С.

Можна зробити висновок, що з усіх вищеперерахованих технологій в якості розподіленого джерела електроенергії найдоцільніше використовувати газопоршневі установки. Крім того, газопоршневі установки можна використовувати в якості когенераційних установок, що дозволяє отримувати ще більший економічний ефект від їх застосування.