Раздел 5 2 Малая энергетика МЭ на основе

Раздел 5. 2. Малая энергетика (МЭ) на основе традиционного топлива 5. 2. 1. Место МЭ в стратегии энергообеспечения потребителей 5. 2. 2. Генерирующие установки для малой энергетики 5. 2. 2. 1. Газотурбинные, газопоршневые, дизельные и газодизельные установки 5. 2. 2. 2. Машина (двигатель) Стирлинга 5. 2. 2. 3. Детандер-генераторные агрегаты

Раздел 5. 2. Малая энергетика (МЭ) на основе традиционного топлива 5. 2. 1. Значение МЭ для России Более 16 млн жителей России находятся вне зоны централизованного электроснабжения и постоянно испытывают проблемы из-за систематических перебоев в снабжении электроэнергией и теплом, а также их дороговизны. Считается, что 2/3 территории России не пригодна для централизованного электроснабжения. Основная часть этой территории расположена в восточной части российского Севера и представляет для страны огромную ценность, так как обеспечивает добычу 47 % нефти, 80 % природного газа, 15 % угля. На этой территории расположено 70 городов, более 360 поселков городского типа, около 1400 мелких населенных пунктов.

Территории с централиз. (голуб. цвет) и децентрализ. энергоснабжением (жёлт. цвет) и неэлектрифицированные

Современная МЭ – третий виток диалектической спирали развития энергетики 1 -й (конец 19 -го – начало 20 -го века): МЭ – ограниченные возможности техники и технологии энергомашиностроительной промышленности, ограниченный спрос на электроэнергию, 2 -й (практически весь 20 -й век): большая энергетика – наращивание единичной мощности энергоагрегатов для повышения КПД и суммарной мощности энергосистем для удовлетворения быстрорастущего спроса на электроэнергию, 3 -й (конец 20 -го – 21 -й век): МЭ – появление конкурентных преимуществ.

Технологическая платформа «Малая распределенная энергетика» Цель Актуальность Негативные факторы: q Потребители в децентрализованных зонах q Наличие нестабильных электрических связей с ЕЭС России Позитивные факторы: q Наличие заделов в области исследований и разработок q. Создание предпосылок для перехода к интеллектуальным энергетическим системам Ожидаемые результаты q внедрение малых когенерационных установок при одновременной модернизации систем теплоснабжения q использование местных энергоресурсов и НВИЭ q повышение надежности энергообеспечения q cнижение капитальных затрат в строительстве Инновационно-технологическое обеспечение структурной перестройки энергетики путем перехода от жестко централизованной системы с преобладанием крупных источников генерации к разнообразию типов и форм развития энергетики в соответствии с особенностями спроса конкретных потребителей, конкретных локальных условий развития и требованиями по повышению энергетической эффективности Технологии, которые предполагается развивать в рамках ТП • ГТУ • микротурбины • газопоршневые агрегаты • новые типы двигателей • энергоустановки со сжиганием твердого топлива в кипящем слое • топливные элементы • накопители энергии • технологии управления в локальных энергосистемах • тепловые насосы • технологии низких тепловых потерь • когенерация

ВИРТУАЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ ÚВиртуальня электростанция (ВЭ) представляет собой объединение 1) распределенных генераторов, 2) управляемых нагрузок и 3) накопителей энергии ВЭ управляется единой системой управления режимами – Energy Management System (EMS) с использованием средств телеуправления, коммуникационных систем и Интернет В энергодефицитных странах концепция ВЭ актуальна в связи с необходимостью использовать нетрадиционные источники энергии, в первую очередь НВИЭ Ú В России концепция ВЭ перспективна для систем электроснабжения изолированных районов при использовании НВИЭ и широкого распространения мини. ГТУ-ТЭЦ 6

Сферы и ситуации предпочтительного развития МЭ в России • Около 1, 5 тыс. удалённых поселений, не обеспеченных централизованным энергоснабжением • При низком качестве централизованного энергоснабжения (частые отключения, колебания и просадки напряжения) • В случаях, когда особенности МЭ являются определяющими преимуществами

Преимущества систем автономного энергоснабжения Основные Дополнительные Малый срок строительства (9 -18 Повышение адаптации потребителей к месяцев) рыночной неопределенности в ценах на энергоресурсы, что способствует повышению Быстрая окупаемость (5 лет – энергетической безопасности при выработке только электроэнергии, 2 -3 г. – при Повышение адаптации самих систем энергетики когенерации и тригенерации) к рыночной неопределенности в развитии экономики и снижение инвестиционных рисков Отсутствие потребности в крупномасштабных электрических и тепловых сетях Большая гибкость и оперативность в освоении новых энергетических технологий Модульность, масштабируемость, мобильность Возможность контроля и управления качеством электроэнергии Возможность выравнивания графика нагрузки и снижения платы за потребленную

5. 2. 2. Генерирующие установки для малой энергетики - газотурбинные, - газопоршневые, - дизельные, - газо-дизельные, - двигатели внешнего сгорания, - детандер-генераторные агрегаты

Принципиальная схема ГТУ и их преимущества ГТД, на основе которых создаются энергетические ГТУ: а) авиационные реактивные ГТД, б) ГТД для морских судов, в) ГТД, созданные специально для энергетического использования. Основные достоинства ГТД и энергетических установок на их основе (ГТУ): 1. Малый удельный вес, компактность, простота транспортировки и легкость монтажа; современные ГТУ (P< 16 МВт) поставляются в виде одного или нескольких блоков полной заводской готовности. 2. Малые объемы вредных выбросов в окружающую среду. 3. Возможность организации сервисного обслуживания, в том числе с быстрой заменой газотурбинного привода ГТУ или агрегатов. 4. Относительно низкие капитальные вложения и малые (для энергетических объектов) сроки окупаемости. 5. Высокая маневренность и скорость набора нагрузки; даже для крупных ГТД время выхода на полную мощность измеряется десятком минут, в отличие от паротурбинных установок, пуск которых из холодного состояния занимает десятки часов. 6. Большинство ГТД допускают перегрузки, т. е. увеличение мощности выше номинальной. Продолжительностью не более нескольких сотен часов. 7. Высокая экономическая эффективность ГТУ достигаемая за счет когенерации (создание ГТУ-ТЭЦ), когда в базовом режиме их работы они производят не только электроэнергию, но и тепло (для отопления, ГВС, для отпуска тепла на производственные нужды). ГТУ в режиме когенерации имеют эффективный коэффициент использования топлива 90 %. На 1 к. Вт электрической мощности при этом вырабатывается 1, 3 -2, 5 к. Вт тепловой. При когенерации стоимость электроэнергии снижается на 2045%, что делает ГТУ-ТЭЦ во многих регионах конкурентоспособными с крупными электростанциями и по стоимости вырабатываемой энергии]. Срок их окупаемости 3 -4 года.

ГТУ в «большой» и «малой» энергетике Внешний вид ГТУ 25 п. 1. 2

Недостатки ГТУ - достаточно высокие требования к качеству природного газа(минимальное содержание серы и щелочных металлов), связанные с необходимостью предотвращения высокотемпературной коррозии на лопатках турбины; - необходимость предварительного сжатия газового топлива, заметно удорожающего производимую энергию (особенно для малых ГТУ) и в ряде случаев препятствующего их внедрению в энергетику. Для современных ГТД с высокими степенями сжатия воздуха, требуется давление топливного газа выше 25 -30 кг/см 2. - резкое падение КПД при снижении нагрузки, эффективность использования ГТД в области нагрузок ниже 60 -50% весьма проблематична; - срок службы ГТД значительно меньше, чем у других энергетических установок и находится обычно в интервале 45 -125 тыс. час. Нижняя граница относится к форсированным ГТД. Однако, как в мировой, так и в российской практике газотурбостроения наблюдается заметный прогресс в увеличении ресурса ГТД.

МАЛЫЕ ГТУ-ТЭЦ ВМЕСТО КОТЕЛЬНЫХ Потенциальные возможности Минимальный вариант Суммарная мощность - 100 ГВт Количество - 12900 шт. Средняя единичная мощность - 7 -8 МВт Максимальный вариант Суммарная мощность - 175 ГВт Количество - 84000 шт. Средняя единичная мощность - 2 МВт Реалистичные оценки 2020 г. 2050 г. - 25 -35 ГВт - 35 -50 ГВт 13

Приход в электроэнергетику высокоэффективных газотурбинных (ГТД), газопоршневых (ГПД) и газодизельных (ГДД) двигателей широкого диапазона мощности – от десятков киловатт до сотен мегаватт – начался в 1980 -е годы. Существенно раньше для автономного электроснабжения стали применять двигатели внутреннего сгорания (ДВС) и дизельные двигатели. На основе ГТД, ГПД и ГДД начали сооружать энергетические комплексы (установки) для комбинированной выработки электроэнергии и тепла.

Тепловой баланс ГПУ без (лев. ) и с (прав. ) утилиз. тепла

Блок ГПД, использующих ПНГ, на нефтепромысле (Томская обл. )

Одна из возможных схем устройства Двигателя Стирлинга

Схема устройства двигателя Стирлинга (ДС) и его упрощенная модель По своим техническим характеристикам и потребительским качествам ДС превосходят ДВС и ГТД: - низкий уровень шума, - почти на два порядка меньшая по сравнению с ДВС концентрация вредных веществ в выхлопных газах, - большой ресурс, - хорошие характеристики крутящего момента. Очень важно, что ДС может работать как на традиционных жидких моторных топливах, так и на газе любого происхождения, а также на газовом конденсате. ДС целесообразно применять в когенерационных установках и системах утилизации теплоты отработанных газов, например, в мини-ТЭЦ.

Одна из возможных схем двигателя Стирлинга. Факторы, препятствующие широкому применению ДС: - большие сложности в создании отдельных узлов (уплотнений, систем регулирования мощности и др. ), - высокие требования к технологии, - необходимость применения жаростойких сплавов и металлов, новых методов их сварки и пайки. Обусловлены они, прежде всего, применением для улучшения эксплуатационных характеристик в качестве рабочих тел гелия и водорода. У российских разработчиков ДС, кроме технических, есть еще финансовые проблемы (отсутствие поддержки государства и крупного бизнеса), которые препятствуют организации серийного выпуска этих машин.

Энергетическая установка с двигателем Стирлинга мощностью до 24 к. Вт, работающая на газе

Основные технические характеристики зарубежных двигателей Стирлинга.

Схема установки ДГА. - Потенциал производства электроэнергии с помощью мощных ДГА в России составляет несколько тысяч гигаватт. Окупаемость проектов – от 3 до 5 лет. - ДГА целесообразно использовать не только в магистральных (высоконапорных) газопроводах, но и в распределительных сетях, где редуцирование газа осуществляется при невысоких давлениях (например, с 1, 8 или 1, 2 до 0, 3 МПа). В этом случае целесообразно вырабатывать не только электрическую энергию, но и холод. При понижении Р газа с 1, 8 до 0, 3 МПа температура его снижается на 70– 80 °С (в зависимости от состава газа и эффективности детандера). При температуре газа на входе в машину + 20°С количество холода составит 60 -80 к. Дж/нм³. Это делает возможным строительство при ГРС промышленных холодильников, емкость которых будет определяться величиной стабильного расхода газа через детандер.

Принципиальная схема электротехнологической детандерой установки. Обозначения: 1 – редукционный клапан ГРС, 2 – винтовой детандер, 3 – электрогенератор, 4 – теплообменник, 5 – холодильная камера, 6 – циркуляционный насос, 7–контур хладагента, 8 – сепаратор.