СУЩЕСТВУЮЩИЕ ВАРИАНТЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПИКОВЫХ ИСТОЧНИКОВ ТЕПЛОТЫ
Применяемое на ТЭЦ теплофикационное оборудование разработано несколько десятилетий назад и на сегодняшний день в значительной степени устарело и требует модернизации. За прошедшее время многие заложенные в основу проектов теплоисточников и систем транспорта теплоты концептуальные технические и технологические решения требуют пересмотра или существенной корректировки. Эта необходимость обусловлена как кардинально изменившимися экономическими условиями, так и опытом зарубежных стран, показавшим огромные возможности совершенствования теплофикационных систем [115, 132, 134, 135, 142].
В Дании, Финляндии, Швеции, Германии доля централизованного теплоснабжения достигает 30-40% от общего теплопотребления [124-126, 131]. В развитых странах мира (США, Германии, Японии, Финляндии и др.), несмотря на наличие крупных электростанций для теплоэнергоснабжения потребителей, особенно в пиковых режимах, широко применяют автономные источники на базе газотурбинных установок (ГТУ) и двигателей внутреннего сгорания (ДВС) малой и средней мощности. Их количество уже достигает нескольких десятков тысяч [128, 133, 139, 140].
Экономичность теплофикационных ГТУ по сравнению с паротурбинными ТЭЦ весьма высока, удельный расход условного топлива на отпускаемую электроэнергию на газотурбинных ТЭЦ ниже на 20-5 г/(кВт ч) [32].
В нашей стране в связи с децентрализацией некоторых производств в ряде случаев также становится экономически выгодным обеспечивать теплоснабжение не от районных ТЭЦ, а от промышленных котельных, превращая их в мини-ТЭЦ с ГТУ или ДВС [63].
Учитывая, что в водогрейных котлах в качестве основного топлива используется природный газ, эффективно дополнять их газотурбинными установками, о чем свидетельствует тот факт, что установка в водогрейной котельной с четырьмя котлами ПТВМ-100 четырех газовых турбин ГТ-12 позволяет дополнительно получать 263 млн кВт ч электроэнергии и экономить 21,2 тыс. тонн условного топлива в год [32].
Принципиальная схема отопительной газотурбинной ТЭЦ (ГТЭЦ) представлена на рис. 1.23. Утилизация теплоты уходящих газов ГТУ осуществляется в водогрейном котле-утилизаторе, который может работать в основном или пиковом режиме и в зависимости от этого должен быть рассчитан на подогрев сетевой воды до требуемой температуры.
Электростанции такого типа могут быть созданы по различным схемам. Особенность ГТЭЦ с аккумулированием теплоты (рис. 1.23) заключается в максимальном использовании теплоты уходящих газов в период работы ГТУ для одновременного отпуска теплоты потребителям и зарядки баков-аккумуляторов горячей водой при температуре 95 °С с отпуском накопленной теплоты в период отключения ГТУ [91]. Вместимость и количество баков-аккумуляторов должны выбираться исходя из тепловой нагрузки ГТЭЦ и продолжительности ежесуточного останова на ночь. При останове на 8 часов вместимость баков превышает выбранную по существующим нормам в 2-2,5 раза. В процессе ночного отпуска теплоты происходит полный обмен воды с поочередным отпуском горячей воды и заполнением баков более холодной водой из обратной магистрали.
В режимах температур наружного воздуха, при которых температура сетевой воды по температурному графику должна превышать 95 °С, необходимый нагрев воды ночью будет обеспечиваться при автономном режиме работы котла-утилизатора. При работающей ГТУ в периоды, когда теплоты уходящих газов недостаточно для зарядки аккумуляторных баков, может быть организован режим работы котла-утилизатора с дополнительным подводом топлива.
В [32] отмечается, что котлы КВ-ГМ-100 и КВ-ГМ-180 целесообразно комплектовать ГТУ мощностью 16 и 25 МВт соответственно, при этом экономия условного топлива может достигать 30 тысяч тонн в год.
При применении ГТУ НПО «Машпроект» (г. Николаев) и водогрейных котлов АО «Энергомаш» (г. Белгород) модуль ГТУ-16 + КВ-ГМ-100-ГТУ обеспечивает электрическую мощность 16-18 МВт, теплопроизводительность в утилизационном режиме 20 Гкал/ч и с подводом к котлу дополнительного топлива 100 Гкал/ч. Применение КВ-ГМ-180 с ГТУ-25 обеспечивает тепловую нагрузку до 200 Гкал/ч.
Водогрейные котлы КВ-ГМ-100 и КВ-ГМ-180 могут работать в автономном режиме без ГТУ на газе и мазуте и в комбинированном режиме с ГТУ.
Проблема использования газотурбинных установок на теплоисточниках представляет собой достаточно объемный материал, который в настоящее время разрабатывается многими исследователями [2, 32, 63, 133, 139, 140]. В настоящей работе в связи со значительным объемом и наличием большого количества публикаций по этой проблематике газотурбинные установки подробно не рассматриваются.
Наблюдения за работой ТЭЦ, крупных котельных и тепловых сетей в ряде городов России показывают, что в последние годы режимы работы большинства теплоисточников и систем теплоснабжения существенно изменились [33, 93, 94]. Систематические неплатежи за тепловую и электрическую энергию, удорожание топливно-энергетических ресурсов, старение оборудования и неприспособленность его к современным условиям эксплуатации - все это поставило производителей тепловой и электрической энергии в очень тяжелые условия работы.
Поэтому требуется немедленное совершенствование существующих и разработка новых высокоэкономичных и эффективных технологий работы источников пиковой тепловой мощности, основанных на принципах энергосбережения, экологической безопасности и рационального природопользования [112].
Проблемы развития энергетики России и Поволжья обсуждались участниками одноименной конференции, которая состоялась в Саратовском государственном техническом университете в ноябре 2000 года. Основатель Саратовской теплоэнергетической школы профессор А.И. Андрющенко в своем докладе [4] представил несколько путей повышения экономической эффективности теплофикации: снижение потерь в тепловых сетях в 2-3 раза; уменьшение капиталовложений в тепловые сети не менее, чем в 2 раза; прекращение убыточной конденсационной выработки электроэнергии теплофикационными турбинами ТЭЦ; использование оптимальных режимов работы теплофикационного оборудования. Часть этих задач может быть решена при внедрении комбинированных систем теплоснабжения [2], в которых сочетаются парогазовые районные ТЭЦ и местные тепловые центры с отопительными котельными или мини-ТЭЦ при максимальной утилизации тепловых выбросов предприятий района. Теплоснабжение жилых домов осуществляется от этих центров по двухтрубной сети с прямым водоразбором на горячее водоснабжение. При этом районная ТЭЦ по однотрубной сети круглогодично подает в эти центры горячую воду для подпитки их сетей очищенной водой с постоянной температурой 60-70 °С. Поскольку график нагрузки горячего водоснабжения (водоразбора из сети) в течение суток близок к графику электропотребления города, режим работы районной ТЭЦ по выработке электроэнергии будет близким к наивыгоднейшему. Вся отопительная нагрузка в такой системе покрывается энергоисточниками теплового центра при их сезонной работе.
Автор другого доклада, представленного на конференции, проф. Ю.М. Хлебалин отмечает, что в настоящее время и в ближайшем будущем при отсутствии инвестиций на создание нового оборудования в энергетике и, в частности, на ТЭЦ важна разработка малозатратных способов повышения мощности и экономичности станций [90]. К таким мероприятиям с минимальными капиталовложениями, со сроком окупаемости менее одного года и с положительным экономическим эффектом при модернизации ТЭЦ относятся следующие: дополнительный подогрев сетевой воды для систем теплоснабжения питательной водой энергетических котлов; применение частичного перегрева пара на промышленных ТЭЦ; дополнительная загрузка промышленных отборов турбин для покрытия внутреннего теплопотребления ТЭЦ.
Особенностью современного состояния систем теплоснабжения городов России является значительный износ основного и вспомогательного оборудования ТЭЦ, котельных, магистральных и распределительных сетей, который достигает 60-80%. Недостаток финансовых ресурсов позволяет лишь поддерживать это оборудование в относительно работоспособном состоянии, не улучшая показатели тепловой и экономической эффективности. В связи с этим в [50] предлагается повысить эффективность систем теплоэнергоснабжения путем догрузки ТЭЦ по тепловой энергии за счет замещения низкоэкономичных местных котельных (МК) и перевода их в пиково-резервные или переоборудования в тепловые пункты по следующим вариантам: двухтрубный транспорт теплоты от ТЭЦ до МК с установкой на станции дополнительных подогревателей и насосов;
то же, при установке на ТЭЦ турбины низкого давления для привода электрогенератора;
замещение нагрузки горячего водоснабжения от МК в летний период с прокладкой новых теплосетей;
однотрубный транспорт теплоты от ТЭЦ для замещения нагрузки горячего водоснабжения потребителей, покрываемой МК в течение года, при этом МК обеспечивает только отопительную нагрузку.
Как видно из рассмотренных выше публикаций и докладов, проблема повышения эффективности обеспечения тепловых нагрузок, в том числе пиковых, является одной из важнейших проблем, определяющих стратегию развития теплоэнергетики России. Особенно актуальной эта проблема стала в последние десятилетия в связи с переходом к рыночной экономике и постоянным ростом цен на энергоносители.
