Технические аспекты строительства миниТЭЦ на МВТ

Обоснование оптимизации систем централизованного теплоснабжения районного масштаба
В условиях дефицита и роста цен на углеводородное топливо актуальным является поиск новых технических решений в сфере производства, транспорта и потребления электроэнергии. Вопросы, касающиеся энергосбережения, снижения энергетической составляющей в себестоимости продукции стали еще более актуальными и заставили по-новому взглянуть на методы и возможные пути реализации программы по снижению энергопотребления, повышения конкурентоспособности продукции и приросту ВВП.
Оптимизация схемы теплоснабжения районных городов определяется необходимостью экономии топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) и замещения импортируемого природного газа местными видами топлива (МВТ) развитием комбинированной выработки тепловой и электрической энергии.

Основные подходы к модернизации централизованных систем районного масштаба
Модернизация системы теплоснабжения районных городов, как правило предусматривает реконструкцию котельной средней мощности под использование местных видов топлива с внедрением когенерационных технологий и расширением зоны теплоснабжения за счет подключения тепловых потребителей рядом расположенных котельных, подлежащих консервации или переводу в тепловые подстанции. Обычно после модернизации, централизованное теплоснабжение планируется осуществлять по закрытой схеме двухтрубной системы и температурным графиком сетевой воды 130/70 (110/70)°С, со срезкой 70 (65)°С.

Вид типового графика годовой нагрузки зоны теплоснабжения
районной котельной

Задачи модернизации централизованных систем теплоснабжения
Основными задачами инвестирования в реконструкцию являются:
– повышение энергетической эффективности и надежности работы системы теплоснабжения;
– замещение импортируемого природного газа в результате увеличения доли использования МВТ как непосредственно на котельной, так и в республиканских масштабах вследствие замещения электроэнергии вырабатываемой на замыкающей КЭС;
– снижение затрат на покупку электроэнергии, тем самым уменьшение себестоимости производства тепловой энергии;
– снижение выбросов СО2 за счет применения комбинированной выработки тепловой и электрической энергии.

ОСНОВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ИЗ БИОМАССЫ
- паросиловые циклы с применением воды в качестве рабочего тела (ТЦР);
паросиловые циклы с применением низкотемпературных рабочих тел (ОРЦ);
- процессы термической конверсии (газификации) топлива с последующим сжиганием генераторного газа в двигателе внутреннего сгорания (ГПА, газовая турбина);
- прямое сжигание твердого топлива в камере сгорания газовой турбины – КПД 14-16%;
-получение биогаза, с последующим сжигание в двигателях внутреннего сгорания;
- газотурбинная установка с внешним сжиганием топлива;
- установки на основе двигателя Стирлинга.

Принципиальная схема реконструкции котельной с применением ТЦР

Принципиальная схема реконструкции котельной с применением ОЦР

Схема модуля ОЦР

Цикл Ренкина для органического рабочего тела
Термическое масло нагревает и испаряет органическую рабочую жидкость в испарителе (8→3→4).
Испаренная рабочая жидкость вращает турбину (4→5), которая через эластичную пару соединена с электрогенератором.
Далее испаренная жидкость проходит через регенератор (5→9), где она нагревает рабочую жидкость подающуюся в испаритель (2→8).
Затем эта жидкость конденсирует в конденсаторе (охлаждаясь водой) (9→6→1). Органическая жидкость, с помощью насоса (1→2) поступает из регенератора в испаритель, тем самым завершая полный цикл

Внешний вид модуля ОЦР

Основные преимущества
модулей ОЦР
высокий электрический КПД модуля ОЦР;
высокий внутренний относительный КПД турбины ( до 85 %);
небольшое механическое напряжение турбины и отсутствие редуктора (низкая окружная скорость);
отсутствие эрозии лопаток (процесс протекает в сухом паре);
простота запуска/останова;
постоянное автоматическое управление;
отсутствие необходимости увеличения штата обслуживающего персонала;
бесшумность работы;
Высокий диапазое регулирования мощности (от 10% номинального);
высокий КПД на переменных режимах режиме;
минимальное техническое обслуживание;
большой ресурс работы.

Область применения модулей ОЦР
Совместная выработка тепловой и электроэнергии при использовании в качестве топлива древесной и другой биомассы;
Рекуперация теплоты выхлопных газов ДВС, газы сушильных установок и дымовые газы котлов;
Использование геотермальных источников энергии;
Использование солнечной энергии.

Принципиальная тепловая схема парогазовой установки с внешним сгоранием топлива и паросиловым циклом на органическом теплоносители
1 - компрессор; 2- газовая турбина; 3 - топка котла;
4 - высокотемпературный воздухоподогреватель;
5- теплообменник промежуточного масляного контура;
6- экономайзер; 7- дымосос;
8-потребитель тепловой энергии; 9-испаритель НКРТ;
10- насос промежуточного масляного контура;
11-турбина;12-конденсатор;
13- питательный насос.

Парогазовой установки с внешним сгоранием топлива и паросиловым циклом на органическом теплоносители ОГРАНИЧЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ НАГРЕВА ВОЗДУХА
Основные условия ограничивающие максимальную температуру воздуха перед турбиной:
максимальная температура продуктов сгорания до 1100ºС - обусловлено температурой спекания золы;
максимальная температура стенки металлической трубы до 925…950ºС;
увеличение стоимости теплообменника для достижения высоких температур, применение жаростойких сталей и керамических поверхностей нагрева;
- загрязнение и коррозия поверхностей теплообмена.
Возможны для снижения температуры в камере сгорания, при сбросе воздуха после турбины в камеру сгорания (полная рекуперация), необходимо поддерживать коэффициент расхода воздуха 3<α<5. При значениях коэффициента расхода воздуха α<2,5, необходимо осуществлять регенерацию в контуре газовой турбины в отдельном теплообменнике.

Парогазовой установки с внешним сгоранием топлива и паросиловым циклом на органическом теплоносители ОГРАНИЧЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ НАГРЕВА ВОЗДУХА
Возможные варианты снижения температуры в камере сгорания, при сбросе воздуха после турбины в камеру сгорания (полная рекуперация), необходимо поддерживать коэффициент расхода воздуха 4<α<6.
При значениях коэффициента расхода воздуха α<1,5, необходимо желательно осуществлять регенерацию в контуре газовой турбины в отдельном теплообменнике.

Парогазовой установки с внешним сгоранием топлива и паросиловым циклом на органическом теплоносители ЭФФЕКТИВНОСТЬ ВЫРАБОТКИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
Коэффициент расхода воздуха после топки котла а – соответственно:
а - α=3,5; б – α =4;
в – α =4,5; г – α=5.
Температура воздуха перед турбиной соответственно:
1 - 700ºС; 2 - 750 ºС;
3 - 800ºС; 4-850 ºС;
5-900ºС; 6 – линия
максимального КПД системы.

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ УСТАНОВКИ, ПРИВЕДЕННЫЕ К ТЕПЛОВОЙ МОЩНОСТИ ПОТОКА ТОПЛИВА РАВНОЙ 100 КВТ И МАКСИМАЛЬНОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ ВОЗДУХА 900ºС

Парогазовой установки с внешним сгоранием топлива и паросиловым циклом на органическом теплоносители ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ ПОВЕРХНОСТИ НАГРЕВА
Применение различных конструкций теплообменников, труб с криволинейной поверхностью, позволяет уменьшить поверхность нагрева
1) Размещение высокотемпературного теплообменника в кипящем слое (топка кипящего слоя), повышение коэффициента теплоотдачи, со стороны греющего теплоносителя до 500Вт/(м2·К);
2) Применение структурированных труб ( с криволинейной поверхностью), позволяет повысить коэффициент теплоотдачи продуктов сгорания до 270-300 Вт/(м2·К), при скоростях газа 0,1-0,2 м/с.

Парогазовой установки с внешним сгоранием топлива и паросиловым циклом на органическом теплоносители
К преимуществам данной комбинированной установки можно отнести:
Высокая эффективность комбинированного цикла;
Сжигание различных видов биомассы, с высоким содержанием смол, что для технологии газификации топлива является большой проблемой;
Использования контура на низкокипящем рабочем теле, позволяет эффективно использовать энергетический потенциал продуктов сгорания;
Отсутствие абразивного износа лопаток газовой турбины;
Использования топлива с высокой влажностью;
К недостаткам данной комбинированной установки можно отнести:
Для нагрева воздуха в ВП ГТУ до 900°С, необходимо применение жаропрочных,керамических, коррозионною стойких материалов;
Большие поверхности теплообмена;
Существенное падение давления воздуха в рекуператоре газовой турбины, до 20%.

Сопоставление наилучших вариантов реконструкции котельной
по ул. Павловского (УП «МКТС»)
Состав оборудования
Капитальные затраты в строительство

Сопоставление наилучших вариантов реконструкции котельной
по ул. Павловского
Основные экономические показатели
* приведение к сопоставимым условиям
** приведение к сопоставимым условиям
*** в данном варианте учитывается ограничение на выдачу электроэнергии в сеть в ночной период

Сопоставление вариантов реконструкциикотельной
по ул. Павловского
Системные показатели
* без ограничения выдачи электроэнергии в сеть в ночной период
** в данном варианте учитывается ограничение на выдачу электроэнергии в сеть в ночной период

Сопоставление вариантов реконструкциикотельной
по ул. Павловского
Вариант с ОЦР предпочтителен с позиций замещения природного газа,
вариант с ГПА с позиций системной экономии топлива.
При этом в абсолютном выражении разность в экономии природного газа в варианте с ОЦР и ГПА составляет
3 614 т у. т./год против 1 335т у. т./год при работе ГПА без ограничения выдачи электроэнергии в сеть в ночной период,
3 953 т у. т./год против 912 т у. т./год – при ограничении на выдачу электроэнергии в сеть в ночной период