Преимущества автономных станций для совместной выработки электроэнергии, тепла и холода

Полный текст

В последние годы из-за изношенности оборудования ТЭЦ и сетей централизованного энерго- и теплоснабжения возникают многочисленные аварии, которые в суровые зимы приводят к замораживанию сетей отопления в целых районах городов. Ремонт и постройка новых ТЭЦ и сетей требуют больших капитальных вложений.

Значительно экономичнее создавать автономные станции выработки электроэнергии и тепла (мини-ТЭС) на базе газовых поршневых или турбинных генераторов. Газопоршневые установки имеют более высокий КПД по выработке электроэнергии (до 40% по сравнению с 30% у газовой турбины). Важным преимуществом газопоршневых генераторов является сохранение высокого КПД выработки электроэнергии (38-40%) при регулируемом снижении нагрузки на 50%. Для газовых турбин снижение электрической нагрузки на 50% понизит электрический КПД до 10%.

Определяющим видом вырабатываемой энергии является электрическая, необходимость в которой сохраняется круглый год.

Одновременно при работе газопоршневых генераторов вырабатывается и тепло. При этом количество тепла, получаемого от охлаждения жидкостью двигателя и от выбросных дымовых газов, на 20—40 % больше вырабатываемой электрической энергии. В холодный период года вырабатываемые на ТЭС электроэнергия и тепло полезно используются. Однако суточная потребность зданий в электроэнергии и тепле не совпадает с их выработкой.

На рис. 1, а представлен график суточной выработки и потребления электроэнергии N_эл в здании. При рабочем режиме функционирования здания с 8 до 20 ч потребляется 100 % вырабатываемой на ТЭС электроэнергии. Для этого периода суток характерно и наибольшее производство тепла Q_т, которое расходуется на горячее водоснабжение (ГВ), отопление, вентиляцию и кондиционирование (ОВК) в дневные часы (рис. 1, б). В дневное время при выключении освещения и служебного оборудования в помещениях образуются теплоизбытки, которые будут снижать потребность в тепле на работу систем ОВК. Вырабатываемое на ТЭС тепло избыточно (на рис. 1, б избыток тепла показан зоной двойной штриховки).

Рис. 1. График суточной выработки и потребления электроэнергии (а) и тепла (б) в административно-общественном здании при работе автономной ТЭС в холодный период года

Для ночного времени потребность в тепле для отопления административно-общественного здания показана сплошной линией О.

При этом реально вырабатываемое ТЭС в ночной период тепло соответствует пунктирной линии. Заштрихованный участок — это недостающее количество тепла в ночные часы. Для компенсации недостатков тепла в ночные часы энергетически рационально избытки вырабатываемого на ТЭС в дневные часы тепла аккумулировать в баках накопления горячей воды. Это позволит устранить несоответствие выработки и потребления тепловой энергии в течение суток.

В жилых зданиях потребность в тепле в ночные часы определяется необходимостью компенсации трансмиссионных теплопотоков через наружные ограждения и нагрева санитарной нормы приточного наружного воздуха. В этих режимах работы ТЭС может оказаться целесообразным применение установки утилизации теплоты вытяжного воздуха на нагрев приточного наружного воздуха. В работе [2] даны схемы и методика расчета установок утилизации.

В теплый период года сохраняется только потребность в тепле для горячего водоснабжения.

График суточной выработки электроэнергии и тепла на ТЭС в летнее время показан на рис. 2. В ночные часы расход электроэнергии в жилом доме составляет не более 20% от дневного (на дежурное освещение, работу домашних холодильников, периодическую работу лифтов). Вырабатываемое в ночные часы тепло превышает нужды дежурного ГВ. В дневные часы при 100%-ной нагрузке на ТЭС по потреблению электроэнергии также образуется значительный излишек тепла (заштрихованная зона на рис. 2).

Рис. 2. График суточной выработки и потребления электроэнергии и тепла в административно-общественном здании при работе автономной ТЭС и абсорбционной холодильной машины в теплый период года

Традиционно летом избыточное тепло сбрасывается в атмосферу, что снижает общий энергетический КПД ТЭС до 46%. Наиболее рационально бросовое тепло использовать для получения холодной воды в абсорбционных холодильных машинах [3] для нужд систем охлаждения.

За последние годы наблюдается значительное повышение температуры наружного воздуха в летний период по сравнению с расчетными параметрами для систем вентиляции и кондиционирования [1]. Так, лето 2002 г. отличалось повышенной жарой и сухостью, что привело к многочисленным лесным пожарам, гибели людей и животных. Применение систем охлаждения помещений становится не роскошью, а необходимостью для труда и отдыха людей, клеточного содержания птиц и др.

Рассмотрим два варианта энергоснабжения строящегося в центре Москвы административно-общественного здания площадью 7000 м² (из них 2000 м² — подземные гаражи), у которого расчетная потребность в электрической мощности составляет 800 кВт и в тепловой мощности 1200 кВт.

Первый вариант. Здание подсоединяется к центральным электрическим (стоимость подсоединения составляет 400 тыс. долл. США) и центральным тепловым (500 тыс. долл.) сетям.

Цена израсходованной электроэнергии 1,8 руб/(кВт·ч), потребленного тепла - 0,4 руб/ (кВт·ч).

Вода для системы кондиционирования воздуха охлаждается в парокомпрессионной холодильной машине RTWB 214 фирмы TRANE холодопроизводительностью 400 кВт и стоимостью 61 472 долл., на работу которой требуется затрачивать дополнительную электрическую мощность 100 кВт. На работу закрытой градирни типа ATW64-4H-2 стоимостью 27 500 долл. затрачивается 5,5+1,7=7 кВт. Общая потребность в электрической мощности на работу холодильной машины с градирней 100+7=107 кВт.

Общая капитальная стоимость присоединения к центральным сетям энергоснабжения и установки парокомпрессионной холодильной машины с градирней складывается из: подсоединения к электросетям (400 000 долл.);

подсоединения к тепловым сетям (500 000 долл.);

стоимости холодильной машины с закрытой градирней (61 472 + 27 750 = 89 222 долл.).

Итого: 989 222 долл.

Второй вариант. Здание обслуживается автономной мини- ТЭС, состоящей из двух газопоршневых генераторов JMS 212 электрической мощностью 455·2=910 кВт. Одновременно вырабатываемая тепловая мощность составляет 659·2=1318 кВт. Удельная стоимость генераторов JMS 212, по данным фирмы JENBACHER, 850 долл, за 1 кВт электрической мощности. Общая стоимость генераторов ТЭС составит 910- 850 = 773 500 долл. При 100%-ной нагрузке каждый генератор потребляет 138 нм³/ч природного газа стоимостью 0,8 руб/нм³ и 0,3 г/ (кВт·ч) смазочного масла стоимостью 120 руб/кг.

Стоимость подключения газа оценивается в 100 000 долл.

В теплый период года избыток тепла (см. рис. 2) составляет 70% от вырабатываемого, т.е. Q_изб=1318·0,7=922,6 кВт. Используя его в абсорбционной холодильной машине типа ABSC 148 фирмы TRANE стоимостью 156 794 долл, с закрытой градирней типа ATW 142-5Н-2 фирмы Evapco стоимостью 39 563 долл., можно обеспечить холодопроизводительность 400 кВт. При работе холодильной машины электрическая мощность, необходимая для привода электродвигателей насосов циркуляции раствора равна 4 кВт, вентиляторов градирен - 2·5,5=11 кВт и насоса - 4 кВт. Общая электрическая мощность, потребляемая абсорбционной холодильной машиной, 4+11+4=19 кВт.

Электрической мощности, вырабатываемой ТЭС (910 кВт), вполне достаточно для обеспечения потребностей здания (800 кВт) и работы абсорбционной холодильной машины (19 кВт).

Общая капитальная стоимость автономного центра выработки электроэнергии, тепла и холода складывается из стоимости генераторов (773 500 долл.), стоимости подключения газа (100 000 долл.) и стоимости абсорбционной холодильной машины с закрытой градирней (156 794+39 563=196 297 долл.). Всего 1 069 797 долл.

Удельные затраты на единицу площади здания составят

1 069 797/7000= 152,8 долл./м².

При сооружении ТЭС с абсорбционной холодильной машиной капитальные затраты по сравнению с затратами для традиционного первого варианта будут больше на 80 575 долл. (1 069 797 - 989 222).

Сравним теперь эксплуатационные расходы для двух вариантов.

В первом варианте (традиционном) стоимость полученной от ТЭЦ электроэнергии для обеспечения расчетной электрической мощности (800 кВт) за 4200 ч в зимний и переходный периоды года (при курсе 31 руб за 1 долл. США)

С_{ТЭЦ.эл.х} = 4200-800- 1,8/31 = = 195 097 долл.

Стоимость израсходованного тепла

С_{ТЭЦ.эл.х}=4200-1200-0,4/31=65 032 долл.

В теплый период года (1300 ч) к расходу электроэнергии на нужды здания добавляется работа холодильной машины. Общая потребная электрическая мощность равна 800+107=907 кВт.

Стоимость электроэнергии за лето составит

С_{ТЭЦ.эл.т}=1300-907-1,8/3168 464 долл.

Тепловая мощность, потребляемая летом для горячего водоснабжения, равна 30% от расчетной, т. е.

1200-0,3=360 кВт.

Стоимость израсходованного летом тепла будет

С_{ТЭЦ.т.тв}=1300-360-0,4/31=6039 долл.

Годовые затраты на оплату энергоносителей составят:

на оплату электроэнергии

ΣС_ТЭЦ._эл=195 097+68 464=263 561 долл.;

на оплату тепла

ΣС_ТЭЦ.т = 65 032 + 6039 = = 71 071 долл.

Итого: 334 632 долл./год.

Во втором варианте (с ТЭС и абсорбционной холодильной машиной) эксплуатационные расходы на получение расчетной электрической мощности при работе 5500 ч в год складываются из:

стоимости израсходованного газа

С_{ТЭС.газ}=5500·2·138·0,8/31=39 174 долл.;

стоимости машинного масла

С_{ТЭС.мас}=5500·910·0,0003х120/31=5812 долл.;

стоимости годового сервисного обслуживания генераторов фирмой JENBACHER (7 % от стоимости оборудования):

С_{ТЭС.сер}=773 500·0,07=54 145 долл.;

заработной платы обслуживающего персонала из 3 человек с окладом 300 долл./мес.

С_ТЭС.об=3·300·12=10 800 долл.

Итого: 109 931 долл./год.

Годовая экономия в эксплуатационных затратах при применении ТЭС составит 334 632 - 109 931 = 224 701 долл./год.

Разница в затратах на обслуживание холодильной станции на базе абсорбционной и парокомпрессионной машин условно не учитывается.

На основании проведенных расчетов можно сделать следующие выводы:

• Применение автономной ТЭС на газовом топливе и абсорбционной холодильной машины позволяет сократить годовые расходы на оплату электроэнергии, тепла и холода более чем в 3 раза (334 632: 109 931).
• Капитальные затраты на сооружение ТЭС с использованием сбросного тепла для выработки холода в абсорбционных холодильных машинах оказываются меньше, чем при традиционном централизованном электро- и теплоснабжении (с учетом стоимости подсоединения к центральным сетям электро- и теплоснабжения) и использовании парокомпрессионных холодильных машин для охлаждения.

Срок компенсации дополнительных капитальных затрат при применении ТЭС с абсорбционными машинами за счет более низких эксплуатационных расходов составит менее полугода (80 575: 224701=0,36 г).

Об авторах

О. Я. Кокорин

Автор, ответственный за переписку.
Email: info@eco-vector.com

д-р техн. наук, проф.

Список литературы

Дополнительные файлы

Доп. файлы

Действие

1. JATS XML

Скачать

2. Рис. 1. График суточной выработки и потребления электроэнергии (а) и тепла (б) в административно-общественном здании при работе автономной ТЭС в холодный период года

Скачать (2MB)

Метаданные

3. Рис. 2. График суточной выработки и потребления электроэнергии и тепла в административно-общественном здании при работе автономной ТЭС и абсорбционной холодильной машины в теплый период года

Скачать (1MB)

Метаданные