Advantages of autonomous plants for co-generation of electricity, heat and cold

Full Text

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).

About the authors

O. Ya. Kokorin

Author for correspondence.
Email: info@eco-vector.com

Dr. of Technical Sciences, Professor

References

Supplementary files

Supplementary Files

Action

1. JATS XML

Download

2. Fig. 1. Diagram of daily production and consumption of electricity (a) and heat (b) in the administrative and public building at work of an autonomous CHP in the cold period of the year

Download (2MB)

Indexing metadata

3. Fig. 2. Diagram of daily production and consumption of electricity and heat in the administrative and public building at work of an autonomous CHP and an absorption chiller during the warm period of the year

Download (1MB)

Indexing metadata