Энергетика в мегаполисе

Татьяна Бархатова

Жизнь любого мегаполиса в мгновение ока может выйти из-под контроля. Каскадные отключения электроэнергии в США и Канаде в августе 2003 г., в результате которых пострадали более 50 млн. человек, московская энергоавария в мае 2005 г. стали ярким примером того, какими серьезными последствиями для экономики оборачиваются сбои в энергосистемах. Механизм регулирования процессов жизнедеятельности городского хозяйства оказался уязвимым. Необходимы конкретные шаги для стабилизации обстановки. Поэтому перед современной экономикой стоит важнейшая задача - повышение надежности энергоснабжения.

Большая энергетика, являясь сегодня основой промышленного и социального развития, а также одной из самых наукои капиталоемких отраслей экономики, испытывает серьезные трудности. Резкий рост стоимости топлива и требования к экологическим показателям создали условия, вынуждающие внедрять высокоэффективные технологии производства электроэнергии с электрическим КПД (nэ) 50% и более. Проектируемые крупные паротурбинные установки со сверхкритическими параметрами на входе (Т0 = 600° С, Р0 = 25 МПа) имеют коэффициент полезного действия nэ 43-44% в конденсационном режиме.

В Европейском союзе разрабатывается проект с пароводяным циклом с суперкритическим давлением и начальной температурой до 800° С. Планируется достичь nэ 55%.

Паротурбинные установки малой и средней мощности до 25 МВт на высокие параметры (Т0 = 500 °С, Р0 = 10 МПа) имеют nэ < 32...34%.

Изготовляемые и проектируемые газотурбинные установки российских производителей в диапазоне до 25 МВт (э) имеют электрический КПД, не превышающий 30-35%, а установки иностранных производителей - до 36-39% с начальной температурой рабочего тела до 1700 К.

Крупные (более 300 МВт) парогазовые установки (ПГУ) при работе паровых турбин в конденсационном режиме имеют nэ 50...55%. Осуществляется проектирование установок с nэ 60%.

ПГУ малой и средней мощности до 25 МВт на современном уровне развития науки и техники имеют электрический КПД не более 45%.

В России, в Санкт-Петербурге, создана единственная крупная электростанция с парогазовым циклом мощностью 450 МВт с nэ около 50%. В декабре 2004 г. была запущена в опытно-промышленную эксплуатацию парогазовая Сочинская ТЭС (Краснодарский край) средней мощностью 78 МВт с расчетным nэ до 50%.

Однако внедрение этих технологий требует значительных материальных затрат.

Повышение КПД электрогенерирующих установок планируется осуществлять также за счет использования высокотемпературных топливных элементов, устанавливаемых перед парогазовыми установками. Предполагается, что на крупных установках подобного типа электрический КПД может достигнуть 75%. Однако проектный ресурс работы топливных элементов сегодня не превышает 5000 тыс. часов, а их единичная мощность - 200 кВт.

В то же время стало очевидно, что подключение потребителей к крупным энергосистемам не дает 100%-ной уверенности в том, что серьезных аварий можно избежать.

Автономные источники теплоснабжения

Комплекс превентивных мер, подразумевающий модернизацию оборудования и контроль над его состоянием в данной ситуации недостаточен. Необходимо создать механизмы, которые позволят муниципальным энергосистемам действовать автономно, в том числе и при авариях в центральной энергосистеме.

Автономные источники теплоснабжения (АИТ), по сравнению с другими системами, обладают рядом преимуществ. Главный упор делается на максимальное использование энергии, заключенной в органическом топливе и низкопотенциальных источниках тепла с температурой 8-30° С (реки, озера и т.д.). Использование для этой цели тепловых насосов увеличивает коэффициент использования топлива (КИТ) системы в 2-3 раза.

Современные отопительные котлы и парогенераторы, использующие природный газ, имеют высокие КПД (отношение отпущенного тепла и тепла сожженного газа) на уровне 92-94%. Новая технология, предложенная в проекте, призвана не только максимально эффективно использовать низкопотенциальную энергию окружающей среды, снижая затраты на природное топливо, но и вырабатывать при этом и электроэнергию. Одновременно повышается надежность теплоснабжения: электрогенератор в котельной обеспечивает запуск автономного источника теплоснабжения при аварии в системе централизованного электроснабжения.

Принципиальная схема комбинированной установки для производства электроэнергии и тепла с использованием газовой и газорасширительной турбин, а также теплового насоса.

Эффективность комбинированной установки

Многие российские и зарубежные компании производят котельные установки в диапазоне мощностей от 0,5 до 50 МВт. По экспертным оценкам, проведенным специалистами Федерального агентства по науке и инновациям, ОАО "Газпром", Московского энергетического института, ЗАО НПВП "Турбокон", такой диапазон наиболее перспективен на рынке предлагаемых технологий.

Все эти факторы определили выбор специалистов автономной некоммерческой организации "Центр энергетической политики" (ЦЭП). В результате родилась идея создать устройство модульного типа мощностью до 50 МВт с высокой энергетической и экологической эффективностью.

Схема комбинированной установки представлена на рисунке (см.выше). Она содержит магистральный газопровод 1, газовую турбину (газопоршневой двигатель) 2 с электрогенератором 3, газорасширительную турбину 4 с электрогенератором 5, теплообменники для подогрева газа 6 и 7, регулятор расхода 8, сетевой подогреватель 9, тепловой насос 10.

В работе установки главную роль играют три составляющих: газотурбинная установка, газорасширительная турбина с генератором (детандер - генераторный агрегат), тепловой насос.

Принцип действия системы заключается в максимальном использовании химической энергии и технологического перепада давлений газа, а также низкопотенциальных источников тепла. В результате сгорания газа, поступившего в газовую турбину (ГТУ), выделившаяся энергия приводит в движение электрогенератор. Отработавший газ ГТУ имеет большой запас теплоты: температура его колеблется от 300° до 500° С. Такое тепло полезно можно использовать для работы детандера, который устанавливается на станциях снижения давления.

Природный газ высокого давления в газорасширительной турбине (детандере) играет роль пара в паровой турбине. Таким образом, процесс выработки электроэнергии происходит дважды: сначала в газовой турбине, затем тепловая энергия отработавшего газа создает возможность для работы детандера и производства электричества.

Благодаря тому, что компоненты установки соединены последовательно, выработка электроэнергии проходит одновременно с понижением давления транспортируемого газа с коэффициентом использования топлива (КИТ) 85% и более (только при производстве электроэнергии). Это в 1,5 раза больше, чем у лучших парогазовых установок - наиболее современных устройств для производства электроэнергии, уже запущенных в производство.

Если далее использовать полученную электроэнергию для привода теплового насоса (в 4-5 раз дешевле электроэнергии по сравнению с покупкой), то в результате получим в 2-3 раза больше полезного тепла по сравнению со сжиганием топлива в лучших отопительных котельных.

История разработок

Специалисты Автономной некоммерческой организации (АНО) "Центр энергетической политики" и Московского энергетического института (Технического университета) уже 10 лет занимаются реализацией идеи автономных источников теплоснабжения. С 1995 г. в контакте с коллегами из Германии российские ученые изучают термодинамику процессов, происходящих в детандер-генераторных агрегатах, определяют эффективность с точки зрения влияния на тепловую экономичность работы электрических станций.

При разработке схемы комбинированной установки специалистам центра помог практический опыт внедрения автономных источников теплоснабжения на предприятиях и объектах жилищно-коммунального хозяйства. Среди последних проектов - разработка концепции перевода на автономное энергоснабжение ресурсов Пущинского научного центра РАН, в ходе которой был проведен энергетический аудит зданий, соотнесены затраты централизованной системы и автономной котельной. По результатам выполненных исследований уже ведется строительство первой очереди блочно-модульных котельных.

Сегодня ученые "Центра энергетической политики" занимаются разработкой идеи автономных источников теплоснабжения в рамках федеральной целевой научно-технической программы "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники". Сотрудничество с коллегами Закрытого акционерного общества Научно-производственного внедренческого предприятия "Турбокон" позволяет на основе разработанного ими комплекта конструкторской и проектной документации перейти к монтажу опытного образца на полигоне предприятия.

Что мешает?

Для того чтобы создать высокоэффективную установку, имея за плечами патент на изобретения, авторам проекта предстоит решить ряд задач, позволяющих встать на путь инновационного развития технологии.

Во-первых, необходимо найти производителей высокоэффективного оборудования. Сегодня предполагается использовать несколько основных агрегатов российского и американского производства.

На рисунках показаны электроагрегаты, которые предполагается использовать в новой технологии: газорасширительная и газовая турбины.

Во-вторых, необходимо найти инвесторов на приобретение оборудования (Роснаука финансирует лишь проведение научных исследований). Ведутся переговоры с Калужским отделением СБ РФ.

Третья задача: где установить и эксплуатировать установку. Первый наукоград России - Обнинск, в котором зарождалось и воплощалось большое количество научных идей в области энергетики, - стал бы для этого наиболее удачным местом.

По предварительным оценкам, рынок сбыта новых технологий может достигать 4-4,5 млн. кВт, что составляет около 3% мощностей РАО "ЕЭС России".

Несмотря на то что крупная энергетика играет основополагающую роль, необходимо интенсивно внедрять энергосберегающие технологии комбинированного производства электроэнергии и тепла непосредственно у потребителей, используя тепловые двигатели малой и средней мощности.