РЛДВПТ‎ > ‎

Энергоэффективная автономная энергоустановка

ВВЕДЕНИЕ

Теплоэлектроэнергетика один из самых капиталоемких секторов экономики. Построенная по сетевому «коммунальному» принципу она ведет себя как единый организм. Разделение энергетических мощностей, для создания конкурентной среды, на генерирующие, транспортирующие компании и компании сбыта, по сути, для потребителей ничего не изменило, тарифы растут, оборудование стареет, технологическое отставание нарастает.

Проблема создания конкурентной среды в теплоэлектроэнергетике не решается только организационно. Потребителю нужна реальная альтернатива «коммунальному» принципу поставки энергии. Никакое разделение монополиста при технологически отсталой базе и критическом износе основных фондов проблемы не решает. Нужен реальный технологически продвинутый конкурент, способный предложить свой товар по лучшим ценам и лучшего качества.

Разработанная РАО ЕЭС «Концепция технической политики в электроэнергетике до 2030 г.» определяет место малой энергетики как альтернативу ТЭЦ для территорий и объектов, на которых не существует эффективных «коммунальных» решений. В тоже время упомянутая концепция признает, что «малая энергетика может быть использована и в зонах централизованного энергоснабжения, играя важную роль в покрытии пиковой части нагрузки и обеспечивая маневренность генерирующих мощностей».

По большому счету такая энергетика уже существует. В изолированных районах электроэнергия вырабатывается на дизель-генераторных установках, домашние хозяйства и предприниматели активно используют энергию солнечных батарей. Ведутся работы по созданию высокоэффективных генерирующих мощностей на базе двигателей с внешним подводом тепла, позволяющих вырабатывать электроэнергию и тепло для отопления (когенерация). Вопрос состоит только в том, какое оборудование в ближайшие 3–4 года можно предложить потребителю, для того чтобы создать реальную конкурентную среду на энергетическом рынке.

В настоящем докладе предлагаются новые высокоэффективные автономные энергетические установки на базе двигателя с внешним подводом тепла роторно-лопастного типа (РЛДВПТ). Безусловный приоритет в виде патентов принадлежит РФ. По своим экономическим, эксплуатационным, техническим и экологическим параметрам эти установки превосходят зарубежные установки, реализующие принцип внешнего подвода теплоты. Эскизная проектная документация на эти установки находится в достаточной степени готовности для проведения опытно-конструкторских работ. При достаточном объеме финансирования через 2–3 года на мировом рынке может появиться энергетическое оборудование, превосходящее по параметру цена\стоимость эксплуатация\качество все известное и разрабатываемое за рубежом.

ГЛОБАЛЬНАЯ ЭНЕРГЕТИКА

Необходимость изменений в способах генерации, распределения и доставки электрической и тепловой энергии потребителям зрела на протяжении второй половины 20 века. В России экономическая неэффективность тепловых электростанций и котельных усугубляется критическим износом тепловых и электрических сетей, расходы на поддержание которых, составляют значительную часть энергетического тарифа.

На сегодняшний день электроэнергетика России составляет 205 млн. кВт установленной мощности, из которых в режиме максимальной нагрузки работают станции на 140 млн. кВт. Если в 1940–1950 гг. вводилось в эксплуатацию 5–8 млн. кВт установленных мощностей в год, а в 1970–1980 гг. – по 7–10 млн. кВт, то за 1990–2004 гг. темп обновления в среднем составил 1,22 млн. кВт. К 2010 г. 55,5% (115 млн. кВт) установленных мощностей полностью выработают свой ресурс.

На сегодняшний день износ основного оборудования по разным оценкам составляет:
  • генерирующих станций – 50–80%; 
  • магистральных сетей – 70% и увеличивается на 2% в год; 
  • реальный срок службы теплотрасс, в среднем, 50–55 лет при норме 35–40 лет. 
По официальным прогнозам электропотребление к 2015 г. составит 1426 млрд. кВт·ч. электроэнергии в год. Прогнозы роста спроса на уровне 4,1% в год легли в основу разработанной РАО «ЕЭС России» инвестиционной программы на общую сумму 3 трлн. руб., из которых 1,2 трлн. руб. приходится на тарифные источники. Строительство новых ТЭЦ – это капиталоёмкие проекты со сроками строительства 7–10 лет, окупаемости 15 лет. По статистике, потери при передаче электроэнергии равны 12% от объема производства, а потери при передаче тепла по существующим теплотрассам достигают 50%.

По мнению американского эксперта по энергетике Тома Кастена США понадобится к 2010 г. около 137 млн. кВт новых мощностей. Это, в свою очередь потребует 84 млрд. долларов для строительства новых электростанций и 220 млрд. долларов для новых средств передачи и распределения электроэнергии, то есть суммарно 304 млрд. долларов. Достижение такого прироста мощностей с применением распределённой энергетики основанной на малых автономных электростанциях потребует всего 168 млрд. долларов при нулевых расходах на линии электропередач.

Таким образом, избегая передачи тепла и электроэнергии на дальние расстояния (а тепло может производиться только рядом с потребителем), можно не только сократить потери, но и снизить риск зависимости от магистральных сетей. Поэтому малая энергетика характеризуется не столько уровнем мощности, сколько близостью к потребителям.

УПРАВЛЯЕМОСТЬ

Одной из главных стала проблема нарушения управляемости крупных сетей электроснабжения, охватывающих многие часовые пояса и огромные территории с высокой концентрацией производств и населения. Неравномерность нагрузки, скачки и пики все труднее парировать даже самым современным системам диспетчеризации и управления.

Разбалансированность потребностей в электроэнергии по территории и времени приводит к возникновению экономических проблем. Из-за особых свойств электроэнергии как товара – она должна поставляться в момент спроса на неё, так как она не может складироваться, и поэтому должна быть продана и поставлена потребителю здесь и сейчас.

Поставки тепловой энергии ограничиваются небольшими территориями вокруг генерирующих мощностей.

НАДЕЖНОСТЬ

Важной проблемой является надежность теплоэлектроснабжения, особенно в критически важных областях жизнедеятельности. В современном мире становится всё труднее обеспечивать устойчивое функционирование больших систем энергетики.

ЗАВИСИМОСТЬ

Любое предприятие, производство, домохозяйство становится зависимым от действий энергоснабжающих и энергогенерирующих компаний. Неблагоприятные воздействия факторов внешней среды, особенно в нашей стране, периодические отключения электроэнергии и теплоснабжения, а также неудовлетворительное качество энергии, делают актуальной задачу минимизации этой зависимости.

ИНЕРЦИОННОСТЬ

Быстрое наращивание генерирующих и передающих мощностей с помощью современных технологий невозможно. Большие электростанции строятся годами. Дефицит электроэнергии встает непреодолимым барьером на пути экономического роста. Спрос на электроэнергию значительно опережает прирост генерирующих мощностей, особенно на территориях, не охваченных ранее энергосетями.

АЛЬТЕРНАТИВА

Фундаментальной альтернативой существующей «коммунальной» системе поставки электрической и тепловой энергии потребителям, является индивидуальная поставка энергии от источников, расположенных в непосредственной близости или внутри инфраструктуры потребителей. До настоящего времени автономные электрогенерирующие установки использовались только в отдаленных районах, а также как резервный или аварийный источник электрического и теплового снабжения.

Существенным недостатком выпускаемых серийно автономных источников электроэнергии является их невысокая топливная эффективность, недостаточный ресурс и невысокие экологические параметры по выбросам и шуму из-за применения в них двигателей внутреннего сгорания. Главной причиной недостаточной востребованности потребителем таких автономных источников является низкая приспособляемость к работе в автономном режиме при динамически изменяющемся графике энергопотребления. Конструктивно двигатель внутреннего сгорания принципиально не в состоянии эффективно отрабатывать значительные перепады нагрузки.

В настоящее время в развитых странах активно ведутся разработки высокоэффективных автономных источников энергии на базе поршневых двигателей с внешним подводом тепла. Эти двигатели существенно превосходят существующие двигатели автономных энергогенерирующих установок по всем упомянутым выше параметрам. Принципиальным преимуществом энергоагрегатов на базе двигателей с внешним подводом тепла является их высокая топливная эффективность практически во всем диапазоне генерируемых мощностей.

К недостаткам поршневых двигателей с внешним подводом тепла относится их высокая стоимость вследствие конструктивных особенностей, а также сложности в эксплуатации, связанные с применением в качестве рабочего тела гелия или водорода высокого давления. Избавиться от этих недостатков позволяет принципиально новый двигатель роторно-лопастного типа с внешним подводом тепла (РЛДВПТ) разработанный сотрудниками Псковского государственного политехнического института. Созданная на его базе энергоустановка значительно превзойдет по всем важнейшим параметрам двигатели поршневого типа. Простота конструкции роторно-лопастного двигателя и использование в качестве рабочего тела атмосферного воздуха позволяют значительно снизить его стоимость и расходы на техническое обслуживание.

ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ

Автономная энергоустановка на базе роторно-лопастного двигателя с внешним подводом тепла может быть использована для решения следующих задач (табл. 1):

Таблица 1. Области применения автономных энергоустановок на базе РЛДВПТ
Область применения Цель применения Эффективность применения

Промышленность
  • Устойчивое снабжение электрической и тепловой энергией. 
  • Уменьшение зависимости от внешних электрических сетей. 
  • Сглаживание пиковых нагрузок.
  • Получение дешевой тепловой и электрической энергии. Снижение себестоимости продукции.

Сельское хозяйство
  • Надежное снабжение тепловой и электрической энергией. 
  • Использование бросовых ресурсов для получения тепловой и электрической энергии.
  • Отсутствие затрат на строительство ЛЭП. 
  • Снижение затрат на энергию в структуре себестоимости продукции.

Коттеджи
Коттеджные поселки
Населенные пункты
  • Автономное или резервное снабжение тепловой и электрической энергией.
  • Улучшение условий жизнедеятельности. 
  • Получение дешевой тепловой и электрической энергии.

Энергетика
  • Повышение надежности электро- и теплоснабжения. 
  • Дополнительные мощности, снижение пиковых нагрузок. 
  • Резервирование.
  • Ускорение отдачи капиталовложений. 
  • Уменьшение затрат на строительство электросетей. 
  • Уменьшение затрат на строительство теплосетей. 
  • Увеличение доходов.

Коммунальное хозяйство
  • Дополнительные мощности. 
  • Снижение пиковых нагрузок. 
  • Аварийное снабжение жизненно важных объектов. 
  • Использование бросовых ресурсов (мусор, сточные воды) для получения тепловой и электрической энергии.
  • Повышение устойчивости функционирования городского хозяйства. 
  • Снижение себестоимости тепловой и электрической энергии. 
  • Уменьшение расходов на приобретение электрической энергии. 
  • Уменьшение экологических проблем больших городов.

Медицина
Связь
Банки
  • Автономное и независимое снабжение тепловой и электрической энергией.
  • Бесперебойное решение профессиональных задач. 
  • Устойчивость связи. 
  • Независимость от внешних электросетей.

Малые предприятия
(Магазины, кафе, прачечные и т.д.)
  • Решение проблемы энергоснабжения в условиях недоступности или невозможности подключения к сетям.
  • Повышение конкурентоспособности за счет снижения себестоимости энергии.

Чрезвычайные ситуации
  • Оперативное снабжение энергией мобильных подразделений.
  • Мобильность. Быстрое развертывание. Низкие эксплуатационные затраты. 
  • Применение местных природных ресурсов в качестве топлива.

Утилизация попутного газа
  • Решение проблемы энергоснабжения в условиях недоступности или невозможности подключения к сетям
  • Получение дополнительного источника электроэнергии

ПРЕИМУЩЕСТВА

Автономные энергоустановки на базе роторно-лопастного двигателя с внешним подводом тепла могут выпускаться серийно. В зависимости от комплектации эти установки монтируются на объекте из отдельных стандартных блоков. Их существенным преимуществом перед теплоэлектростанциями являются:
  • Энергосбережение достигается значительная экономия топлива за счет оптимальной работы на переменную нагрузку и использование тепла для отопления (когенерация). 
  • Многотопливность заключается в возможности использования широкого спектра первичных энергоносителей (любые газообразные, жидкие и твердые топлива, а также возобновляемые источники энергии). 
  • Экологичность заключается в значительно меньших уровнях шума, вибрации и вредных выбросов (может быть установлена в жилой зоне). 
К дополнительным преимуществам относятся:
  • Легкость монтажа и запуск в работу без больших финансовых и трудовых затрат на проектные, монтажные и строительные работы. 
  • Простота в обслуживании, малые габариты, большой моторесурс, который значительно превышает ресурс лучших Российских и зарубежных автономных источников энергии.


ЭКОЛОГИЯ

Автономные энергоустановки на базе двигателей внутреннего сгорания выбрасывают в атмосферу токсичные окислы азота, угарный газ и углеводородные соединения. Для оценки уровня токсичности двигателя с внешним подводом теплоты в табл. 2 приведены удельные выбросы токсичных веществ в газовой турбине, дизельном и бензиновом двигателях.
Таблица 2. Выбросы вредных веществ автономных источников энергии
Тип приводного двигателя Токсичность, г/(кВт·ч)
NOx CO CxHy
Двигатель с внешним подводом теплоты 0,5–1 0,25–1 0,01–0,05
Газовая турбина 3,5–10 10–20 0,06–0,35
Дизельный двигатель 2–10 1–25 3–60
Бензиновый двигатель 3–10 200–100 70–600


СБЕРЕЖЕНИЕ

Автономные энергоустановки не требуют капитальных вложений для прокладки тепловых и электрических сетей к потребителю и, следовательно, расходов на их содержание. Они предоставляют возможность одновременной выработки электроэнергии и тепла (когенерация), повышая общую эффективность всей энергетической системы. 


ЭФФЕКТИВНОСТЬ

Выгода достигается за счет экономии топлива, низких затрат на обслуживание, продажи избыточной электроэнергии, повышенной точности учета потребления тепла и электроэнергии.

Помимо генерации электричества автономная энергоустановка на базе РЛДВПТ вырабатывает тепло, которое при помощи дополнительного устройства может быть использовано для обогрева жилых и производственных помещений, а также для обеспечения горячей водой. Применение дополнительных теплообменников резко повышает эффективность использования топлива (до 90%) энергоустановками на базе РЛДВПТ и решает проблемы теплоснабжения в холодное время года.

Эффективность РЛДВПТ с экономической точки зрения определяется низкой стоимостью капитальных затрат на единицу установленной мощности, малым сроком внедрения, и небольшим периодом окупаемости (табл. 3). Кроме того не требуется затрат на прокладку коммуникаций, т. к. энергоустановка находится в непосредственной близости от потребителя. Сравнительные характеристики автономной энергоустановки для обеспечения электричеством и теплом приведены в табл. 3.


Таблица 3. Сравнение эффективности автономных энергоустановок
Автономные 
энергоустановки
Стоимость, 
руб. за 1 кВт
установленной
электрической
мощности
Срок
внедрения,
месяцев
Срок 
окупаемости,
лет
КПД, %
Уровень
шума, 
дБА
Ресурс до 
капремонта,
часов
Периодичность
технического обслуживания,
часов
Бензо-генераторы
(1–20 кВт)
5 000–7 000 1–2 Не окупается 20–30 60–80
5 000–
10 000
200–500
Дизель-генераторы
(30–300 кВт)
8 000–10 000 1–2 6–10 25–35 80–120
10 000–
25 000
250–600
Газопоршневые
(500–4000 кВт)
20 000–24 000 10–14 4–5 30–40 90–110
40 000–
50 000
800–1 200
Газотурбинные
(2000–10000 кВт)
16 000–20 000 12–18 6–7 22–37 80–110
20 000–
30 000
1 000–2 000
Микротурбинные
(30–60 кВт)
32 000–36 000 10–14 4–5 30–35 70–90
50 000–
60 000
8 000

РЛДВПТ
(1–1000 кВт)

20 000–25 000

1–2

2–3

30–45

45–60

50 000–
60 000

8 000

В регионах с низкой плотностью населения, в том числе в тех, где есть сети РАО ЕС, поставки электроэнергии и тепла осуществляются, как правило, из разных источников. Электроэнергия поставляется по сетям РАО ЕС, а тепло из местных котелен. Применение в таких регионах автономных энергоустановок с РЛДВПТ особенно эффективно. В табл. 4 приведен расчет экономии топливно-энергетических ресурсов при переходе Псковской области на автономный принцип генерации электроэнергии и тепла. 


Таблица 4. Сравнительный анализ обеспечения электрической и тепловой энергией в Псковской области с использованием автономной энергоустановки на базе РЛДВПТ
Генерирующие станции  Установочные мощности Производство электроэнергии Производство тепла Потери  Потребление газа 
ГРЭС  430 МВт 
1480 млн.
кВт час 
–  10-15%  600 млн. м3 
Котельные  4076 Гкал/час  –  2700 тыс. Гкал  До 50%  300 млн. м3 
Автономные, на базе РЛДВПТ 100 шт ×1 МВатт =100 МВатт 1620,3 млн.кВатт час 2500 тыс. Гкал  5-7%  500 млн. м3 

МНОГОТОПЛИВНОСТЬ 

Автономная энергоустановка на базе роторно-лопастного двигателя с внешним подводом теплоты может использовать следующие виды топлива: природный газ, сжиженный газ, биогаз, попутный газ, любое твердое топливо (уголь, торф, древесина и др.), а также использование тепла возобновляемых источников энергии и вторичного тепла технологических процессов в промышленности.

МОЩНОСТНОЙ РЯД 

ГОСТ 13822–82 устанавливает следующий мощностной ряд электроагрегатов и передвижных электростанций (кВт): 8, 16, 30, 60, 100, 200, 315, 500, 630, 1000. Учитывая перегрузочную способность, автономные энергоустановки на базе роторно-лопастного двигателя с внешним подводом тепла позволяют обеспечить полный диапазон мощностей пятью типами агрегатов с номинальными мощностями 16, 100, 315, 1000 кВт. Сокращение позиций мощностного ряда приводит к увеличению экономической эффективности при производстве.

ЭНЕРГОАГРЕГАТ НА БАЗЕ РЛДВПТ

Энергоагрегат на базе РЛДВПТ может работать в длительном автономном режиме, в одиночном режиме с двухкратными перегрузками. При необходимости возможна параллельная работа с внешней электросетью.


КОМПОНОВКА 

Рис. 4. Автономная электростанция на базе РЛДВПТ 

Автономная электростанция на базе роторно-лопастного двигателя с внешним подводом теплоты (рис. 1) состоит: из двухмодульного роторно-лопастного двигателя с внешним подводом тепла 1, соосно связанного с электрогенератором 2, системы управления 3, нагревателя с теплообменником 4 и охладителя с теплообменником 5. При использовании различных видов топлива в конструкцию могут входить: устройство для получения синтез-газа, аккумуляторные батареи или конденсаторы, реакторы для получения биогаза, пиролизные установки и т. д. 

Блок схема энергоустановки нового поколения состоит из блоков подготовки топлива, получения, накопления и использования энергии, включая управления режимами.

В соответствии с базовыми вариантами с целью использования различных видов топлива необходимо разработать следующие типы газогенераторных устройств: 
  1. многотопливный газогенератор, использующий местное и возобновляемые виды топливо (дрова и.т.д.); 
  2. многофункциональный газогенератор, использующий жидкое моторное топливо (дизтопливо, бензин и т.д.), доступное при использовании существующей инфраструктуры заправочных станций. 
Для повышения эффективности энергоустановок в газогенераторах будет использовано многостадийное сжигание, генерация инициирующих водородсодержащих добавок, термохимическая рекуперация отработанных газов.