Энергоэффективность использования ORC-модулей в децентрализованной энергетике РФ
На примере ТЭС в пос. Зотино Туруханского района Красноярского края
В настоящее время обширные районы Российской Федерации (Восточная и Западная Сибирь, Дальний Восток, Архангельская и Вологодская области и др.) испытывают большие трудности с энергообеспечением (теплом и электроэнергией) в связи с высокой стоимостью или невозможностью прокладки линий электропередач, газопроводов.
Генерация электроэнергии и тепла за счет привозного топлива (как правило, дизельного) в этих районах также крайне затруднена. В результате тариф на электроэнергию и тепло на многих ТЭС превышает 25 руб./кВт·ч и 5000 руб./Гкал соответственно. Вынужденная компенсация затрат на оплату потребленной электроэнергии и тепла для этих районов ложится серьезной финансовой нагрузкой на местные муниципальные образования. Вместе с тем в ряде этих районов имеются большие запасы местного биотоплива, прежде всего отходов переработки древесины, некондиционной и низкосортной древесины, торфа. Использование этих видов топлива может радикально изменить существующие тарифы на тепло и электроэнергию и значительно сократить бюджетные затраты на компенсацию оплат этих услуг потребителям.
Целесообразность использования биотоплива даже для районов средней полосы России доказывают данные, приведенные в табл. 1.
Дешевле всего обходится производство тепла с использованием такого биотоплива, как щепа (топливная составляющая 210-240 руб./Гкал). Основным конкурентом щепы является природный газ (в среднем 297,7 руб./Гкал). Однако, учитывая быстрый рост стоимости природного газа, можно ожидать, что в ближайшем будущем другие виды биотоплива потеснят природный газ в этом рейтинге. В изолированных и труднодоступных районах использование природного газа невозможно, а стоимость привозного дизтоплива значительно превышает значения, приведенные в табл. 1. В этих условиях еще заметнее разница между стоимостью местного биотоплива и привозного, особенно по т. н. «северному завозу». Важным фактором эффективности и минимизации риска использования такого вида топлива, как опилки, стружка, щепа, кусковая древесина, является обеспечение котельной стабильным источником биотоплива. Если целесообразность выработки тепловой энергии для системы теплоснабжения с использованием щепы очевидна, то способ производства электроэнергии на мини-ТЭЦ требует дополнительного обоснования. Принципиально возможны два способа производства электроэнергии на мини-ТЭЦ, в котлах которой сжигается щепа:
- при использовании традиционных паротурбинных установок на водяном паре, получаемом от паровых котлов, работающих на щепе;
- при использовании паротурбинных установок (далее - ORC-модули) на низкокипящих рабочих телах (НРТ), получающих необходимую энергию от паровых или водогрейных котлов, в которых сжигается щепа. В зависимости от уровня температуры источника тепла используются разные НРТ, такие как пропан, пентан, бутан, пентафлуоропропан (R-245f, R-134а, R-22 и т. д.), а также различные циклы: ORC, GRAZ, CALINA, Maisotsenko, Cascading Closed Loop Cycle (CCLC) и др.
Серийно выпускаемый ORC-модуль производства КНР мощностью 1000 кВт
Первый способ требует использования паровых котлов с довольно высокими характеристиками пара: давлением 3,9 МПа и температурой 400°С. Только в этом случае обеспечивается приемлемый КПД паротурбинной установки.
Второй способ не требует применения паровых котлов с высокими характеристиками пара, более того, при его использовании можно успешно вырабатывать электроэнергию за счет горячей воды от водогрейных котлов.
Плюсы использования органических рабочих тел при низких температурах пара представлены на рис. 1.
Одним из достоинств применения НРТ в качестве рабочего тела является возможность создания малогабаритной турбины. Так, например, объемный расход бутанового пара через последнюю ступень меньше на два порядка, чем у водяного пара (давление во втором контуре - около 2,5 МПа). Поддержание давления в конденсаторе второго контура выше атмосферного давления (примерно 0,15 МПа) исключает проблемы, связанные с притоком воздуха в традиционном конденсаторе паровой турбины. Кроме того, в течение всего процесса расширения в турбине пар НРТ остается сухим, что исключает эрозионный износ рабочих лопаток. Использование ORC-модуля имеет еще целый ряд плюсов:
примере электростанции в пос. Зотино
Таблица 3. Сметный расчет стоимости строительства
мини-ТЭЦ мощностью 0,75 МВт в пос. Зотино, тыс. руб
Таблица 4. Исходные данные для расчета эффективности
реализации проекта в пос. Зотино
Таблица 6. Основные исходные данные для расчета ТЭС с
ORC-модулем в пос. Зотино
- беспроблемная эксплуатация при низкой температуре окружающей среды. Точка замерзания рабочей жидкости в ORC-модуле очень низка. Это обстоятельство отменяет требование выполнять мероприятия с целью предотвращения замерзания рабочей жидкости в конденсаторе, радиаторах и трубопроводах;
- небольшой расход охлаждающей воды в градирне. Поскольку теплота парообразования, например, пентана почти в пять раз меньше, чем этот показатель воды, требуется меньший объем охлаждающей воды в конденсаторе энергетической установки с ORC-модулем, а значит снижаются потери, связанные с уносом воды в мокрой градирне, расходы электроэнергии на насосы циркулярной системы и прочее, что позволяет полностью отказаться от мокрых градирен и использовать в энергетической установке с ORC-модулем воздушные сухие вентиляторные градирни;
- низкие эксплуатационные затраты и минимальное воздействие на окружающую среду. Использование систем воздушного охлаждения энергетической установки с ORC-модулем обеспечивает низкие эксплуатационные затраты и исключительно слабое воздействие на окружающую среду. ОRС-модули работают по замкнутому контуру, не требуют химических присадок и не нуждаются в утилизации отходов. Кроме того, установки с воздушным охлаждением не создают видимого шлейфа и вписываются в ландшафт;
- обеспечение продолжительного срока эксплуатации турбины. Термодинамические свойства углеводородов таковы, что пар в конце расширения турбины энергетической установки с ORC-модулем остается сухим во всех предполагаемых рабочих условиях. Это предотвращает риск эрозионного разрушения лопаток рабочего колеса и направляющего аппарата турбины. Таким образом, энергетическая установка с ORC-модулем может обеспечивать работу при частичной нагрузке и значительных переходных режимах более эффективно, нежели пароводяные турбины;
- низкие затраты на техническое обслуживание;
- высокий КПД даже на неполных режимах работы;
- бесшумность, высокая работоспособность, широкий диапазон регулирования режимов;
В настоящее время немало фирм в Европе и Северной Америке работают над проблемой утилизации тепла от любых промышленных источников, в том числе и от компрессорных станций с газовыми турбинами и газопоршневыми машинами и т. д. Среди фирм, ведущих поиск в этой области, наиболее известны такие компании, как Ormat Energy Converter (OEC), Infinity LLC, Turboden, Adorates, UTS, WOW, ABB, Siemens, GE.
Ниже дана оценка целесообразности строительства мини-ТЭЦ с ORC-модулем на древесных отходах электрической мощностью 750 кВт и тепловой мощностью 2000 кВт в пос. Зотино Туруханского р-на Красноярского края.
В настоящее время пос. Зотино снабжается электроэнергией от дизельной электростанции, при этом тариф на электроэнергию в 2014 году составляет 14,23 руб./кВт·ч.
В состав основного оборудования мини-ТЭЦ входят: два котла фирмы ООО «Балткотломаш», работающих на древесной щепе (резервное топливо - дизельное); электрогенерирующая установка на базе ORC-модуля мощностью 500 кВт; резервный дизель-генератор мощностью 250 кВт, рубительная машина.
Сводка затрат но основное оборудование мини-ТЭЦ представлена в табл. 2.
Таким образом, затраты на основное оборудование мини-ТЭЦ составят около 80,95 млн руб., а с учетом транспортных затрат - 82,33 млн руб.
Принципиальная тепловая схема котельной с модулем ORC представлена на рис. 2.
ORC-модуль мощностью 1000 кВт представлен на фото 1.
Сметный расчет стоимости строительства мини-ТЭЦ мощностью 0,75 МВт в пос. Зотино с ORC-модулем представлен в табл. 3.
Основные исходные данные для расчета эффективности проекта представлены в табл. 4. Результаты расчета эффективности реализации проекта представлены в табл. 5. Поскольку сегодня в пос. Зотино дизельные установки используются исключительно для выработки электроэнергии, а тепловая энергия вырабатывается децентрализованно, в каждом отдельном строении путем сжигания топливной древесины (дров), ниже представлены расчеты по использованию ORC-модуля с котлами, работающими на щепе, исключительно для генерации электроэнергии (табл. 6, 7) и вариант использования ORC-модуля на выхлопе дизельного двигателя с целью минимизации себестоимости вырабатываемой электроэнергии (табл. 8).
Сводный расчет по варианту 1 (ТЭС с ORC-модулем) представлен в табл. 7.
Сводный расчет по варианту 2 (ТЭС с дизель-генератором + ORC-модуль на выхлопе) представлен в табл. 8.
(ТЭС с ORC-модулем)
Выводы
генератором + ORC-модуль на выхлопе
Анализ расчетов реализации проекта строительства мини-ТЭЦ с ORC-модулем в пос. Зотино Туруханского района Красноярского края показывает его высокую эффективность, особенно при когенерации и работе ORC-модуля при использовании выхлопных газов дизель-генератора (см. табл. 4 и 8).
Строительство мини-ТЭЦ на древесных отходах в пос. Зотино позволит решить следующие задачи:
- обеспечить поселок электроэнергией, стоимость которой после окупаемости проекта не будет превышать 4 руб./кВт⋅ч;
- обеспечить поселок теплом, стоимость которого после окупаемости проекта не будет превышать 800 руб./Гкал;
- сократить объем субсидий из бюджета края и получить в бюджеты различных уровней дополнительные налоговые отчисления;
- создать в перспективе возможность для развития лесопиления и деревообработки, заготовки топливной щепы.
Александр БЛИНОВ, главный специалист НПО «СПб ЭК», Россия,
Сергей ПЕРЕДЕРИЙ,
Дюссельдорф, Германия
s.perederi@eko-pellethandel.de
