Использование газотурбинных технологий

Эффективное использование топлива и энергосбережение при производстве электроэнергии и тепла за счет использования газотурбинных технологий

А. А. Иноземцев, доктор техн. наук, генеральный конструктор ОАО "Авиадвигатель"

А. А. Васильев, генеральный директор ЗАО "Искра-Энергетика"

И. Н. Шубин, зам. губернатора Пермской области

А. Н. Сементин, начальник УЖКХ администрации Пермской области

Д. Д. Сулимов, главный конструктор ОАО "Авиадвигатель"

А. Е. Костюченко, канд. тех. наук, зам. Главного конструктора по маркетингу ОАО "Авиадвигатель"

Природный газ добывается из невозобновляемых источников, запасы его конечные, из чего следует необходимость его эффективного использования как наиболее ценного и экологически чистого вида топлива. В ближайшие три года дефицит ресурсов природного газа в России, даже при закупке его в среднеазиатских государствах, составит: в 2000 г. - 11 млрд. нм³, в 2001 г. - 36,6 млрд. нм³ и в 2002 г. - 67 млрд. нм³ [1].

К системам тепло- и электроснабжения, дающим максимальную экономию энергоресурсов и приносящим прибыль, относятся муниципальные и промышленные системы совместного производства тепла и электроэнергии с применением газовых турбин (ГТУ-ТЭЦ и ПГУ-ТЭЦ).

Эффективный коэффициент использования топлива таких систем достигает 90 % и не имеет себе равных среди других технологий [2].

Не случайно еще в 1978 г. в США принят закон, согласно которому запрещено использование природного газа на вновь вводимых и реконструируемых ТЭЦ и крупных котельных без применения газотурбинных технологий. Аналогичные меры приняты и в странах Европейского экономического сообщества (ЕЭС) [3]. В скором будущем такие же законы должны быть приняты в России.

Для демонстрации преимуществ газотурбинных теплоэлектростанций по сравнению с существующими паротурбинными установками производства электроэнергии на рис. 1 представлена энергетическая схема ГТУ-ТЭЦ электрической мощностью 16,0 МВт и тепловой мощностью 22,0 Гкал/ч разработки ОАО "Авиадвигатель" в стационарных условиях. Из рис. 1 видно, что данная ГТУ-ТЭЦ при всех указанных потерях энергии на входе и выходе, в редукторе, генераторе, затратах на собственные нужды (1 %) и затратах электроэнергии на привод дожимного компрессора (5 %) при совместном производстве электроэнергии и тепла будет производить на отпуск 15,04 МВт электроэнергии и 21,98 Гкал/ч тепла, затрачивая при этом 3 457 кг/ч природного газа или 5 785,6 кг у. т./ч и иметь КПД использования топлива 86,1 %.

Рисунок 1. Энергетическая схема ГТУ-ТЭЦ электрической мощностью 16 МВт и тепловой мощностью 22 Гкал/ч

Без отпуска тепла удельный расход условного топлива на отпуск электроэнергии составит 384,7 г у. т./кВт·ч, а без отпуска электроэнергии (условно) удельный расход условного топлива на отпуск тепла будет 263,2 кг у. т./Гкал.

Данные величины нанесены на оси координат графика рис. 2 и соединены прямой линией, в соответствии с которой можно определять в базовом режиме удельный расход условного топлива на выработку электроэнергии при задании удельного расхода условного топлива на выработку тепла или наоборот. Этим графиком удобно пользоваться при определении экономии условного топлива при переоснащении существующих ТЭЦ, ГРЭС и котельных в ГТУ-ТЭЦ, а также при коммерческом перераспределении затрат на производство электроэнергии и тепла.

Для наглядности на тот же график рис. 2 нанесены данные по средним в России удельным расходам условного топлива на ТЭЦ, взятые из работы [4]. Из рис. 2 видны значительные преимущества газотурбинных технологий в области энергосбережения и экономии топлива по сравнению с существующими технологиями на любой ТЭЦ АО-энерго и РАО "ЕЭС России".

Рисунок 2. Соотношения удельных расходов условного топлива на выработку электроэнергии тепла для ГТУ-ТЭЦ,представленной на рис. 1

Анализ составляющих в себестоимости тепла от котельных, работающих на природном газе в Пермской области, показал, что стоимость электроэнергии в себестоимости тепла достигает 10 %, а затраты на топливо находятся в пределах 55 %. При такой структуре российской теплоэнергетики, даже при низких тарифах на природный газ, тепло становится дорогим и его оплата, как правило, дотируется из регионального бюджета.

Многие региональные органы власти прекрасно осознают порочность этого состояния, особенно при жутком дефиците финансовых средств.

Администрация Пермской области приняла решение о разработке проекта региональной программы "Пермские газотурбинные технологии для систем тепло- и электроснабжения". Такое решение принято, исходя из проблем указанных выше, с учетом следующих обстоятельств:

• проблема технического перевооружения теплоэлектроэнергетики затрагивает основы надежности и живучести всех регионов страны и "ЕЭС России" в целом.
• отечественная энергетика построена на российском оборудовании, и очень важно сохранить такое положение в будущем для обеспечения энергетической безопасности РФ.
• производственные возможности промышленных предприятий Пермской области по поставкам энергосберегающего оборудования для высокоэффективных газотурбинных систем тепло- и электроснабжения обеспечивают примерно 85 % всего оборудования ГТУ-ТЭЦ. Остальное оборудование (котлы-утилизаторы, дожимные компрессоры, САУ высшего уровня и ряд другого оборудования) изготавливается российскими предприятиями других регионов.

Внедрение газотурбинных технологий в электроэнергетике Прикамья началось в декабре 1997 г. после ввода в эксплуатацию на территории ОАО "Пермские Моторы" первой промышленной газотурбинной электростанции "Янус" мощностью 4 МВт. Блочно-модульная теплоэлектростанция ГТЭС-4 разработки ОАО "Искра" введена в эксплуатацию "под ключ" на ОАО "Пермский газоперерабатывающий завод" специализированным Пермским предприятием ЗАО "Искра-Энергетика" - совместным предприятием ОАО НПО "Искра" и компании "Turbo Power & Marine Systems, INC" (США).

Пермскими предприятиями за 7 лет разработано и введено в эксплуатацию 85 ГТУ мощностью от 2,5 до 16 МВт, которые на 01.02.2001 г. наработали около 591 тысячи часов. Лидерные образцы имеют наработку более 25-35 тысяч часов.

Тесное и плодотворное сотрудничество промышленных предприятий Прикамья по созданию и вводу "под ключ" газотурбинных теплоэлектростанций стало основанием создания в Пермской области демонстрационной зоны энергоэффективных проектов "Западный Урал".

На рис. 3 представлена схема варианта реконструкции в рамках региональной программы Пермской области котельной № 25 (г. Кунгур) в ГТУ-ТЭЦ с тепловыми и электрическими нагрузками, построенными по данным опросного листа.

На рис. 3, кроме графиков электрических и тепловых нагрузок, представлен график изменения коэффициента полезного использования топлива для одного из трех рассмотренных вариантов эксплуатации ГТУ-ТЭЦ*).

Рисунок 3. Энергетические и тепловые нагрузки ГТУ-ТЭЦ на базе Правобережной котельной г. Березники

Анализ приведенных графиков показывает, что для лучшего варианта - № 2 - в осенне-зимний отопительный период коэффициент полезного использования топлива находится в пределах 81-86 %, а в неотопительный период находится на уровне 60 %.

Это очень высокие показатели эффективности использования топлива, т. к. в мировой практике бинарные парогазовые установки с коэффициентом использования топлива, равном 60 %, пока находятся только в стадии опытного производства.

Ниже в таблице представлены результаты расчета экономии топлива и окупаемости вышеуказанной ГТУ-ТЭЦ.

Пуск первой в Российской Федерации муниципальной ГТУ-ТЭЦ, построенной по инициативе АО "Башкирэнерго" полностью на российском оборудовании с применением ГТУ-4П, осуществлен 27 декабря 2000 г. в поселке Большеустьикинское Республики Башкортостан.

Реконструкция муниципальных и промышленных котельных в ГТУ-ТЭЦ решает 4 основные задачи энергосбережения:

1. котельные, дающие населению до 62 % тепловой энергии, превращаются из потребителей электроэнергии в поставщиков дешевой электроэнергии как в пиковом, так и в базовом режимах;
2. существенно снижаются удельные расходы топлива как на производство электроэнергии, так и на производство тепла;
3. снижается себестоимость тепловой энергии, что очень важно, т. к. дотации можно превратить в инвестиции;
4. уменьшаются потери в сетях, т. к. в многотысячных отдаленных микрорайонах РФ появляются местные источники электроэнергии.

Кроме энергосбережения, при использовании газотурбинных технологий улучшается экология, т. к. существенно снижаются выбросы в атмосферу загрязняющих веществ NO, CO и CO2 за счет того, что сэкономленное топливо не сжигается в топках существующих котлов, и за счет разности в выбросах за существующими котлами и за газотурбинными установками, из которых пермские ГТУ мощностью 2,5 и 4,0 МВт имеют экологические сертификаты.

Литература

1. Обсуждение проблем перспективной топливной политики в электроэнергетике. - "Энергетик", 2000, № 10, с. 2-5.
2. Дэвид Брезовец, Питер Рейна, Джереми Уилокс. Комбинированное производство тепла и электроэнергии. - "Мировая энергетика", 1998, № 4, с. 26-31.
3. Денисов В. Е. Технический прогресс в энергетике: взгляд в ХХI век. - "Энергетик", 1998, № 5, с. 8.
4. Зингер Н. М., Белевич А. И. Развитие теплофикации в России. - "Электрические станции", 1999, № 10, с. 7.

Тел. (3422) 45-6389