Анализ эффективности мини-ТЭЦ

Анализ эффективности мини-ТЭЦ О. С. Попель С.Е. Фрид На примере энергообеспечения жилого поселка Специальной астрофизической обсерватории РАН (пос. Н. Архыз, Карачаево-Черкесия), электроснабжение которого осуществляется от электрической сети, а теплоснабжение — от газовой котельной, рассмотрена проблема оптимального включения в систему энергоснабжения газопоршневой мини-ТЭЦ. В поселке построены многоэтажные дома (до 12 этажей), есть офисные помещения, инфраструктура (детский сад, школа и т. д.). Население поселка составляет около 800 жителей. электрический теплоснабжение энергоснабжение Первая существующая проблема энергообеспечения поселка — основная — это отсутствие резервного источника электроснабжения котельной, что непосредственно влияет на жизнеобеспечение поселка. Ряд объектов обсерватории по системе электроснабжения относятся к объектам первой категории. Сеть, которая к ним проложена, во-первых, тупиковая, во-вторых, маломощная, а в-третьих, регулярно происходят аварии и прекращение электроснабжения. Последнее для котельной поселка критично, поскольку зима относительно холодная и достаточно суток, чтобы заморозить трубы тепловой сети.

Вторая проблема — это достаточно высокая стоимость тепловой и электрической энергии (500 руб./Гкал, 2 руб./кВт*ч) и отсутствие постоянного горячего водоснабжения (ГВС) жителей поселка. С апреля по октябрь система ГВС работает по 2−3 ч. в сутки и только 3−4 раза в неделю. Т. е. каждый раз днем растапливается паровой котел в котельной и подогревается вся система. Поэтому эксплуатационный ресурс котлов резко снижается и растут эксплуатационные затраты.

Для решения этих проблем было предложено использовать мини-ТЭЦ на базе газопоршневого двигателя Ярославского завода ЯМЗ-240. Данный двигатель обеспечивает электрическую мощность 200 кВт (при работе только в электрическом режиме) и максимальную тепловую мощность — 300 кВт.

При выборе схемы мини-ТЭЦ необходимо было учесть следующие моменты:

• * потребителю требуется вода определенного качества (с температурой не ниже 50 ^ОС) по определенному графику;
• * тепловой режим работы двигателя довольно жесткий: и по температуре охлаждающей воды рубашки двигателя, и по температуре масляной системы, и по температуре уходящих газов в теплообменнике (продукты сгорания — газ), и по температуре в баке-аккумуляторе (не более 100 ^ОС, атмосферное давление);
• * т.к. предполагается интегрирование мини-ТЭЦ в существующую схему котельной, система регулирования параметров работы оборудования должна быть достаточно проста.

В качестве исходных данных для анализа приняты следующие параметры:

• * средняя нагрузка ГВС — 300 кВт;
• * собственные нужды котельной — 110 кВт (эл.);
• * постоянная нагрузка, существующая в поселке — 160−180 кВт (эл.).

В результате проведенного математического моделирования была выбрана двухконтурная схема, состоящая из контура зарядки бака и контура ночной работы, когда станция работает на минимуме потребления и на тепловые потери.

В качестве инструмента для анализа использовалась среда динамического моделирования TRNSYS, помимо решения оптимизационных задач позволяющая также анализировать различные переходные режимы работы системы и подбирать соответствующие регуляторы, рассчитывать пусковые режимы.

В данной задаче оптимизировался объем бака-аккумулятора, минимально необходимая мощность насоса в контуре зарядки для сокращения потребления электроэнергии, а также анализировалось изменение температуры у потребителя при заданном графике нагрузки ГВС при максимальном коэффициенте использования тепла в утилизационном блоке. Под коэффициентом использования тепла подразумевается отношение тепла, отданное потребителю за сутки, к теплу, которое было выработано теплоутилизационным контуром.

Некоторые результаты моделирования представлены на графиках. Так, на графике суточной нагрузки ГВС следует отметить двойное превышение нагрузки в пиковые часы разбора (утренние и вечерние). При этом около 40% - это потери, связанные с большой протяженностью двухтрубной тепловой сети.

Начиная с 40−50 м³ объем бака соответствует необходимому значению для нормальной работы системы. На рис. 4 представлен аналогичный график только уже при изменении расхода в контуре зарядки.

При тех же условиях, когда меняется объем и расход, меняется температура воды уже у потребителя. При малых объемах бака и при малых расходах в контуре зарядки температура воды у потребителя в пиковые часы опускается ниже 30−40 ОС, что не соответствует требуемому значению.

Правая часть графика соответствует тому, что обычно предлагают производители оборудования, а левая часть графика — то, что можно в итоге получить. Если выбрана неоптимальная схема, неоптимально рассчитана мощность мини-ТЭЦ, неоптимально сделан процесс регулирования, то в результате можно ошибиться в сроке окупаемости почти в 1,5 раза. В нашем случае, при том графике нагрузки, который заложен в основу, коэффициент использования нагрузки получается на уровне 80%, что соответствует сроку окупаемости около одного года. Стоимость такой мини-ТЭЦ на базе двигателя ЯМЗ-240 оценивается примерно в 2 млн руб., а себестоимость электроэнергии составит 0,5 руб./кВт*ч. В результате проведенного анализа для конкретного потребителя — жилого поселка — показано, что мини-ТЭЦ может эффективно заменить котельную в неотопительный сезон, что, помимо снижения себестоимости энергии, позволяет гарантированно обеспечить жителей горячей водой, сократить издержки на содержание котельной и продлить срок эксплуатации ее основного оборудования.