Поскольку в настоящее время в мире легкодоступные запасы данных топлив практически исчерпаны, а цены на энергоносители нестабильны и в значительной степени политизированы, возникает проблема энергетической безопасности, которая может решаться путём использования в энергетике и различных отраслях промышленности местных и возобновляемых источников энергии: каменный и бурый уголь, торф, горючие сланцы и различные виды биомассы.
Одной из важнейших проблем современной энергетики является обеспечение устойчивой и надёжной работы объекта при изменении внешних условий, как природных, так и политических. Эта задача может быть успешно решена при более интенсивном развитии малой распределённой энергетики. При этом необходимо соблюдать баланс между энергетической стабильностью и независимостью отдельного региона и укреплением горизонтальных экономических связей внутри страны.
Однако отсутствие нормативной базы для развития малых энергетических объектов (мини-ТЭС) существенно препятствует развитию данного направления. Поэтому в основу метода решения данной проблемы должен быть заложен принцип системного и комплексного подхода, который создаст условия для организационного, финансового, научно-технического, учебно-методического, нормативно-правового, информационного и кадрового обеспечения деятельности малой энергетики. Неоспоримые преимущества распределённой генерации энергии отмечены в исследованиях, проводимых в Российской академии наук, особенно в Институте систем энергетики имени Л. А. Мелентьева СО РАН [1]. Данные разработки выполнены совместно с ИНЭИ РАН, их обобщённый анализ приведён в обзоре [2].
Для обеспечения конкурентных преимуществ современные технологии должны отвечать критериям: низкая себестоимость вырабатываемой энергии; экологическая безопасность процесса; высокая эффективность и безотходность производства и тому подобное
В научных исследованиях 1960-1970-х годов, посвящённых моделированию топливно-энергетического комплекса и его отдельных отраслей, учитывалась специфика энергосистемы нашей страны, сложившаяся в условиях жёсткой централизации управления и планового ведения хозяйства. Однако на сегодняшний день спектр задач, стоящий перед субъектами энергетической отрасли, изменился в сторону обеспечения более экономичной работы в рыночных условиях. Раньше перед объектами промышленной энергетики (ТЭЦ и котельными) не стоял вопрос выбора и покупки топлива, им они обеспечивались планово.
Кроме того, энергетические объекты, как крупные, так и мелкие, были созданы для работы на «проектном» топливе. Сейчас же потребители при решении вопроса автономного энергоснабжения сами выбирают вид топлива, на котором будет работать энергетический объект, что в условиях отсутствия научно-технической базы является непростой задачей.
Многие потребители в последнее время стремятся к созданию собственных источников энергоснабжения, руководствуясь как экономическими, так и технологическими соображениями. Высокая плата за подключение к энергосистеме, а в некоторых районах и отсутствие технической возможности, побуждают промышленные предприятия выбирать для собственного энергоснабжения автономные станции малой мощности (мини-ТЭС). Хотя централизованная энергосистема по-прежнему остаётся гарантом энергоснабжения, автономное энергообеспечение является разумным дополнением к ней, позволяет избежать форсмажорных ситуаций и может рассматриваться как в качестве основного, так и резервного источника энергии. Современная мини-ТЭС рассматривается как единый энерготехнологический комплекс разнородных элементов оборудования со сложной схемой технологических связей. Поэтому системный анализ процессов производства энергии и побочных химических продуктов на мини-ТЭС, по аналогии со сложными химико-технологическими системами (ХТС) [3], представляет собой стратегию исследования существующих объектов-аналогов и создание новых высокоэффективных технологических схем.
Для обеспечения конкурентных преимуществ с учётом современного уровня развития энергетики данные технологии должны отвечать следующим критериям: низкая себестоимость вырабатываемой энергии; экологическая безопасность процесса; высокая эффективность производства энергии; безотходность производства и утилизация образующихся выбросов; компактность установки и манёвренность; ориентация на использование местного топлива.
При создании собственного источника энергоснабжения именно за потребителем остаётся выбор топлива, на котором будет работать энергообъект. При этом, в первую очередь, необходимо руководствоваться обеспечением условий автономности, бесперебойностью поставки и стабильным уровнем цен на данный энергоресурс.
Природный газ достаточно долго занимал лидирующие позиции в топливно-энергетическом комплексе нашей страны. Однако мнение многих специалистов в последнее время сводится к тому, что природный газ с большей эффективностью можно использовать в других отраслях, например, при производстве химических продуктов, поскольку в энергетике эффективность даже самых современных энергетических установок при комбинированной выработке энергии находится на уровне 35-40 %.
Необходимость прокладки трубопроводов для поставки газа потребителям, зависимость от поставщиков и постоянный рост цен на природный газ сводят на нет обеспечение условий автономности. В этой связи на первый план выходят твёрдые виды топлив, такие как уголь, торф, горючие сланцы, которые являются местными для многих регионов нашей огромной страны.
Однако энергоёмкий процесс подготовки к сжиганию и экологические последствия являются сдерживающими факторами их широкого использования в энергетике. К настоящему времени в мире разработано достаточно большое количество технологий, которые позволили преодолеть данные трудности и обеспечить переход на более высокий уровень процессов переработки твёрдых топлив. Если крупные станции, построенные ещё в советские времена, нуждаются в существенной модернизации и больших капиталовложениях, то внедрение современных технологий по использованию твёрдого топлива на автономных объектах может происходить менее затратно и в более сжатые сроки.
Задача оптимизации предполагает поиск среди различных вариантов технологических процессов и аппаратов наилучшего в плане соответствия нескольким критериям. Для автономной мини-ТЭС такие критери: себестоимость производимой электрической энергии, экологические показатели, коэффициент термоэкономической эффективности и др.
Стабилизировать стоимость вырабатываемой энергии и в тоже время повысить эффективность использования твёрдого топлива можно за счёт производства побочных химических продуктов на данных объектах. При термической переработке твёрдого топлива можно получить ряд ценных химических продуктов, таких как активированный уголь, кокс, моторные масла, товарная сера, золошлаковые материалы. Выбор производимого побочного продукта будет определяться, в первую очередь, потребностями региона и близлежащих предприятий.
Как для любого промышленного производства или энергетического объекта, в структуре мини-ТЭС выделяются три основных иерархических уровня (рис. 1). Мини-ТЭС представляет собой совокупность подсистем, которые в основном характерны и для традиционной тепловой угольной электростанции. Это и основные подсистемы — генерации электрической и тепловой энергии, и вспомогательные — системы доставки и разгрузки топлива, его подготовки, очистки генераторного газа, продуктов сгорания и производства побочных продуктов. В каждой из них условно могут быть выделены отдельные участки, которые характеризуются взаимосвязанными процессами. Эти участки состоят из отдельных аппаратов и установок, представляющих собой единичные агрегаты.
По сравнению с традиционной угольной ТЭС технологическая схема объекта малой мощности должна быть максимально компактна и существенно упрощена, что можно обеспечить за счёт поставки угля контейнерным способом и отсутствия громоздкого и энергоёмкого размораживающего устройства. Уголь может быть доставлен на станцию с ближайшего резервного угольного склада не только железнодорожным, но и автомобильным транспортом.
При наличии в структуре мини-ТЭС этапа термохимической переработки (газификации и пиролиза) измельчение и сушка угля до такого состояния, которое необходимо для сжигания его в топках пылеугольных котлов, уже не требуется. Непрерывная утилизация золы и шлака, как совместным, так и раздельным способом, существенно видоизменяет систему золошлакоудаления, поскольку не нужно транспортировать отходы на золошлакоотвалы.
Ступенчатая очистка генераторного газа позволяет избежать установки громоздких систем по очистке продуктов сгорания, которые превосходят по объёму получаемый газ.
Подсистемы очистки газов связаны с участками производства побочных продуктов, так как выбор побочного продукта определяет применяемый способ очистки газов. Например, если планируется производство золошлаковых материалов, наиболее рациональным будет сухое раздельное золошлакоудаление. Производимый на мини-ТЭС в качестве побочного продукта активированный уголь может использоваться в системе очистки генераторного газа при выделении сероводорода и получении товарной серы (в качестве адсорбента). Таким образом, структура автономного энерготехнологического комплекса представляет собой сложную систему взаимозависимых процессов, эффективность протекания которых оказывает влияние друг на друга и в конечном итоге отражается на эффективности всей технологии.
Задача оптимизации предполагает поиск среди различных вариантов технологических процессов и аппаратов наилучшего в плане соответствия одному или нескольким критериям. Для автономной мини-ТЭС такими критериями могут служить: себестоимость производимой электрической энергии, экологические показатели, коэффициент термоэкономической эффективности и др.
На объектах малой автономной энергетики реализуется принцип когенерации — совместной выработки тепловой и электрической энергии. Несмотря на то, что сейчас данные объекты работают в основном на газообразном топливе, существует потребность в обеспечении реальной автономности, что может быть достигнуто путём использования твёрдого органического топлива — угля, торфа, горючих сланцев или композиционных топлив, представляющих собой смесь измельчённого угля или торфа с водой, мазутом, другими жидкостями. Для более эффективного использования топлива и уменьшения вредных выбросов в атмосферу разработаны технологические схемы с газификацией и получением генераторного газа для последующего сжигания в камерах сгорания газотурбинных установок (ГТУ) или дизель-генераторах. На основе ранее предложенной авторами классификации малых автономных энергетических объектов и систем подготовки твёрдого топлива разработана методика расчёта и комплексной оценки эффективности данных объектов по энергетическим и технико-экономическим показателям, алгоритм которой представлен на рис. 2 [4].
Основными критериями, по которым оценивается эффективность автономного энергетического объекта и производится выбор оптимальной комплектации, выступают стоимости вырабатываемой тепловой и электрической энергии, а также термоэкономическая эффективность ф, которая находится в зависимости от эксергетического коэффициента полезного действия nex и основных технико-экономических показателей:
где к — удельные капзатраты, руб/год; C — эксплуатационные расходы; Зд — затраты на доставку топлива, руб/год; B — годовой расход твёрдого топлива, т/год; Ц — его стоимость, руб/т; ηex — эксергетический коэффициент полезного действия, при расчёте которого учитываются разнородные материальные и энергетические потоки, что важно при оценке эффективности объектов, производящих помимо энергии побочные химические продукты.
Термоэкономическая эффективность позволяет рассматривать термодинамические и технико-экономические показатели комплексно, и данный метод оценки широко применяется при анализе как систем подготовки топлива на крупных станциях, так и объектов, работающих по принципу комбинированной выработки тепловой и электрической энергии. Алгоритм расчёта технологических схем мини-ТЭС и оценки их эффективности приведён на рис. 2 [4].
Последовательность действий включает в себя следующие основные этапы:
1. Производится выбор твёрдого топлива и определяется тип схемы в зависимости от применяемого основного энергетического оборудования. В качестве типовых на основе обзора литературных источников выбраны три схемы. В схеме первого типа в качестве основного энергетического оборудования выступает газотурбинная установка — ГТУ. Отработанные продукты сгорания после газовой турбины поступают в котёл-утилизатор, где происходит выработка пара, который затем направляется в паровую турбину (ПТ). Топливо, поступающее на станцию, вначале измельчается и подсушивается. Схема второго типа отличается от первого тем, что пар после котла-утилизатора (КУ) отпускается потребителям. В схеме третьего типа в качестве основного энергетического оборудования выступает дизель-генератор. После дизель-генератора (ДГ) устанавливается утилизационный теплообменник (УТ), который служит для нагрева сетевой воды, поступающей потребителям.
2. Производится выбор системы подготовки топлива (сушка под давлением, разрежением, продуктами сгорания, воздухом и т.д.), в качестве исходных данных задаётся мощность энергетического объекта, температура окружающей среды, число часов использования установленной мощности и другие показатели.
3. Для каждой схемы определяется тепловой коэффициент полезного действия Пт, как отдельных аппаратов, так и затем всей схемы. Расчёт начинается с основного энергетического оборудования (с ГТУ или дизель-генератора), в зависимости от типа схемы определяется калорийность генераторного газа и расход топлива на сжигание. Затем рассчитываются аппараты для подготовки топлива, далее — газогенератор, и производится подбор сушильно-мельничного оборудования.
4. Выполняется расчёт эксергетической эффективности с использованием эксергетического метода термодинамического анализа. Определение эксергетической эффективности проводится в той же последовательности, что и тепловой расчёт.
5. При проведении технико-экономического расчёта определяются капитальные затраты и эксплуатационные расходы, включающие в себя энергетические затраты, неэнергетические, а также амортизационные отчисления. Далее определяется стоимость вырабатываемой энергии с учётом реализации побочной продукции. В стоимости энергии заложена также инвестиционная составляющая, которая должна быть учтена при строительстве и проектировании энергетического объекта.
6. Термоэкономический расчёт основан на определении коэффициента термоэкономической эффективности с учётом дальности и стоимости доставки имеющегося топлива.
В качестве примера в табл. 1 представлены значения показателей эффективности для мини-ТЭС различной мощности при работе на «кузнецком» угле марки Т.
Итак, разработанная научно-методическая база, включающая классификацию малых автономных энергетических объектов (мини-ТЭС), типовые технологические схемы и методику их расчёта, систему показателей эффективности, позволяет при наличии ряда доступных для использования твёрдых топлив выбрать структуру и комплектацию мини-ТЭС, провести расчёт и сравнительный анализ ещё на стадии предпроектной подготовки. Это позволит в рамках региона оптимизировать структуру топливно-энергетического баланса с учётом прогноза цен на выбранное топливо, его доступности и объёма добычи.
Исследование выполнено в рамках гранта № СП-1484.2012.1 на получение стипендии Президента Российской Федерации молодым учёным и аспирантам 2012-2014-х годов и грантов РФФИ № 12-08-97055, №14-08-00333.
