3.4. Описание продукта (услуги)

Производственный цикл подразумевает выработку электрической и тепловой энергии с применением когенерационной выработки.
Когенерационные системы состоят из следующих основных частей:

• Двигатель (основной)
• Электрический генератор
• Утилизатор тепловой энергии
• Модуль управления 
  

Когенерационные системы, как правило, классифицируются по типам основного двигателя и генератора, а также по типу топлива. Сравнение показателей эффективности будет производиться между, поршневыми двигателями, газовыми турбинами, микротурбинами. 

Газовые турбины 

Благодаря повсеместному переходу в 90-е годы на использование природного газа в качестве основного топлива для электроэнергетики, газовые турбины за-няли существенный сегмент рынка. Максимальная эффективность оборудования достигается на мощностях от 5 МВт и выше (до 250 МВт), но некоторые производители выпускают модели в диапазоне 1-5 МВт.

Принцип работы газовых турбин состоит в следующем: газ, нагнетаемый в камеру сгорания компрессором, смешивается с воздухом, формируя топливную смесь, и поджигается. Образующиеся продукты горения с высокой температурой (900°С-1200°С), проходя через несколько рядов лопаток, установленных на валу турбины, приводят к вращению турбины. Механическая энергия вала передается через (понижающий) редуктор электрическому генератору. Тепловая энергия вы-ходящих из турбины газов поступает в теплоутилизатор. Вместо производства электричества, механическая энергия турбины может использоваться для работы насосов, компрессоров и т.п. Наиболее традиционным видом топлива для газовых турбин является природный газ, хотя это не исключает возможности использова-ния других видов газообразного топлива. При этом газовые турбины предъявляют повышенные требования к качеству его подготовки (механические включения, влажность).
Температура исходящих из турбины газов составляет 450°С — 550°С.

Количественное соотношение тепловой энергии к электрической у газовых турбин составляет от 1.5:1 до 2.5:1, что позволяет строить когенерационные системы, различающиеся по типу теплоносителя:

• Непосредственное (прямое) использование отходящих горячих газов;
• Производство пара низкого или среднего давления (8—18 кг/см2) во внешнем котле;
• Производство горячей воды (лучше, когда требуемая температура превышает 140°С);
• Производство пара высокого давления (турбины комбинированного цикла, описание которых приведено ниже).

КПД газовой турбины составляет 25% — 35%, в зависимости от параметров работы конкретной модели турбины и характеристик топлива. В составе когенерационных систем эффективность возрастает до 90% в расчете на условную единицу израсходованного топлива (по теплотворной способности). Газовые турбины обладают хорошими экологическими параметрами (эмиссия NOx на уровне 25 ppm). 
Работа турбины сопровождается высоким уровнем шума, поэтому для их установки используются индустриального типа здания (в том числе контейнерного типа), которые также обеспечивают защиту от влаги оборудования.

Поршневые двигатели

Поршневые двигатели, используемые в энергосистемах, обладают, с одной стороны, соизмеримой с турбинами эффективностью в части генерации электроэнергии. С другой стороны, создание когенерационных систем на базе поршневых двигателей осложнено рассеиванием тепловой энергии, часть которой отводится системой охлаждения двигателя (двигатель и масло, используемое в системе смазки, должны постоянно охлаждаться), а также пульсирующим характером потока отходящих газов (с температурой на уровне 400°С). Количественное соотношение тепловой энергии и электрической у поршневых двигателей составляет от 0.5:1 до 1.5:1.

На практике применяют два типа поршневых двигателей:

• С воспламенением от сжатия (аналог автомобильного или судового дизеля), которые могут работать на дизельном топливе или природном газе (с добавлени-ем 5% дизельного топлива для обеспечения воспламенения топливной смеси). На рынке доступны модели от единиц киловатт до 15 МВт выходной электрической мощности. Несмотря на повсеместную тенденцию использовать газ (в основном по экологическим причинам), в некоторых случаях (отсутствие газопровода, цена строительства, время работы) экономически оправданно использовать дизельное топливо.
• С искровым зажиганием (аналог автомобильного бензинового двигателя). Электрическая выходная мощность двигателей этого типа, как правило, на 15—20% ниже, чем у дизелей (ограничивается специально для предотвращения детонации). Тепловая мощность у них также ниже, чем у дизелей. Двигатели с искро-вым зажиганием могут работать на чистом газе (природный газ, био и другие ус-ловно бесплатные газы). 
  Наиболее часто встречающиеся аппликации для тепловой энергии отходящих газов поршневых двигателей включают производство пара с давлением до 15 кг/см2 или горячей воды с температурой до 100°С или прямое использование теп-ла отходящих газов в процессах сушки. Помимо отходящих газов можно исполь-зовать воду из системы охлаждения двигателя, но она обладает низкой энергетической способностью (температура 80°С — 90°С). 

Подготовка места установки поршневых двигателей должна обязательно включать решение вопросов, связанных с вибрацией. Наиболее эффективным методом является использование платформы с пневматической системой амортизации. 

Шум от работы двигателя представляет меньшую проблему, чем для индустриальных газовых турбин, но вместе с тем, низкочастотная составляющая шума может создавать достаточно сильное давление на ухо человека и может потребовать создания специальных защитных конструкций. 

Поршневой двигатель конструктивно имеет больше движущихся частей по сравнению с турбиной. Следовательно, интервалы сервисного обслуживания, связанного с остановкой и ремонтом двигателя короче, чем у турбин. Тем не менее, работоспособность поршневых двигателей, как правило, не опускается ниже 90%. Существенное ограничение состоит в работе на неполной мощности — поршневой двигатель, как правило, не рекомендуется запускать с нагрузкой менее 50% на продолжительный период времени.

Для борьбы с высокой эмиссией вредных веществ в поршневых двигателях используются как внешние каталитические фильтры, так и конструктивные модификации самих двигателей, направленные на увеличение времени горения и степени сжатия топливной смеси. Это, в свою очередь, приводит к росту стоимости самого оборудования и расходов на его сопровождение. Высокая эмиссия поршневых двигателей связана в первую очередь с тем, что развитие этих техно-логий происходило в период отсутствия экологических ограничений и основное внимание уделялось максимизации выходной мощности и производительности.

Микротурбины

Микротурбина используется в качестве двигателя компактных модульных генераторов электроэнергии, работающих в диапазоне мощностей от 25 до 200 кВт. 
Все движущиеся части микротурбинного двигателя — воздушный компрессор, генератор и сама турбина — расположены на одном валу, скорость вращения которого находится в диапазоне 45000—96000 оборотов в минуту. Вал закреплен на воздушных подшипниках, что позволяет отказаться от жидкостной смазки и использовать для этого воздух. Воздух также обеспечивает охлаждение двигателя и управляющей электроники. Это позволяет значительно снизить стоимость обслуживания оборудования по сравнению с другими технологиями.Для микротурбин стандартным считается проведение регламентных работ не чаще чем 1 раз в год, что обеспечивает работоспособность не ниже 99%. 

Основным видом топлива для микротурбин является природный газ, но они также могут эффективно работать и на другом коммерческом или условно бесплатном углеводородном топливе (попутный нефтяной, биологический газы, шахтный метан, сжиженный пропан, бутан, дизель или керосин). Микротурбины демонстрируют наилучшие показатели по экологическим параметрам по сравнению с остальными приведенными в настоящем обзоре технологиями: содержание N0X в отходящих газах не превышает 9 ppm, CO — 40 ppm (частей на миллион), что в 10 раз лучше, чем у поршневых двигателей и в 5 — чем у индустриальных турбин.Микротурбины не вибрируют, акустическая эмиссия не превышает 65 ДБ и легко гасится с помощью дополнительных кожухов. Корпус микротурбины имеет защиту от влаги и позволяет устанавливать оборудование на открытой площадке, снижая тем самым расходы на организацию специальных помещений.
По совокупности все эти преимущества позволяют применять микротурбины в качестве постоянно работающего основного генератора даже в густонаселенных городских центрах внутри и вне помещений, отводя сети роль резерва. 
В связи с тем, что микротурбины являются достаточно инновационным продуктом на рынке распределенных энергосистем (активное коммерческое приме-нение началось в 1998 году) и стоимость оборудования, отнесенная на единицу электрической мощности в настоящее время выше, чем у других технологий, использование микротурбин в когенерационных системах существенно улучшает их экономическую привлекательность.

Применение микротурбин в когенерации оп-ределяется температурой отходящих газов (270°С — 300°С) и количественным соотношением тепловой энергии к электрической (от 2:1 до 2.5:1):

• Прямое использование газа для сушки, обогрева помещений, производства CO2 (теплицы);
• Комплектация интегрированным или подключение внешнего теплообменни-ка, в котором теплоносителем выступает вода или гликоль (горячее водоснабже-ние, отопление);
• Интеграция с климатическими системами для охлаждения и осушки помеще-ний (например, в абсорбционном чиллере).

Достаточно часто когенерация на базе микротурбин устанавливаются в дополнение к существующим индустриальным системам производства тепловой энергии. Малая единичная мощность, масштабируемость и возможность эффективно работать в диапазоне нагрузок от 0 до 100% позволяют оптимизировать схемы производства энергии, что приводит к существенной экономии топлива и увеличивает срок службы оборудования. 
Вышеизложенные преимущества позволяют достигать производительности 96% при когенерации, устанавливая микротурбины на сернистых газах или газах с низкой теплотворной способностью.

Преимущества и недостатки различных типов двигателей:

Соотношение производительности, начальных инвестиций и стоимости владения для различных типов двигателей (без учета стоимости утилизаторов тепла)*

  В таблице приведены средние данные по отрасли за период с 2000 по 2010 г.г., таким образом, наименьшую удельную стоимость имеют поршневые двигатели.

Выработка тепловой энергии в зимнее время для обеспечения потребности объекта «________» осуществляется котельным оборудованием. Наибольшим экономическим эффектом при использовании автономного газоснабжения обладают модульные котельные, работающие на природном газе. Блочные автоматизированные модульные котельные установки состоят из одного или нескольких модулей. Эти современные индивидуальные источники теплоснабжения предназначены для отопления и горячего водоснабжения жилых, административных, производственных зданий и сооружений. Модульные котельные можно устанавливать на легком основании возле потребителей тепла.

Данные котловые блоки имеют приспособленный для транспортировки размер, следовательно, могут быть доставлены на место установки различными видами транспорта на значительные расстояния. На месте установки блоки соединяются, и заказчик получает готовую к работе котельную, которая по всем параметрам не отличается от котельной, смонтированной на месте. Подобный подход позволяет существенно сжать сроки пусконаладочных работ и не только.

Модульные котельные могут иметь несколько степеней автоматизации. Чаще всего разрабатываются целиком автоматизированные модульные котельные, не требующие постоянного присутствия операторов. Все сигналы из котельной передаются на пульт охраны предприятия или на уже имеющийся диспетчерский пульт. В самой котельной устанавливается панель, на которой отображаются все процессы происходящие в разных узлах, а мониторинг всех изменений происходит безостановочно. Благодаря этому имеется возможность заранее предотвратить аварийные ситуации. Кроме того, имеется возможность настройки систем диспетчеризации котельной с возможностью удаленного управления котельной. Таким образом, уровень автоматизации рассчитан на режим работы без постоянного присутствия обслуживающего персонала. Предусмотрена система диспетчерского контроля с размещением пульта аварийной сигнализации в месте пребывания де-журного персонала. В этом случае работа становится максимально удобной.