РосТепло.ru - Информационная система по теплоснабжению
РосТепло.ру - всё о теплоснабжении в России

Применение инновационных газотурбинных технологий для повышения энергоэффективности Саратовского теплового узла

К.т.н. Е.А.Ларин, профессор;
С.П. Рожнов, инженер;
к.т.н. Л.П. Шелудько, доцент;
ФГБОУВПО СГТУ имени Ю.А.Гагарина, г. Саратов

Проблема повышения эффективности использования первичных видов топлива при производстве электрической и тепловой энергии является ключевой для энергообеспечения промышленной и социальной инфраструктуры городов. Ее решение оказывает прямое влияние на экономическую эффективность работы источников и систем теплоэнерго- снабжения. Саратовский тепловой узел характеризуется рядом факторов, которые обуславливают его низкую экономическую эффективность. В табл. 1 приведена структура теплового узла г. Саратова.

Таблица 1. Структура генерирующих мощностей Саратовского теплового узла.

Источники Располагаемая

тепловая

мощность,

Г кал/ч

Максимально

достигнутая

мощность,

Г кал/ч

Установленная электрическая мощность,

МВт

Топливная эффективность по отпуску тепловой энергии, кг у.т./Г кал Топливная эффективность по отпуску электроэнергии, кг у.т./кВт-ч
Саратовская ГРЭС 428 (в т.ч. пар 19) 296 (в т.ч. пар 2) 54 175 170
Саратовская ТЭЦ-1 198 (в т.ч. пар 19) 90 (в т.ч. пар 133) 18 185 203
Саратовская ТЭЦ-2 632 (в т.ч. пар 324) 429 (в т.ч. пар 133) 232 185 332
Саратовская ТЭЦ-5 919 527 441 168 244
Котельные (147 котельных, из которых 19 законсервировано) 528 310 - 186 -

В табл. 2 приведены данные по отпуску электрической и тепловой энергии от источников энергоснабжения.

Таблица 2. Полезный отпуск электрической и тепловой энергии от всех источников.

Отпуск энергии 2009 г. 2010 г. 2011 г. 2012 г. 2013 г.
Отпуск электроэнергии, млн кВт ч 2624,3 2587,6 2452,2 2083,2 2307,6
Отпуск тепловой энергии, тыс. Гкал 5966 5761 5301 5366 4806
в т.ч. потери 932 1203 1200 1349 1271
в виде пара 637 601 532 460 558
в виде горячей воды 4361 3957 3569 3557 2977
Отпуск тепловой энергии от котельных, тыс. Г кал 798 784 788 794 774

Анализ экономической эффективности Саратовского теплового узла, проведенный КЭС Холдинг, показал, что в последние 3-4 года эффективность производства тепловой и электрической энергии на теплоэлектростанциях Саратовского теплового узла падает. В основу анализа экономической эффективности источников теплоснабжения положена динамика изменения показателя EBITDA - прибыли, полученной от производственной деятельности системы генерации и транспортировки тепловой и электрической энергии, до уплаты налогов и начисления амортизации. В табл. 3 приведены данные по изменению показателя EBITDA для источников системы теплоснабжения Саратовского теплового узла.

Таблица 3. Динамика значений EBITDA по источникам теплоснабжения (+/–), млн руб.

Источник 2010 г. 2011 г. 2012 г. 2013 г.
Саратовская ГРЭС 81 2 -41 -42
Саратовская ТЭЦ-1 -41 -46 -51 -56
Саратовская ТЭЦ-2 193 -32 -53 -140
Саратовская ТЭЦ-5 591 500 370 303
Котельные 6 2 -56 74

Ухудшение экономических показателей обусловлено следующими основными факторами:

■ избыточностью генерирующих мощностей. В Саратовском тепловом узле работают 132 источника ОАО «Волжская ТГК» - 3 ТЭЦ, 1 ГРЭС, 128 котельных. Суммарная установленная тепловая мощность источников составляет 3285 Гкал/ч, при этом их фактическая нагрузка составляет 1342 Гкал/ч. Из-за низкой загрузки, основное оборудование наиболее крупных источников Саратовского узла (Саратовская ТЭЦ-2 и Саратовская ТЭЦ-5) работает в неоптимальных режимах. Установленная тепловая мощность котельных составляет 528 Гкал/ч (67 котельных имеют мощность менее 1 Гкал/ч). Это свидетельствует о низкой степени централизации системы теплоснабжения;

■ отсутствием единой системы централизованного теплоснабжения. Источники Саратовского теплового узла работают на отдельные контуры теплоснабжения, которые не соединены между собой в единую систему централизованного теплоснабжения (СЦТ), вследствие чего отсутствует возможность оперативного перераспределения нагрузки между источниками;

■ низким уровнем тарифов. Уровень тарифов на тепловую энергию не покрывает затрат на ее производство, не обеспечивает воспроизводство основных фондов и снижает конкурентоспособность ТЭЦ на рынке электроэнергии. Этим обусловлена значительная недополученная необходимая валовая выручка;

■ эксплуатацией системы централизованного теплоснабжения по пониженному температурному графику теплосети, относительно проектной 150/70 ОС. Из-за наличия большего количества потребителей, подключенных по схеме открытого водоразбора и отсутствия у них индивидуальных тепловых пунктов, невозможен переход на проектный температурный график тепловой сети, что приводит к повышенным расходам сетевой воды и затратам на ее перекачку.

Все это приводит к тому, что при сохранении существующей системы теплоснабжения города происходит генерация растущей отрицательной эффективности. Указанные причины снижения экономической эффективности генерации электрической и тепловой энергии по сути определяют и направления повышения эффективности. Среди них основными являются:

■ совершенствование существующих источников теплоснабжения путем реконструкции и технического перевооружения ТЭЦ;

■ обоснование необходимости дальнейшей эксплуатации СарТЭЦ-1 и СарГРЭС;

■ создание единой системы централизованного теплоснабжения города с переводом части тепловой нагрузки котельных на соответствующие ТЭЦ.

В рамках решения проблемы повышения эффективности работы Саратовского теплового узла, в частности, повышения эффективности Саратовской ТЭЦ-1, предложен вариант реконструкции ТЭЦ-1 с установкой на ней газопоршневых агрегатов. На основании технико-экономических расчетов данный вариант оказался неэффективным.

Коренное повышение эффективности систем теплоснабжения крупных городских агломераций возможно только на новой технологической основе с использованием современных инновационных технологий. К таким технологиям относятся современные газотурбинные технологии комбинированной выработки электрической и тепловой энергии. Среди них наиболее эффективной представляется инновационная технология впрыска пара в камеру сгорания газотурбинных установок, что позволяет существенно повысить как электрическую мощность установки, так и ее электрический КПД. Дальнейшим совершенствованием этой технологии является глубокое охлаждение продуктов сгорания после газопаровой установки с конденсацией образующейся влаги в контактном теплообменнике. Принципиальная схема данной установки и ее термодинамический цикл представлены на рисунке.

Для определения системной топливной эффективности предлагаемого решения разработана математическая модель расчета термодинамических параметров и расходных характеристик газопаровой установки с впрыском пара в камеру сгорания ГТУ [1, 2]. Особенность модели заключается в оценке влияния доли впрыскиваемого пара в камеру сгорания газопаровой установки, за счет чего изменяются не только теплоемкость, но и массовый расход рабочего тела.

В качестве базового варианта оценки топливной эффективности предлагаемого решения выбрана Саратовская ТЭЦ-1. Были проведены исследования эффективности ее реконструкции с установкой двух турбогенераторов типа ГТЭ-009М с впрыском пара в камеру сгорания. Расчетно-теоретические исследования производились при помощи зарегистрированного программного продукта ThermcalcGTU, позволяющего определять энергетические характеристики данных установок, а также производить оценку показателей термодинамической эффективности и системной топливной эффективности.

В качестве показателя системной топливной эффективности газопаровой ГТУ, использована величина удельной системной экономии топлива β по сравнению с раздельным производством электрической и тепловой энергии в системе где Вкэс, Вкот, Вгпу - соответственно, годовые расходы топлива на производство электрической энергии на конденсационной ТЭС, в котельной и на газопаровой ГТУ, при условии одинакового полезного отпуска электрической и тепловой энергии в системе.

Результаты оценки системной топливной и общей эффективности новой газопаровой технологии комбинированного производства электрической и тепловой энергии приведены в табл. 4 и 5.

Таблица 4. Показатели действующей Саратовской ТЭЦ-1.

Показатели Единицы

измерения

Значение
Основное установочное оборудование:

- паровые котлы 3 х Стерлинг 90

- паровые котлы 2 х БКЗ-73-39-440ГМ

- водогрейные котлы 2 х ПТВМ

- паровые турбины 2 х ПТ-9-39/13

Гкал/ч

Гкал/ч

Гкал/ч

МВт

184,5

103.0

100.0

18,0

Отпуск тепловой энергии тыс. Гкал 250,0
Удельный расход топлива на выработанную электроэнергию кг у.т./кВтч 203,0
Удельный расход топлива на выработанную тепловую энергию кг у.т./Г кал 185,0
Стоимость отпущенной тепловой энергии руб./Г кал 731,27
Стоимость транспорта руб./Г кал 303,92
Тариф на тепловую энергию руб./Г кал 1035,92
Прирост тепловой нагрузки в зоне ТЭЦ-1:

-2012-2015 гг.

- 2016-2022 гг.

- 2023-2027 гг.

Гкал/ч

Гкал/ч Г кал/ч

24

45

61

Доход от продажи электро- и теплоэнергии млн руб. 256589
в т.ч. выручка от продажи теплоэнергии выручка от продажи электроэнергии млн руб. млн руб. 210507

35822

Расходы млн руб. 319174
Величина EBITDA млн руб. -63481

Таблица 5. Показатели топливной эффективности Саратовской ТЭЦ-1 после установки газопаровой установки с комбинированной выработкой электрической и тепловой энергии.

Показатели Доля впрыска пара в КС ГТУ, %
10 15 20
Установленное оборудование Единицы

измерения

Установленная мощность 2хГТЭ МВт 18 18 18
Рабочая мощность 2хГТЭ-009М МВт 20,1 21,3 22,5
2хПТВМ Г кал/ч 100,0 100,0 100,0
Отпуск тепловой энергии тыс. Гкал 250,0 250,0 250,0
КПД по отпуску электроэнергии % 61,2 62,4 63,4
Удельный расход топлива на выработанную электроэнергию кг у.т./кВт ч 201 197 194
Удельный расход топлива на выработанную тепловую энергию кг у.т./Г кал 141 138 135
Удельная система экономии топлива - 0,33 0,37 0,42

На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы.

1. Производство тепловой энергии в Саратовском тепловом узле неэффективно. Это обусловлено сложившейся структурной системой теплоснабжения города, ухудшением технического состояния основного оборудования источников и систем транспорта тепловой энергии, а также действующей системой тарифообразования. Система теплоснабжения города является генератором нарастающей «убыточности». В частности, функционирование системы теплоснабжения от Саратовской ТЭЦ-1 за последние 5 лет стало убыточным. За 2012 г. величина убытков превысила 63 млн рублей.

2. Главными направлениями совершенствования Саратовского теплового узла являются оптимизация существующей структуры системы с использованием высокоэффективных источников тепловой и электрической энергий и создание единой системы теплоснабжения с переводом тепловых нагрузок ТЭЦ-1 и СарГРЭС на ТЭЦ-2 и ТЭЦ-5 соответственно.

3. В качестве источника комбинированной выработки электрической и тепловой энергий предложена новая инновационная технология комбинированной выработки электрической и тепловой энергий на базе газотурбинных установок с впрыском пара в камеру сгорания на площадке ТЭЦ-1. Разработаны теоретические положения расчета энергетических характеристик газопаровых установок, конструктивных характеристик основного оборудования газопаровой ТЭЦ.

4. Определена системная топливная эффективность применения газопаровых установок на ТЭЦ-1 с учетом реальных условий работы источника в зоне ее теплоснабжения. Установлено, что удельная системная экономия топлива составляет 0,33-0,42, в зависимости от доли впрыска пара в камеру сгорания и режимов работы ТЭЦ. Учитывая то обстоятельство, что доля затрат на топливо на ТЭЦ-1 составляет 58,8%, то предлагаемое решение позволит получить эффективный источник тепловой и электрической энергии.

Литература

1. Цанев С.В. Газотурбинные и парогазовые установки тепловых электростанций / С.В. Цанев, В.Д. Буров, А.Н. Ремезов - М.: МЭИ. 2002. 584 с.

2. Ларин Е.А. Математическая модель расчета процессов и энергетических характеристик отопительных газопаровых установок/Е.А. Ларин, С.П. Рожнов.// Сборник научных трудов Международной научно-технической конференции «Дни науки», Чехия. 2012. Март. С. 47-52.

3. Морозенко М.И., ЗемлянскийА.В., Григорьев В.Г. Исследование эффективности контактной когенерационной ГТУ //Материалы XII Всероссийской мужвузовской научно-технической конференции «Газотурбинные комбинированные установки и двигатели». М., 2004. С. 32-34.

Е.А.Ларин, профессор С.П. Рожнов, Л.П. Шелудько , Применение инновационных газотурбинных технологий для повышения энергоэффективности Саратовского теплового узла

Источник: Журнал "Новости теплоснабжения" №01 (173), 2015 г. , www.rosteplo.ru/nt/173

Оставить комментарий

Тематические закладки (теги)

Тематические закладки - служат для сортировки и поиска материалов сайта по темам, которые задают пользователи сайта.

Тематические закладки пользователей:

Tеги: Газотурбинные ТЭЦ

Похожие статьи:

Программы Auditor