Разработка методики проектирования мини-ТЭЦ

В настоящее время актуальным является энергоснабжение от альтернативных источников, в частности, от мини-ТЭЦ малой и средней мощности [1,2], обеспечивающих тепловой и электрической энергией микрорайон, отдельные жилые и административные здания, частные коттеджи. Особенностью таких установок, является способность работать автономно, с использованием практически любого топлива. Кроме того, они мобильны, за несколько часов вводятся в эксплуатацию. Особенно выгодно применение мини-ТЭЦ для использования в чрезвычайных ситуациях.

Одной из сложных задач при проектировании мини-ТЭЦ является необходимость гармонизации всех основных элементов установок с режимами работы систем энергопотребления.

В России в настоящее время отсутствует нормативно-методическая база проектирования мини-ТЭЦ. Практический опыт мал и недостаточен для всестороннего изучения вопроса. Поэтому разработка методик проектирования мини-ТЭЦ и схем их работы является актуальной задачей.

При проектировании мини-ТЭЦ должны учитываться следующие основные факторы: при работе поршневых мини-ТЭЦ в среднем производится тепловой энергии в 1,5 раза больше чем электрической. Минимальное значение отношения N_теп/N_эл достигает 1, а максимальное 4 (в микро-ТЭЦ). Согласно вышесказанному необходимо учитывать три диапазона работы при выборе мини-ТЭЦ: N_теп /N_эл ≤1; 1< N_теп /N_эл ≤4; N_теп /N_эл >4. Работа во второй области нагрузок для мини-ТЭЦ на базе ДВС является предпочтительной, т.к. область максимума КПД находится именно здесь.

Необходимо учитывать и характер нагрузки, колебание по часам суток. Максимального КПД можно добиться при работе на номинальном режиме эксплуатации мини-ТЭЦ. Это значит, что соотношение N_теп/N_эл должно быть постоянным. Вопрос неравномерного отбора мощности потребителем можно решить установкой дополнительных устройств позволяющих накапливать энергию и отдавать ее в нужное время. Для этих целей могут использоваться тепловые и электрические аккумуляторы [3].

Если преобладает тепловая нагрузка потребителя, то возникает необходимость использования устройств, преобразующих электрическую энергию в тепловую. Такие устройства должны быть способными работать в различных диапазонах мощностей. В настоящее время на рынке энергетического оборудования широко представлено подобное оборудование. Диапазон работы при таких схемах составляет 3<N_теп/N_эл.

Проектирование источников малой мощности на базе ДВС имеет ряд особенностей. Необходим качественно новый подход к проектированию, предполагающий:

-анализ режимов работы инженерных систем в расчетные периоды;

-построение и анализ графиков изменения нагрузок;

-многовариантный анализ комбинации подвидов инженерных систем;

-выявление технико-экономических критериев оптимизации комплекса энергоисточники-энергопотребители.

Ниже представлен алгоритм проектирования мини-ТЭЦ:

1. Определение энергетических нагрузок объекта.

2. Рассчитываются и строятся графики суточного энергопотребления для рабочих и выходных дней для наружных расчетных условий холодного, теплого и переходного периодов года.

3. Строятся графики круглогодовых нагрузок и рассчитывается годовое потребление энергоресурсов по отдельным видам потребителей и суммарные - по электроэнергии и теплу.

4. Анализируются мероприятия по энергосбережению и выравниванию неравкомерности нагрузок.

5. Определяются минимальные нагрузки по мощности гарантированных потребителей 1 категории.

6. С учетом нагрузок, приходящихся на внешние сети, определяется нагрузка на мини-ТЭЦ, по которой выбирается количество и мощность газопоршневых двигателей.

7. Рассчитывается режим работы мини-ТЭЦ, и строятся суточные и годовые графики работы двигателей, исходя из того, что мини-ТЭЦ закладывается в базу энергоснабжения объекта с максимальным коэффициентом загрузки. Определяющим режимом является режим электроснабжения.

8. Разрабатывается принципиальная схема мини-ТЭЦ и выбираются все основные и вспомогательные элементы рассматриваемых вариантов установки.

9. Рассчитывается экономическая эффективность вариантов по методике дисконтированных доходов. На основании анализа принимается окончательный вариант мини-ТЭЦ [4].

Согласно представленному выше алгоритму были рассмотрены различные варианты энергообеспечения офисного комплекса с подземной автостоянкой общей площадью 35000м². Район застройки – г. Воронеж.

На рис. 1. представлен график тепловой и электрической нагрузок для расчетных зимних суток.

Рис. 1. Энергопотребление расчетных зимних суток

На рис. 2 представлена разработанная схема установки мини-ТЭЦ которая всегда работает в номинальном режиме, производя электрическую и тепловую энергию, не потребляемая часть которой запасается в электрическом 3 и тепловом 8 аккумуляторах.

Рис. 2. Схема с электрическим и тепловым аккумулятором

1 - поршневой двигатель внутреннего сгорания; 2 - электрогенератор; 3 - электроаккумулятор; 4,5 - теплообменники охлаждения масла и системы водяного охлаждения двигателя; 6 - теплообменник-утилизатор выхлопных газов; 7 - водяной насос; 8 - бак-аккумулятор

При анализе вариантов энергообеспечения реальных объектов выяснилось, что из рассмотренных пяти вариантов наиболее экономичен и приемлем вариант с комбинированным режимом работы энергосетей и мини-ТЭЦ в совокупности с использованием мер по энергосбережению и выравниванию неравномерности нагрузок.

По результатам представленной работы можно сделать следующие выводы. Предложен алгоритм проектирования мини-ТЭЦ, учитывающий особенности данного источника и систем теплопотребления. Предложена схема работы, обеспечивающая максимальную эффективность работы установки. Рассмотрены различные варианты энергоснабжения потребителей и определен наиболее целесообразный для конкретного случая.

Литература:

1. Фаворский О.Н., Леонтьев А.И., Федоров В.А., и др. Эффективные технологии производства электрической и тепловой энергии. /Энергия: экономика, техника, экология. 2002 №7 с. 10-13.

2. Карасевич А.М., Сеннова Е.В., Федяев А.В., Федяева О.Н. Эффективность развития малых ТЭЦ на базе газотурбинных и дизельных энергоустановок при газификации регионов./Теплоэнергетика 2000 №12 с.35-39.

3. Капошин И.С., Китаев Д.Н., Хренов А.А. Мини-ТЭЦ с газопоршневыми двигателями//Научный вестник ВГАСУ. Серия: Инженерные системы зданий и сооружений. Вып. №1 2003. с. 30-32.

4. Наумов А.Л. Алгоритм выбора Мини-ТЭЦ. АВОК №1 2006.