(Из приложения №3 к программе «Модернизация электроэнергетики России на период до 2020 года»)
2.2. Мини-ТЭЦ на базе двигателей внутреннего сгорания (ДВС)
Краткое описание технологии:
Эти мини-ТЭЦ конструируются на базе двигателей внутреннего сгорания, работающих по циклу Отто. В них, по ходу движения выхлопных газов после ДВС, смазочного масла и охлаждающей воды из «рубашки» корпуса ДВС, устанавливаются
⇒ теплоты выхлопных газов после ДВС,
⇒ теплоты охлаждающей воды из «рубашки» корпуса ДВС;
⇒ теплоты охлаждения смазочного масла.
Для мини-ТЭЦ с турбонаддувом также может использоваться теплота сжатого воздуха.
Электроэнергия для потребителей вырабатывается генераторами ДВС. Электрическая энергия от генераторов ДВС может производится с напряжением 0,4 кВ или 6 (10) кВ. Как правило, тепловая энергия от мини-ТЭЦ отпускается в виде нагретой сетевой воды с температурным потенциалом 90–105 ºС и применяется для отопления и горячего водоснабжения потребителей.
Расчеты показывают, что с 1 МВт электрической мощности мини-ТЭЦ получается до 1,5 МВт (1,29 Гкал/ч) тепловой мощности. Из них:
- 45 – 50 % от утилизации теплоты выхлопных газов.
- 44 – 34 % от использования теплоты охлаждающей воды из «рубашки» корпуса ДВС.
- 6 – 8 % от утилизации теплоты наддувного (сжатого) воздуха.
- 5 – 8 % от использования теплоты смазочного масла.
Электрический КПД мини-ТЭЦ на базе ДВС составляет, в среднем, 33–40%. Общий коэффициент полезного действия
1 — Двигатель внутреннего сгорания (ДВС); 2 — Генератор;
Рисунок 5. Принципиальная схема мини-ТЭЦ на базе ДВС.
Готовность технологии мини-ТЭЦ на базе ДВС к практическому использованию:
На российском рынке представлены мини-ТЭЦ на базе двигателей внутреннего сгорания электрической мощностью от 9кВт до 3,9МВт и тепловой мощностью от 0,02 до 3,6 Гкал/ч.
Энергоблоки на базе ДВС поставляются в блочно-модульном исполнении для стационарной установки или в транспортабельных контейнерах. Кроме того, часто применяются специальные кожухи, поглощающие шум.
Основные производители энергетического оборудования для мини-ТЭЦ на базе ДВС в Российской Федерации и за рубежом, ведущие исследования в сфере освоения технологии:
Перечень основных разработчиков и производителей мини-ТЭЦ на базе ДВС, а также их основные технические характеристики приведены в таблицах 3 и 4.
Таблица 3 – Основные разработчики и производители мини-ТЭЦ на базе ДВС
| Страна |
Разработчик (производитель) |
Стоимость оборудования, долл. США/кВт |
| Россия | ОАО «Звезда-Энергетика», ОАО «РУМО», ОАО ХК «Барнаултрансмаш», ОАО «Волжский дизель им. Маминых», ОАО «Эконефтегаз» |
300–450 |
| Австрия | Jenbacher AG |
800–1300 |
| Германия | Deutz, MTU Friedrichshafen, MAN B&W Diesel | 800–1300 |
| Словакия | Elteco GEN | 800–1300 |
| Италия | Spark Energy | 800–1300 |
| США | Caterpilar Inc, Tedom |
800–1300 |
| Великобритания |
F.G.Wilson | 800–1300 |
| Финляндия | Wartsila Diesel | 800–1300 |
Таблица 4 – Основные технические характеристики мини-ТЭЦ на базе ДВС
|
Тип установки |
Электрическая мощность, кВт | Тепловая мощность, кВт (Гкал/ч) |
КПД электрический, % | КПД общий, % | Удельный расход топлива, м3/кВт·ч |
Полный ресурс, тыс.ч |
| Jenbacher AG (Австрия) | ||||||
| JMS208GS-NL | 299 | 396 (0,341) | 38,1 | 88,4 | 0,277 | 200 |
| JMS212GS-NL | 495 | 659 (0,568) | 38,3 | 88,6 | 0,275 | 200 |
| JMS312GS-NL | 580 | 795 (0,685) | 37,8 | 89,6 | 0,277 | 200 |
| JMS316GS-NL | 776 | 1059 (0,912) | 38,0 | 89,8 | 0,277 | 200 |
| JMS320GS-NL | 973 | 1324 (1,141) | 38,1 | 89,9 | 0,276 | 200 |
| JMS420GS-NL | 1413 | 1505 (1,297) | 42,4 | 87,5 | 0,248 | 200 |
| JMS612GS-NL | 1644 | 1665 (1,435) | 43,0 | 86,6 | 0,244 | 200 |
| JMS616GS-NL | 2188 | 2249 (1,938) | 42,6 | 86,4 | 0,247 | 200 |
| JMS620GS-NL | 2734 | 2789 (2,404) | 42,8 | 86,5 | 0,246 | 200 |
| Deutz (Германия) | ||||||
| TBG616V8K | 337 | 442 (0,381) | 36,9 | 85,3 | 0,245 | 200 |
| TBG616V12K | 507 | 642 (0,553) | 37,7 | 85,4 | 0,280 | 200 |
| TBG616V16K | 678 | 556 (0,479) | 37,8 | 85,5 | 0,278 | 200 |
| TBG620V12K | 1022 | 1155 (0,995) | 40,2 | 85,4 | 0,262 | 200 |
| TBG620V16K | 1365 | 1547 (1,333) | 40,2 | 85,8 | 0,262 | 200 |
| TGG2020V16 | 1555 | 1638 (1,412) | 41,8 | 85,8 | 0,252 | 200 |
| TGG2020V20 | 1949 | 2035 (1,754) | 41,1 | 85,1 | 0,256 | 200 |
| TGG2032V12 | 2928 | 3160 (2,724) | 41,3 | 85,9 | 0,255 | 200 |
| TGG2032V16 | 3916 | 4230 (3,646) | 41,4 | 86,2 | 0,254 | 200 |
| Elteco GEN (Словакия) | ||||||
| KATJA23C | 16 | 40 (0,034) | 23,4 | 80 | 0,472 | н/д |
| KATJA43C | 34 | 65 (0,056) | 27,5 | 80 | 0,386 | н/д |
| KATJA12CA | 9 | 18 (0,015) | 26,4 | 82,2 | 0,39 | н/д |
| KATJA23CA | 17 | 40 (0,034) | 24,4 | 81 | 0,444 | н/д |
| KATJA43CA | 36 | 65 (0,056) | 29,2 | 81,6 | 0,365 | н/д |
| PETRA200C | 152 | 264 (0,228) | 33,2 | 82,1 | 0,333 | н/д |
| PETRA380C | 308 | 442 (0,381) | 35,3 | 86 | 0,301 | н/д |
| PETRA750C | 611 | 886 (0,764) | 35,4 | 86,4 | 0,295 | н/д |
| PETRA1250C | 1013 | 1300 (1,12) | 37,6 | 85,9 | 0,282 | н/д |
| ОАО «Звезда-Энергетика» (Россия) | ||||||
| Звезда ГП-315 | 315 | 400 (0,344) | 35,8 | н/д | 0,314 | 144 |
| Звезда ГП-1160 | 1160 | 1410 (1,215) | 39 | н/д | 0,276 | 150 |
| Звезда ГП-1370 | 1370 | 1410 (1,215) | 37,8 | н/д | 0,284 | 180 |
| Звезда ГП-1520 | 1520 | 1590 (1,37) | 37 | н/д | 0,295 | 180 |
| Звезда ГП-1750 | 1750 | 1820 (1,569) | 37,4 | н/д | 0,287 | 180 |
| ОАО «РУМО» (Россия) | ||||||
| ДГ68М с системой утилизации теплоты |
800 | 880 (0,758) | 34 | н/д | н/д | 100 |
| ДГ98М с системой утилизации теплоты |
1000 | 1100 (0,948) | 32,5 | н/д | н/д | 100 |
| ОАО ХК «Барнаултрансмаш» (Россия) | ||||||
| МТП-100/150 | 100 | 150 (0,129) | н/д | н/д | 0,35 | 20* |
| МТП-200/300 | 200 | 300 (0,258) | н/д | н/д | 0,35 | 20* |
| МТП-315/400 | 315 | 400 (0,345) | н/д | н/д | 0,365 | 15* |
| ОАО «Волжский дизель им. Маминых» (Россия) | ||||||
| ГДГ500/1000 | 500 | 550 (474) | н/д | н/д | 0,3 | 32* |
| Примечание: * — назначенный ресурс до капитального ремонта. | ||||||
Условия, обеспечивающие максимизацию эффекта от использования технологии мини-ТЭЦ на базе ДВС:
1. Мини-ТЭЦ на базе ДВС перспективны в качестве основного источника выработки электроэнергии и теплоты на объектах
2. Мини-ТЭЦ на базе ДВС целесообразно использовать в качестве пикового или резервного источника энергоснабжения на промышленных предприятиях
с резко переменными электрическими нагрузками.
Кроме дизельных двигателей внутреннего сгорания, в качестве основы для мини-ТЭЦ часто используются газовые (газопоршневые) и газодизельные ДВС.
Газопоршневые мини-ТЭЦ работают только на одном газовом топливе. Газодизельные мини-ТЭЦ, как правило, эксплуатируются на смеси газа и небольшого количества (3…10%) дизельного топлива.
По капитальным затратам наиболее дешевыми являются дизельные мини-ТЭЦ. Однако, из-за дороговизны дизельного топлива, большего расхода масла и высоких эксплуатационных затрат себестоимость вырабатываемой ими электроэнергии оказывается в несколько раз выше, чем у газовых установок (обладающих к тому же большим ресурсом до капитального ремонта).
Таким образом, дизельные мини-ТЭЦ лучше использовать в негазифицированных районах. Электрическая энергия, вырабатываемая газодизельными мини-ТЭЦ, также дороже той, что производят установки на чистом газе.
В сравнении с ГТУ-ТЭЦ, мини-ТЭЦ на базе ДВС имеют следующие преимущества:
⇒ Более высокий электрический и общий КПД и меньшая его зависимость от изменения нагрузок и температуры наружного воздуха.
⇒ Меньший удельный расход топлива на выработку 1кВт·ч электрической энергии.
⇒ Больший полный ресурс установок.
⇒ Для мини-ТЭЦ на базе ДВС требуется значительно меньшее давление топлива.
Однако, у мини-ТЭЦ на базе двигателей внутреннего сгорания, меньше количество и более низкий потенциал производимой теплоты. Также больше вредные выбросы в окружающую среду (NOX=118–185ppm; CO=50–107ppm), по сравнению с газотурбинными установками.
Полный перечень показателей, по которым производится сравнение ГТУ-ТЭЦ и мини-ТЭЦ на базе ДВС приведен в таблице 5.
Таблица 5 – Основные показатели для сравнения мини-ТЭЦ на базе ДВС и газотурбинных мини-ТЭЦ
| Показатель | Газопоршневые мини-ТЭЦ | Газотурбинные мини-ТЭЦ |
| Долговечность | — полный ресурс составляет 100…200 тыс.ч — без ограничения при соблюдении правил эксплуатации и обслуживания |
— полный ресурс составляет 75…140 тыс.ч — без ограничения при соблюдении правил эксплуатации и обслуживания |
| Ремонтопригодность | — ремонт производится на месте — ремонт требует меньше времени |
— ремонт производится на специальных заводах — затраты времени и средств на транспортировку, центровку и т.д. |
| Сохраняемость | — не теряет свойств при правильном хранении — может перевозиться любым видом транспорта |
— не теряет свойств при правильном хранении — транспортировка железнодорожным транспортом не желательна |
| Количество и потенциал производимой теплоты | — 0,86−1,29 Гкал/ч на 1 кВт электрической мощности — сетевая вода с температурой 90–105 ºС |
-1,5−1,8 Гкал/ч на 1 кВт электрической мощности — сетевая вода с температурой 115–150 ºС — водяной пар с давлением 9–40 кгс/см2 (с температурой 250…450 ºС) |
| Экономичность | — Электрический КПД равен 33–40%. — КПД мало меняется при нагрузке от 100% до 50% электрической мощности (уменьшается на 5…8%) |
— Электрический КПД равен 25–35%. — КПД резко снижается на частичных электрических нагрузках (уменьшается на 13…18%) |
| Удельный расход топлива при 100% и 50% электрических нагрузках |
0,25…0,33 м3/кВт·ч | 0,35…0,503 м3/кВт·ч |
| Падение напряжения и время восстановления после 50% набора нагрузки | 22% 8 с |
40% 38 с |
| Влияние переменной электрической нагрузки |
— не желательна долгая работа на нагрузках менее 50% (сильно влияет на интервалы обслуживания) — при меньшей единичной мощности агрегата, более гибкая работа мини-ТЭЦ в целом и выше надежность энергоснабжения |
— работа на частичных нагрузках (менее 50%) не влияет на состояние турбины — при высокой единичной мощности агрегата, отключение вызывает потерю 30…50% мощности мини-ТЭЦ |
| Экологичность | Вредные выбросы: NOX=118–185ppm; CO=50–107ppm |
Вредные выбросы: NOX=25–50ppm; CO=60–75ppm |
| Размещение в здании |
— необходимо больше места, т.к. имеет больший вес на единицу мощности -не требуется компрессора для сжатия газа (рабочее давление газа на входе в мини-ТЭЦ − 0,1…0,35 кгс/см2) |
— при электрической мощности мини-ТЭЦ 5 МВт и выше, выигрыш от меньшего размера помещения незначителен — минимальное рабочее давление газа на входе − 12 кгс/см2 (т.е. необходим газ высокого давления, либо дожимающий компрессор, а так же оборудование для запуска турбины) |
| Обслуживание | — останов после каждой 1000 ч. работы, (замена масла) — капитальный ремонт через 72 000 ч., выполняется на месте установки |
— останов после каждых 2000 ч. (данные компании «Solar Turbines Inc») — капитальный ремонт через 60 000 ч., выполняется на специальном заводе |