20 июля 2019, суббота

Справочно-информационный центр

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.

ИсточникиРасполагаемая

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 калТопливная эффективность по отпуску электроэнергии, кг у.т./кВт-ч
Саратовская ГРЭС428 (в т.ч. пар 19)296 (в т.ч. пар 2)54175170
Саратовская ТЭЦ-1198 (в т.ч. пар 19)90 (в т.ч. пар 133)18185203
Саратовская ТЭЦ-2632 (в т.ч. пар 324)429 (в т.ч. пар 133)232185332
Саратовская ТЭЦ-5919527441168244
Котельные (147 котельных, из которых 19 законсервировано)528310-186-

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 энергии2009 г.2010 г.2011 г.2012 г.2013 г.
Отпуск электроэнергии, млн кВт ч2624,32587,62452,22083,22307,6
Отпуск тепловой энергии, тыс. Гкал59665761530153664806
в т.ч. потери9321203120013491271
в виде пара637601532460558
в виде горячей воды43613957356935572977
Отпуск тепловой энергии от котельных, тыс. Г кал798784788794774

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.

Источник2010 г.2011 г.2012 г.2013 г.
Саратовская ГРЭС812-41-42
Саратовская ТЭЦ-1-41-46-51-56
Саратовская ТЭЦ-2193-32-53-140
Саратовская ТЭЦ-5591500370303
Котельные62-5674

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.

ПоказателиЕдиницы

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 энергиитыс. Гкал250,0
Удельный расход топлива на выработанную электроэнергиюкг у.т./кВтч203,0
Удельный расход топлива на выработанную тепловую энергиюкг у.т./Г кал185,0
Стоимость отпущенной тепловой энергиируб./Г кал731,27
Стоимость транспортаруб./Г кал303,92
Тариф на тепловую энергиюруб./Г кал1035,92
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 теплоэнергиимлн руб.256589
в т.ч. выручка от продажи теплоэнергии выручка от продажи электроэнергиимлн руб. млн руб.210507

35822

Расходымлн руб.319174
Величина EBITDAмлн руб.-63481

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

ПоказателиДоля впрыска пара в КС ГТУ, %
101520
Установленное оборудованиеЕдиницы

измерения

Установленная мощность 2хГТЭМВт181818
Рабочая мощность 2хГТЭ-009ММВт20,121,322,5
2хПТВМГ кал/ч100,0100,0100,0
Отпуск тепловой энергиитыс. Гкал250,0250,0250,0
КПД по отпуску электроэнергии%61,262,463,4
Удельный расход топлива на выработанную электроэнергиюкг у.т./кВт ч201197194
Удельный расход топлива на выработанную тепловую энергиюкг у.т./Г кал141138135
Удельная система экономии топлива-0,330,370,42

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.

Источник информации: https://www.rosteplo.ru/Tech_stat/stat_shablon.php?id=3336

Мероприятия

Июль
Пн Вт Ср Чт Пт Сб Вс
1 2 3 4 5 6 7
8 9 10 11 12 13 14
15 16 17 18 19 20 21
22 23 24 25 26 27 28
29 30 31