→ → Технологии и ресурсы среды обитания человека. Тепло

Технологии и ресурсы среды обитания человека. Тепло

Область деятельности(техники), к которой относится описываемое изобретение

Изобретение относится к теплоэнергетике, может быть использовано при комбинированном производстве тепла, холода и электроэнергии с помощью тепловых энергетических установок.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Известен способ работы передвижной установки комбинированного производства электричества, тепла и холода, в которой генератор преобразует механическую энергию вращающегося вала двигателя в электроэнергию, отходящие газы, проходящие через теплообменник, отдают тепло жидкостному теплоносителю для теплоснабжения в отопительный период или хладагенту абсорбционной холодильной машины для холодоснабжения в летний период .

К недостаткам данного способа работы установки можно отнести невысокий КПД, связанный с выбросом в атмосферу существенной части неиспользованной тепловой энергии через аппараты воздушного охлаждения двигателя внутреннего сгорания и холодильной машины, низкую степень использования холодильной мощности абсорбционной холодильной машины летом в периоды понижения температуры окружающего воздуха.

Известен также способ работы когенерационной системы: первый двигатель внутреннего сгорания производит полезную энергию, преобразуемую в электрическую энергию с помощью электрогенератора, второй двигатель внутреннего сгорания используется для привода компрессора холодильной машины, вырабатывающей холод в летний период, тепло, утилизированное от рубашки двигателя и выхлопных газов, используется для теплоснабжения потребителей в зимний период .

Недостатком способа работы данной установки является невысокий КПД использования сбросной теплоты двигателей внутреннего сгорания, значительные затраты электроэнергии на работу компрессора холодильной машины.

Известен способ работы тригенерационной системы, одновременно осуществляющей тепло/холодо- и электроснабжение, в котором теплоснабжение в холодный период осуществляется за счет утилизации теплоты выхлопных газов и охлаждающей жидкости двигателя внутреннего сгорания, механическая энергия вращающегося вала двигателя преобразуется в электроэнергию, холод вырабатывается в летний период в компрессионной холодильной машине .

Rnrnrn rnrnrn rnrnrn

К недостаткам способа работы данной установки можно отнести невысокий КПД из-за недостаточного использования сбросной теплоты двигателя внутреннего сгорания и значительные затраты электроэнергии на работу компрессора холодильной машины.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) является способ впуска охлажденного воздуха в газовую турбину, в котором один используют для преобразования теплоты продуктов сгорания в механическую энергию с последующим преобразованием ее в электрическую в электрогенераторе. Второй тепловой двигатель используют как источник тепловой энергии, преобразуемой в энергию холода в абсорбционной холодильной машине. Произведенный в абсорбционной холодильной машине холод используют для охлаждения атмосферного воздуха перед сжатием. При понижении нагрузки на систему холодоснабжения понижают давление газа, подаваемого в тепловой двигатель .

Недостатком способа работы данной установки является то, что в период неполной загрузки абсорбционной холодильной машины в результате понижения давления газа, используемого тепловым двигателем, повышается температура воды, подаваемая от абсорбционной холодильной машины к воздухо-водяному теплообменнику, что приводит к снижению степени охлаждения атмосферного воздуха, подаваемого в компрессор, и соответственно к понижению электрической мощности установки.

Задача изобретения - повышение КПД и электрической мощности установки за счет повышения степени использования абсорбционной холодильной машины.

Поставленная задача достигается следующим образом.

Сжатый атмосферный воздух и/или топливо сжигают в камере сгорания и теплоту продуктов сгорания преобразуют в механическую энергию с помощью теплового двигателя. Механическую энергию преобразуют в электрическую в электрогенераторе. Тепловую энергию, отведенную от теплового двигателя, используют для теплоснабжения потребителей и для преобразования в абсорбционной холодильной машине в энергию холода для холодоснабжения потребителей. В период неполной загрузки холодильной машины избыточную холодильную мощность используют для охлаждения атмосферного воздуха перед сжатием.

На чертеже изображена схема одной из возможных установок, с помощью которых может быть осуществлен описываемый способ.

Содержит следующие элементы: 1 - воздушный компрессор, 2 - камеру сгорания, 3 - газовую турбину, 4 - теплообменник охлаждения дисков и лопаток турбины, 5 - теплообменник системы смазки турбины, 6 - теплообменник уходящих газов, 7 - теплообменник системы теплоснабжения потребителей, 8 - воздухо-водяной теплообменник, 9 - насос контура охлаждения, 10 - насос, 11 - абсорбционную холодильную машину, 12 - потребитель тепла, 13 - электрогенератор, 14 - потребитель холода, 15 - трубопровод горячей воды, 16 - трубопровод охлажденной воды, 17 - градирню холодильной машины, 18 - насос обратного водоснабжения (охлаждения) холодильника, 19 - помещение, 20 - сухую градирню тригенерационной установки.

Способ работы комбинированного производства электроэнергии, тепла и холода осуществляется следующим образом

В компрессоре 1 происходит процесс сжатия атмосферного воздуха. Из компрессора 1 воздух поступает в камеру сгорания 2, куда через форсунки непрерывно под давлением поступает распыляемое топливо. Из камеры сгорания 2 продукты сгорания направляются в турбину 3, в которой энергия продуктов сгорания преобразуется в механическую энергию вращения вала. В электрическом генераторе 13 эта механическая энергия преобразуется в электрическую. Тепловую энергию, отведенную от газовой турбины через теплообменники системы смазки 5, системы охлаждения дисков и лопаток 4 и с уходящих газов 6, по трубопроводу 15 передают теплообменнику 7 для снабжения потребителей 12 теплом в холодный период года. В теплый период часть тепловой энергии используют для теплоснабжения потребителей, а другую часть энергии передают абсорбционному холодильнику 11, который преобразует тепловую энергию в энергию холода, используемую для снабжения холодом потребителей 14. Воду, охлажденную в теплообменнике 7, насосом 9 передают для нагрева в теплообменники 4, 5, 6. При отсутствии потребности в тепловой энергии избыточное тепло отводится через сухие охладители 20 в атмосферу. При работе холодильной машины 11 тепловая энергия подводится к генератору и к испарителю, в то время как в абсорбере и в конденсаторе теплота отводится. Для отведения теплоты в атмосферу служит контур оборотного водоснабжения, включающий в себя градирню 17 и насос 18. В период неполной загрузки абсорбционного холодильника 11 охлажденную воду передают по трубопроводу 16 в воздухо-водяной теплообменник 8, находящийся вне помещения 19, для предварительного охлаждения атмосферного воздуха, подаваемого в компрессор 1 для сжатия атмосферного воздуха и подачи в камеру сгорания 2, а нагретую в теплообменнике 8 воду насосом 10 передают в 11 для охлаждения.

Rnrnrn rnrnrn rnrnrn

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в повышении степени использования абсорбционной холодильной машины за счет охлаждения в период неполной ее загрузки атмосферного воздуха перед его сжатием. Предварительное охлаждение атмосферного воздуха за счет уменьшения работы сжатия позволяет уменьшить расход топлива в тепловом двигателе, повысить КПД и электрическую мощность установки.

Список используемых источников

1. Патент 2815486 (Франция), опубл. 19.04.2002, МПК F01N 5/02-F02B 63/04; F02G 5/02; F25B 27/00; F25B 30/04; F01N 5/00; F02B 63/00; F02G 5/00; F25B 27/00; F25B 30/00; (IPC 1-7): H02K 7/18; F01N 5/02; F02B 63/04; F02G 5/02; F25B 27/02.

2. Патент 2005331147 (Япония), опубл. 02.12.2005, МПК F25B 27/00; F25B 25/02; F25B 27/02; F25B 27/00; F25B 25/00; F25B 27/02; (ГРС1-7): F25B 27/00; F25B 25/02; F25B 27/02.

3. Патент 20040061773 (Корея), опубл. 07.07.2004, МКП F02G 5/00; F02G 5/00; (IPC 1-7): F02G 5/00.

4. Патент 8246899 (Япония), опубл. 24.09.1996, МПК F02C 3/22; F01K 23/10; F02C 6/00; F02C 7/143; F25B 15/00; F02C 3/20; F01K 23/10; F02C 6/00; F02C 7/12; F25B 15/00; (IPC1-7): F02C 7/143; F02C 3/22; F02C 6/00; F25B 15/00.

Формула изобретения

Способ комбинированного производства электроэнергии, тепла и холода, включающий сжатие атмосферного воздуха и/или топлива с последующим сжиганием их в камере сгорания и преобразованием теплоты продуктов сгорания в механическую энергию с помощью теплового двигателя, преобразование механической энергии в электрическую в электрогенераторе, передачу части тепловой энергии, отведенной от теплового двигателя, на преобразование в абсорбционной холодильной машине в энергию холода, используемую, по крайней мере, для охлаждения атмосферного воздуха перед его сжатием, отличающийся тем, что часть тепловой энергии, отведенной от теплового двигателя, используют для теплоснабжения потребителей, а преобразованную в абсорбционной холодильной машине тепловую энергию в энергию холода используют для холодоснабжения потребителей, при этом при возникновении в периоды неполной загрузки абсорбционной холодильной машины избыточной энергии холода ее используют для охлаждения атмосферного воздуха перед сжатием.

Имя изобретателя: Баженов Александр Иванович (RU), Михеева Елена Владимировна (RU), Хлебалин Юрий Максимович (RU)
Имя патентообладателя: Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Саратовский государственный технический университет (ГОУ ВПО СГТУ)
Почтовый адрес для переписки: 410054, г.Саратов, ул. Политехническая, 77, СГТУ (патентно-лицензионный отдел)
Дата начала отсчета действия патента: 14.05.2009

Мини-ТЭЦ (BHKW), как правило, работает в двух основных производственных режимах:

  • получение электричества и тепла (когенерация)
  • получение электричества, тепла и холода (тригенерация).

Холод вырабатывается абсорбционной холодильной машиной, потребляющей не электрическую, а тепловую энергию.

Абсорбционные чиллеры (с кпд 0,64-0,66) выпускаются множеством ведущих производителей и работают на натуральных хладагентах, а в качестве топлива используются – нефть, газ или их производные, био-топливо, пар, горячая вода, солнечная энергия или избыток тепловой энергии газовых турбин – поршневых электростанций.

При всей привлекательности, использование их в РФ является пока довольно редким явлением.

Ведь до совсем недавнего времени, в РФ центральные климатические системы не считались обязательными в промышленном и гражданском строительстве

Тригенерация является выгодной, поскольку дает возможность эффективно использовать утилизированное тепло не только зимой для отопления, но и летом для поддержания комфортного микроклимата в помещениях или для технологических нужд (пивоварни, охлаждение молока, etc.).

Такой подход позволяет использовать генерирующую установку круглый год.

Силовыми установками - агрегатами этих электростанций являются газо-поршневые или газотурбинные силовые агрегаты.

Газы, используемые для работы газовых теплоэлектростанций:

Схема инверторного преобразования позволяет получить идеальные, качественные выходные параметры по току, напряжению и частоте.

Концепция: BHKW - Блочные мини – теплоэлектростанции, работающие на газе

BHKW, Мини-ТЭЦ состоит из следующих основных компонентов:

  • двигатели внутреннего сгорания – поршневые или газотурбинные
  • генераторы постоянного или переменного тока
  • котлы-утилизаторы отработавших газов
  • катализаторы
  • системы управления
  • Средства автоматики мини-тэцобеспечивают функционирование установок в рекомендованном диапазоне рабочих режимов и достижение эффективных характеристик. Мониторинг и телеметрия мини-тэц осуществляются дистанционно.

Современная универсальная модульная концепция

  • Совместная выработка тепловой и электрической энергии.
  • Компактная конструкция с расположенным на раме оборудованием: двигателем, генератором, теплообменником и электрощитом
  • Предпочтительное применение на объектах с высоким потреблением электрической и тепловой энергии
  • Поставляется с различной электрической и тепловой мощностью. Электрическая мощность одного модуля, например, составляет, 70, 140 или 238 кВт, тепловая мощность 81, 115, 207 или 353 кВт
  • Применяется на выбор для параллельной работы с электросетью или в качестве резервного питания
  • Использование тепла, содержащегося в смазочном масле, охлаждающей жидкости и выхлопных газах двигателя
  • Несколько генераторов могут быть объединены в единый энергетический комплекс

Работа с пониженным уровнем шума и низкими выбросами вредных веществ

  • Спокойный ход газового двигателя внутреннего сгорания, имеющего от четырех до двенадцати цилиндров, и регулируемый катализатор. Уровень шума в зависимости от мощности модуля составляет 55 - 75 дБ(A)
  • Низкие показатели выбросов окиси азота и углекислого газа

Простое и удобное управление

  • Модуль управляется простым нажатием кнопок. Система пуска с зарядным устройством и вибропрочными необслуживаемыми аккумуляторными батареями
  • Встроенная распределительная установка под облицовкой рамы с наглядным пультом управления
  • Дистанционный контроль основных функций с согласованными комплектующими

Быстрый монтаж, пуск в эксплуатацию и техническое обслуживание

  • Полностью укомплектованный, готовый к подключению узел, имеющий синхронный генератор с воздушным охлаждением, для производства трехфазного тока напряжением 400 В, частотой 50 Гц и горячей воды с температурным графиком 90/70 °C при стандартной разнице температур между подающей и обратной линиями 20 K.
  • Любой модуль блок-ТЭС может работать в зависимости от тепловой или электрической нагрузок в диапазоне электрической мощности 50%–100% (что соответствует 60–100% тепловой мощности).
  • Пробный пуск на заводе с составлением протокола и занесением рабочих характеристик
  • Беспроблемная установка виброгасящей конструкции блок-ТЭС без дополнительного анкерного крепления
  • Автономная система маслоснабжения с резервуаром для хранения масла 60 л.

В наши дни ни одну техническую задачу невозможно решить без хорошей системы управления. Таким образом, совершенно естественно, что блоки управления входят в каждый узел.

Контроль осуществляют датчики давления масла, температуры охлаждающей жидкости, температуры выхлопных газов в катализаторе, температуры воды в отопительной системе и скорости вращения, а также датчики минимального давления охлаждающей жидкости, минимального уровня масла и предохранительный ограничитель температуры, с проводкой до шкафа управления

Автономное энергоснабжение: микротурбины

Для микротурбинных электростанций приемлемо топливо:

  • природный газ, высокого, среднего и низкого давления
  • попутный нефтяной газ (ПНГ)
  • биогаз
  • газ, получаемый при очистке сточных вод
  • газ, получаемый при утилизации мусора
  • пропан
  • бутан
  • дизельное топливо
  • керосин
  • шахтный газ
  • пиролизный газ

Производятся микротурбины следующей единичной электрической мощности:

  • 30 кВт (выход тепловой энергии 85 кВт), шум 58 dB, расход газа при номинальной нагрузке 12 м 3
  • 65 кВт (выход тепловой энергии 160 кВт кВт)
  • 200 кВт
  • 600 кВт
  • 800 кВт
  • 1000 кВт

ТЭО BHKW

Надо рассматривать в каждом конкретном случае, стоимость потреблённого установками топлива в сравнении со стоимостью покупки тепла и электроэнергии у монопольной государственной компании. Кроме того, стоимость подключения в сравнении со стоимостью самих установок.

  • быстрый возврат инвестиций (срок окупаемости не превышает чётырёх лет)
  • потребляя 0,3 куб. м газа возможность получать 1 кВт электроэнергии и ~ 2 кВт тепла в час
  • отсутствие платы за подключение к центральным сетям энергоснабжения, в прошлом году стоимость присоединения к электросети достигала в Московской области 48 907 рублей за один киловатт установленной электрической мощности (от 1 кВт до 35 кВт).Эта цифра вполне сопоставима со стоимостью строительства одного киловатта собственной, домашней высококачественной микротурбинной электростанции.
  • возможности приобретения в лизинг BHKW
  • минимум топливных потерь на локальной электростанции
  • возможность установки BHKW в старых котельных и на ЦТП
  • отсутствие необходимости строительства дорогостоящей ЛЭП, ТП, протяженной электросети
  • возможности быстрого увеличения электрической мощности, путем дополнительной установки энергетических модулей

Стоимость киловатт-часа

Цена киловатт-часа отличается, прежде всего, от типа производящей электростанции. Различные финансовые институты используют дифференцированные методики при оценке производимой электроэнергии.

Стоимость одного киловатта ядерной энергии вывести непросто. Применяются отличающиеся методы оценки и подсчета.

Всемирная Ядерная Ассоциация сравнила стоимость киловатт-часа, который может быть произведен на новых электростанциях различных типов.

Если условная ставка по кредитам, выданным под строительство электростанции, составляет 10%, то киловатт-час электроэнергии стоит, произведенной на:

  • АЭС - 4.1 цента
  • на современной угольной электростанции - 4.8 цента
  • на газовой электростанции - 5.2 цента

Если кредитная ставка по финансированию строительства электростанций снизится до 5%, то получатся еще меньшие величины:

  • 2.7 цента для АЭС
  • 3.8 - для электростанции, работающей на угле
  • 4.4 цента - для газовой электростанции.

Европейская Комиссия пользуется другими данными:

  • 1 киловатт-час ядерной и гидроэнергии обходится в €0.05
  • угольной ТЭС - в €0.04 - 0.07
  • газовой электростанции - €0.11 - 0.22

По методике Европейской Комиссии оппонентами АЭС являются лишь ветряные энергоустановки, стоимость киловатт-часа которых составляет €0.015-€0.02.

Массачусетский Технологический Институт подсчитал, стоимость ядерной энергии составляет 6.6 цента за киловатт-час, а электричество, произведенное из природного газа, обходится в 3.7-5.5 центов.

По информации Университета Чикаго:

  • киловатт-час АЭС стоит 6.4 цента
  • киловатт-час, произведенный на газовой станции - 3.3-4.4 цента.

По методикам Института Ядерной Энергетики, в 2004 году в США стоимость киловатт-часа, произведенного:

  • на АЭС, составляла 1.67 центов
  • Киловатт-час угольной электростанции обходился в 1.91 цента
  • электростанции на HFO - в 5.40 центов
  • газовой электростанции - в 5.85 центов

Стоимость строительства киловатт-часа

Вопрос вопросов - стоимость и продолжительность строительства АЭС.

Организация Экономического Сотрудничества и Развития подсчитала, что стоимость строительства составляет:

  • атомной электростанции от $2.1 тыс. до $2.5 тыс. за киловатт мощности
  • угольной электростанции - $1.5 тыс.-1.7 тыс.
  • газовой электростанции - $1 тыс.-$1.4 тыс.
  • ветровой энергетической установки (ВЭУ) - $1 тыс.-$1.5 тыс.

Исследовательские центры, выступающие против строительства АЭС, считают, что эти данные не показывают реальной стоимости строительства АЭС.

Типичная АЭС мощностью 1GW обойдется, как минимум, в $2.2 млрд. Аналогичный вывод сделала Исследовательская Служба Конгресса США. По подсчетам службы, стоимость строительства атомной электростанции, после 1986 года, составляет от $2.5 до $6.7 млрд. Бюджетная часть систем безопасности АЭС составляет 1/3 стоимости проекта.

Срок строительства электростанций составляет:

  • АЭС - 5-6 лет
  • угольной электростанции - 3-4 года
  • газовой электростанции - 2 года

Институт Исследований Ядерной Политики подчеркивает, что тщательные анализы и расчеты долгосрочной стоимости ядерной энергетики никогда не проводились .

При обычных расчетах не учитываются:

  • стоимость обогащения урана
  • затраты на борьбу с последствиями возможных аварий
  • стоимость закрытия АЭС
  • расходы на транспортировку
  • хранение ядерных отходов

В США нет опыта закрытия ядерных установок. Стоимость затратного процесса возможно лишь предполагать. В 1996 году Министерство Энергетики предположило, что затраты могут разниться от $180 млн. до $650 млн.

На портале newtariffs.ru публикуются новые, сводные тарифы на электроэнергию, цены на природный газ, стоимость – уровень оплаты за тепловую энергию и водоснабжение, а так же прейскуранты на услуги ЖКХ.

На сегодняшний день в России уже реализовано несколько подобных проектов. В частности, в Москве системами тригенерации оборудованы Корпоративный университет Сбербанка и недавно построенный стадион «Спартак». Есть и региональные примеры. Так, определённый интерес вызывает тригенерационный энергоцентр крупного торгового центра в Перми, возводимого группой компаний «Кармента».

Строительство пятиэтажного торгового центра на улице Карпинского началось в 2013 году, сдача планируется в начале 2016 года. Общая площадь объекта составляет 29 тыс. м 2 . Необходимое расчётное энергопотребление торгового центра по электричеству составляет 1500 кВт, по теплу — 2700 кВт, по холоду — 1800 кВт.

Для обеспечения энергоснабжения данного объекта проектной организацией ООО «Энергопланнер» были выбраны газопоршневые установки Bosch CHP CE 400 NA мощностью 400 кВт в сочетании с абсорбционными чиллерами LG.

При работе газопоршневой (ГПУ) или газотурбинной (ГТУ) установки с 1 кВт вырабатываемой электроэнергии есть возможность получать от 1 до 2 кВт тепловой энергии в качестве горячей воды. В торговых центрах электрическая нагрузка достаточно равномерная в течение года, а потребность в холоде сопоставима с активной электрической мощностью. Из горячей воды с помощью АБХМ получаем холод со средним коэффициентом 0,75. Таким образом, в зависимости от типа энергоустановок, с их тепла можно получить от 50 до 100 % необходимого холода. В итоге получается чрезвычайно энергоэффективная система. Недостаток тепла, а также резерв обеспечивается обычными водогрейными котлами, КПД которых близок к 99 %.

При разработке принципиальной схемы холодоснабжения рассматривалось использование как парокомпрессионных, так и абсорбционных чиллеров. Выбор был сделан в пользу второго варианта в силу его преимущества как по эксплуатационным, так и по капитальным затратам.

Абсорбционные чиллеры являются экономичными и экологически безвредными. Они просты, надёжны и не имеют в своей конструкции насосы. Их общая термическая эффективность высока — вплоть до 86 %, часть из которой (до 40 %) приходится на электрическую энергию. В тригенераторах на базе двигателей внутреннего сгорания могут использоваться как одноступенчатые, так и двухступенчатые системы. Поскольку когенерационные схемы производят тепло, как правило, в форме тепловой энергии воды, одноступенчатая система является более предпочтительной. Наряду с простотой, подобная схема позволяет утилизировать больше тепла.

Для обеспечения энергоснабжения объекта проектной организацией были выбраны газопоршневые установки Bosch CHP CE 400 NA мощностью 400 кВт в сочетании с абсорбционными чиллерами LG

Одноступенчатые установки на бромиде лития работают на горячей воде низкой (до 90 °C) температуры, тогда как двухступенчатым абсорбционным системам необходимо тепло при температуре около 170 °C, свойственное пару. Одноступенчатая абсорбционная система на бромиде лития способна охлаждать воду до температуры 6-8 °С и имеет коэффициент преобразования холода к теплу около 0,7. Коэффициент преобразования двухступенчатой системы составляет около 1,2. Итак, абсорбционные системы обеспечивают мощность охлаждения, равную 0,7-1,2 мощности, получаемой от источника тепла. При подключении к тригенераторной установке компрессорных холодильных установок можно получить температуры ниже 0 °C.

Характерными чертами тригенерационных установок являются:

  • экономичность (для выработки холода используются излишки тепла);
  • минимальный износ (простая конструкция АБХМ);
  • малошумность;
  • экологичность (вода используется в качестве хладагента);
  • высокий КИТ.

Абсорбционные холодильные машины (АБХМ) производят охлаждённую воду при использовании двух веществ (например, воды и бромистолитиевой соли), находящихся в термическом равновесии, которые разделяются путём нагрева, а затем снова воссоединяются путём отвода тепла. Целенаправленный подвод и отвод тепла в условиях вакуума при переменном давлении (примерно 8 и 70 мбар) создаёт дисбаланс веществ, таким образом принудительно подвергая их десорбции или абсорбции. Для производства охлаждённой воды в диапазоне температур от 6 до 12 °C обычно используется вода (хладагент) и бромистолитиевая соль (абсорбент). Для выработки низкотемпературного холода до -60 °С используется аммиак (хладагент) и вода (абсорбент).

Особенностью абсорбционных холодильных машин является использование для сжатия паров хладагента не механического, а термохимического компрессора.

Выбор газопоршневой установки осуществлялся по совокупности множества параметров, среди которых рассматривались различные ресурсные показатели, стоимость технического обслуживания, технико-динамические характеристики.

По сравнению с альтернативными вариантами установки Bosch продемонстрировали ряд преимуществ, среди которых более высокий коэффициент полезного действия, составивший 38,5 %, более высокая скорость нагружения и разгружения (40 %), а также более высокие ресурсные показатели до капитального ремонта (44 тыс. часов). Также их значительным преимуществом явилось высокое качество энергоснабжения — автоматически регулируемый показатель cos(qp) с возможностью регулирования подачи реактивной мощности в сеть.

Всего на объекте планируется установить три ГПУ мощностью по 400 кВт и две абсорбционные машины, одна из которых будет оснащена горелочным устройством. Для покрытия пиковых нагрузок теплопотребления планируется установка газового котла Buderus. Также специально для данного проекта в Германии был спроектирован каскадный шкаф управления MMS для обеспечения аварийного режима работы. Что касается экономических показателей проекта, то совокупные капитальные затраты составят порядка 85 млн рублей при сроке окупаемости в пять лет.

Необходимо отметить, что данный проект в сфере тригенерации явился пилотным для компаний-поставщиков оборудования и потребовал решения ряда сложных задач. В частности, определённое время потребовалось для подготовки и получения необходимой документации, проведения обучения для проектной организации, решения вопросов сервисного обслуживания.

«Это знаковый проект, как для нас, так и для компании LG в России. Реализация подобных проектов помогает в полной мере продемонстрировать преимущества технологии тригенерации и качество предлагаемых решений», — комментирует Дмитрий Николаенко, руководитель направления мини-ТЭС компании «Бош Термотехника ».

Об установках Bosch CHP

Газопоршневые установки Bosch CHP являются одним из многочисленных направлений отдела термотехники Bosch. Они производятся в диапазоне мощности от 19 до 400 кВт по выработке электрической энергии. При этом изначальная экономия топлива по сравнению с раздельной выработкой тепловой и электрической энергии может достигать 40 %. Использование данного оборудования позволяет значительно сократить объём выбросов углекислого газа. Установки могут поставляться как готовый, укомплектованный модуль, состоящий из двигателя, соединительных деталей, генератора, теплообменника и контура охлаждения. С помощью системы управления ТЭС может быть скомбинирована с котлом отопления от Bosch, а также с системами охлаждения.


Тригенерация – это комбинированное производство электричества, тепла и холода с помощью газопоршневого двигателя. Состав тригенерационной установки (ТГУ): газопоршневой двигатель генератор, тепловой модуль, абсорбционная холодильная машина, система управления. Генератор вырабатывает электричество, тепловой модуль в зимнее время, а абсорбционная холодильная машина в летнее время утилизируют тепло рубашки охлаждения двигателя, рубашки охлаждения масла и отходящих дымовых газов




Тригенерация является выгодной, поскольку дает возможность эффективно использовать утилизированное тепло не только зимой для отопления, но и летом для кондиционирования помещений или для технологических нужд. Такой подход позволяет использовать установку круглый год, обеспечивая тем самым наиболее скорый возврат инвестиций. Максимальная приближенность и возможность применения для любого потребителя как в качестве основного, так и резервного источника энергии, установка в любом месте (хоть в «чистом поле»), надежность в работе, быстрая окупаемость и долгий срок службы основного оборудования (до 25 лет до полного списания) выводят ТГУ на первое место среди альтернативных источников энергоснабжения. Необходимо лишь наличие газа.




КОМПЛЕКСНЫЙ ПОДХОД К РЕАЛИЗАЦИИ ПРОЕКТА Проведение энергетического аудита: выявление специфических особенностей в энергоснабжении на объекте заказчика Разработка проекта, подбор комплектации оборудования Производство и поставка оборудования Обучение персонала заказчика Монтаж оборудования, пуско-наладочные работы Гарантийное и послегарантийное обслуживание Непрерывная техническая поддержка


ТГУ могут использоваться как основные так и как резервные источники энергоснабжения Бензиновые 1,5 – 12 кВА Дизельные 1,5 – 2000 кВА Газовые 23 – 1500 кВА MTU FORD PERKINS VOLVO LOMBARDINI HONDA Двигатели: Генераторы: MECC ALTE Stamford характеристики двигателей


На что необходимо обратить внимание при выборе газового когенератора: а) напряжение б) электрическая мощность в) место расположения (площадка) г) суточное потребление электроэнергии д) режим работы (островной или параллельно с сетью) е) наличие лимитов на газ, давление газа ж) пусковые токи з) конструктивное исполнение


АВТОНОМНОЕ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЕ ВЫГОДНЕЕ! ФАКТОРЫ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ АВТОНОМНОГО ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ 1. Природный газ весьма дешев. Когенераторы имеют высокий КПД. Отсутствуют потери электричества. Поэтому электроэнергия, получаемая автономно с использованием когенераторов, в 2 – 5 раз дешевле. 1. Отпадает необходимость платить за подключение к электросети и прокладывать теплотрассу (для новых объектов). Отпадает необходимость в постоянном ремонте уже имеющихся теплотрасс (для старых объектов). 2. Когенератор утилизирует тепло, вырабатываемое при получении электроэнергии. Это тепло может быть использовано для горячего водоснабжения, отопления объектов, получения холода, технологических целях,


Единичная электрическая мощность - от 50 кВт до 2 МВт (под заказ можно и больше). Коэффициент получения тепла по отношению к электричеству – от 1,4 на малых мощностях до 1,0 - на больших. Коэффициент получения холода по отношению к теплу – 0,7-0,5 Объем капитальных вложений – – рублей за кВт установленной мощности. Срок окупаемости – 2-4 года (зависит от загрузки оборудования, при круглосуточной и максимальной нагрузке окупаемость быстрее) Стоимость электроэнергии при условии утилизации тепла для отопления, получения горячей воды или холода – 0,55-0,60 руб./кВт час с учетом сервисного обслуживания Удельный расход газа для получения 1 кВт электричества – 0,3-0,4 куб.м Срок реализации проекта под ключ – 6-8 месяцев Некоторые технико-экономические показатели использования ТГУ



Электричество в России - это такая штука, которую могут внезапно отключить, которая может подорожать или стать хуже по качеству. Если у вас дата-центр, госпиталь, торговый центр или другой важный объект, логично озаботиться своим источником питания: начиная с какого-то объёма потребляемой энергии выгодно не запитываться от города, а строить собственный энергоцентр.

Фотографии энергоцентра в Набережных Челнах

Учитывая, что для всех этих объектов (в особенности – для дата-центра) понадобится не только электричество, но и тепло-холод, крупные заказчики делают ставку на свои энергоцентры - а мы занимаемся их проектированием, строительством и внедрением, и используем очень интересную схему тригенерации, позволяющую получать сразу тепло, холод и электричество без лишних преобразований.

Под катом - фотографии энергоцентра, короткий рассказ об его устройстве и тригенерации в целом.

Зачем вообще нужны энергоцентры?

Электричество стоит денег. Во многих случаях дешевле построить энергоцентр, чем провести инфраструктуру и регулярно платить городу за питание. Вопрос «сколько будет стоить электричество, тепло, вода и холод после ввода объекта в эксплуатацию» сегодня уже не является второстепенным.

Часто даже выбор площадки происходит не только исходя из удобного расположения для будущих клиентов, но и с точки зрения возможности и стоимости обеспечения нужными энергоресурсами. Сложно планировать что-то, когда запланированные тарифы на электроэнергию после ввода объекта в эксплуатацию возрастают в 1,5-2 раза с формулировкой «вновь введенный объект не вошел в баланс генерирующего поставщика».

Решение

Одним из выходов в данной ситуации может быть строительство собственных генерирующих мощностей (собственного энергоцентра) на базе газопоршневых или газотурбинных установок с утилизацией тепла с помощью абсорбционных холодильных машин (АБХМ). Весь фокус как раз в том, что все «излишки» тепла или холода не «сбрасываются» куда-то в процессе выработки электричества, и используются для соответствующих потребителей объекта.

Принцип такой: при работе газопоршневой или газотурбинной установки, с 1 кВт вырабатываемой электроэнергии мы можем получить от 1 до 2 кВт тепловой энергии в качестве горячей воды. В заполненных и работающих дата-центрах электрическая нагрузка достаточно равномерная в течение года, а потребность в холоде сопоставима с активной электрической IT-мощностью. Из горячей воды с помощью АБХМ получаем холод с средним коэффициентом 0,75. Таким образом, в зависимости от типа энергоустановок, с их тепла можно получить от 50% до 100% необходимого холода. В итоге получается чрезвычайно энергоэффективная система. Недостаток тепла, а так же резерв обеспечивается обычными водогрейными котлами, КПД которых близок к 99%.

Извне потребляется только природный газ низкого давления, на выходе получается электроэнергия, тепло на отопление и холод на кондиционирование. При этом надёжность превосходит стандартных поставщиков, а стоимость ресурсов заметно ниже. Себестоимость потребляемой электроэнергии составляет до 2 руб/кВт*ч и ниже, что соответствует внешним тарифам по напряжениям 110 кВ и выше.

Комбинированная выработка электроэнергии, тепла и холода позволяют добиться не только снижения затрат на энергоресурсы в 2 и более раз, но и снизить объемы потребления электроэнергии на вентиляцию и кондиционирование. Достигается это за счет полного или частичного замещения компрессоров системы охлаждения на АБХМ, которая электричество практически не потребляет. Опыт реализованных нами проектов показывает, что окупаемость собственного энергоцентра при правильном техническом решении всего 2-3 года, после чего решение начинает приносить владельцу дополнительную прибыль.

Энергоцентр представляет собой самостоятельное, полностью автоматизированное инженерное сооружение, работающее в автономном режиме, в состав которого входят силовые установки на базе газового двигателя и присоединенного электрогенератора.

Какие преимущества?

При строительстве ЦОДа высокой доступности основным источником электроэнергии должен быть независимый от энергосистемы ввод, традиционно реализуемый на базе дизельных генераторных установок («город» на уровнях выше не может быть основным).

Средняя себестоимость 1 кВт*ч на дизельном топливе варьируется от 7-10 рублей. По этим причинам «основной» ввод остается таковым только на бумаге, а электроэнергию в штатном режиме получают по классическим схемам от электросетей, то есть от дополнительного источника по стандарту. Небольшой ЦОД суммарной с мощностью от 1 до 2 МВт будет подключен к электросетям на напряжении 6 или 10 кВ, и будет покупать электроэнергию по соответствующей тарифной группе (от 3 до 4 руб/кВт*ч). При таком подходе холод в системе охлаждения ЦОД вырабатывают парокомпрессионные холодильные машины (ПКХМ), потребляющие сетевую электроэнергию.

Холодопроизводительность цикла ПКХМ связана с электропотреблением через ε – холодильный коэффициент.

Для средней полосы России ε приблительно 3,0. Это значит, для выработки 1,0 кВт холода, потребуется электрическая мощность 0,33 кВт.

При этом более чем реально установить свой газовый энергоцентр (где есть тригенерационная система). В итоге необходимый объем холода можно получать с помощью АБХМ без использования традиционных (и дорогостоящих) компрессоров. Опыт проектирования и резервирования систем накоплен достаточно большой, поэтому даже для TIER III и TIER IV никакой принципиальной проблемы в строительстве и сертификации такого объекта нет.

Конкретный пример

Один из примеров – энергоцентр торгового центра «ЭССЕН» в Набережных Челнах, построенный КРОК аж в 2007-м году. Проект окупил себя за 2 с небольшим года, даже при неполной загрузке. В настоящее время у нас в работе еще несколько подобных проектов.

Вот его карточка:

  • Тип строительства – новое строительство
  • Место расположения строительной площадки – г. Набережные Челны, Республика Татарстан
  • Стадийность строительства - 1 очередь
  • Предназначение – электро, тепло и холодоснабжение собственного торгово-развлекательного центра.
  • Причина – отсутствие технической возможности присоединения к электрическим сетям.
  • Номинальные мощности – электроэнергия 2 МВт – фактическое потребление 70%, тепловая энергия 4 Гкал – фактическая потребляемая мощность 3,7 Гкал, холодопотребление – 1,2 МВт, фактическое потребление 1 МВт
  • Исполнение ТЭЦ – контейнерное
  • Оборудование – КГУ – Caterpillar (США), котлы – Buderus (Германия), АБХМ – Carrier (Китай)

А вот его фотографии:

Вид когенерационной газопоршневой установки (КГУ) внутри, расширительные баки:

Контейнер с резервным дизель-генератором

Газораспределительный пункт (ГРП) энергоцентра:

Газопоршневой двигатель (ГПУ) CATERPILLAR:

Абсорбционая холодильная машина (АБХМ) внутри:

Теплообменники теплового пункта котельной:

ГПУ внутри - наладка:

Утилизатор выхлопных газов:

Подключение к шинам силового щита ГПУ:

Когенерационные газопоршневые установки (КГУ):

Сухой охладитель (драйкулер) КГУ:

Он же:

КГУ - дымовые трубы, драйкулер, утилизатор выхлопных газов:

Резюме

  • Строительство собственного энергоцентра с применением технологии тригенерации «под ключ» обойдется примерно в 2000 евро/кВтэ. Это вполне сопоставимо с ценой на подключение к внешним сетям.
  • Свой энегоцентр для ЦОДа не приводит к увеличению инвестиций, но существенно снижает энергопотребление ЦОД и его OPEX в целом.
  • Надёжность и эффективность ЦОДа увеличиваются.
  • К выбору площадки можно подходить свободнее: достигается энергонезависимость объекта от местной инфраструктуры, что может оказаться важным преимуществом.
  • Строительство энергоцентра ведется параллельно с возведением основного объекта и по срокам составляет 1,5-2 года.
  • КРОК имеет опыт строительства таких объектов, поэтому если интересно – обращайтесь на [email protected], обсудим конкретные вопросы. На общие вопросы готов ответить в комментариях.

UPD. Много вопросов по окупаемости и экономической части. В целом всё зависит от конкретного проекта. Общие подходы такие (числа в расчётах примерные, могут отличаться в разных ситуациях и регионах):

  1. Важно предусмотреть как можно более полный и стабильный сбыт всех производимых ресурсов. Если потребление неравномерное (день\ночь, сезонность) – можно «вырезать» энергоцентром только стабильную часть, а всплески добирать из сети. В смысле, что не надо брать энергоцентр под пик, он экономически оправдан при стабильной загрузке выше, например, 60%.
  2. В себестоимости больше половины затрат – цена топлива. 270 кубов на 1МВт*ч пусть например по 4 рубля за куб и 8200 часов в году (с учетом регламента и простоя) - это около 9 миллионов рублей. Пусть обслуживание, персонал, налоги, масло и прочее еще столько же, хотя по опыту меньше. Получаем OPEX 18 миллионов рублей или 2,19 руб\кВт*ч. Вилка с внешнем тарифом пусть 4 руб\кВт*ч составит около 15 миллионов рублей по электричеству и не менее 2 миллионов рублей за тепло. На больших станциях эффект ещё больше.
  3. Стоимость энергоцентра зависит от многих параметров. Когенерация 1МВт (электричество и тепло), в контейнере одной машиной даже с подключением к сетям стоит меньше от 1 млн евро «под ключ». Более сложное решение, в том числе тригенерация дороже. Например, 1,5 млн евро / годовую экономию 17 млн руб = 3,5 года. Использование холода улучшает ситуацию вдвое. А если учесть стоимость подключения к электрическим сетям – проект может окупиться на старте.
Детальный расчет по конкретной ситуации готов предоставить по запросу на электронную почту [email protected].

 

 
Это интересно: