Развитие энергоэффективных технологий в теплоэнергетике

Основная часть

Энергосбережение в теплоэнергетике, как и в других отраслях промышленности и сферах жизнедеятельности, приобрело особенную актуальность в связи с растущим уровнем энергопотребления и низкой эффективностью использования энергетических ресурсов.

В основу законодательной базы энергосбережения в целом и энергосбережения в теплоэнергетике в частности составляет сегодня федеральный закон № 261-ȂЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности». Он определяет основные требования к энергоэффективности предприятий и реализации комплекса мер по энергосбережению. Как и в любой сфере производства, энергосбережение в теплоэнергетике включает комплекс правовых, научных, организационных, экономических, производственных и технических мер, направленных на максимально эффективное использование топливно-энергетических ресурсов, включая вовлечение в хозяйственный оборот возобновляемых источников энергии. К возобновляемым топливно-энергетическим ресурсам относятся отходы промышленного производства, твердые бытовые отходы и сточные воды, растительная биомасса и отходы растениеводства и др. Сегодня большую роль в энергосбережении в теплоэнергетике играет применение отходов целлюлозно-бумажной промышленности, включая корьевые и древесные отходы. Их использование ведет к серьезной экономии традиционных видов топлива [1].

Энергосбережение в теплоэнергетике стало возможным во многом благодаря современным технологиям автоматизации производства, в частности, системам мониторинга и диагностики трансформаторного оборудования. Так, например, большим резервом экономии энергетических ресурсов является термическая переработка твердого топлива, которая мало применяется на сегодняшний день, но имеет большие перспективы с точки зрения энергосбережения в теплоэнергетике. Существует несколько основных способов термической переработки топлива: сухая перегонка, коксование и полукоксование, газификация и гидрогенизация [1].

Кроме того, энергосбережение в теплоэнергетике может достигаться путем проведения следующих мероприятий:

• параллельной выработки тепловой и электрической энергии (реализуется на ТЭЦ);
• установки турбогенераторов и котельных агрегатов большой единичной мощности;
• перевода котельных малой мощности в режим работы за счет установки паровых турбин;
• использования теплоты воды, охлаждающей конденсатор;
• внедрения промежуточного перегрева пара и др. [1].

Ужесточение норм технического и экологического регулирования стимулирует замещение устаревших генерирующих мощностей. Рост цен на энергоносители и, соответственно, на электроэнергию также может ускорить развитие такого введения. Затормозить или полностью его остановить могут на международном уровне отсутствие или очень высокая стоимость требуемых прочных и жаростойких материалов.

Повышение КПД угольных теплоэлектростанций до 45–47%, а в перспективе до 52–55%, позволит сократить удельный объем вредных выбросов в атмосферу на единицу мощности и снизить стоимость вырабатываемой энергии. Добиться этого можно за счет широкого внедрения энергоустановок, рассчитанных на суперсверхкритические параметры пара (ССКП), то есть на давление более 30 МПа и температуру более 560°С. Уже к 2025 году ожидается на 80% массово внедрить пылеугольные энергоблоки с КПД до 45%, рассчитанных на параметры пара 28-30 МПа и 600-620°С [2].

 На современных тепловых электростанциях применяются, в основном, паротурбинные генерирующие установки, но намного маневреннее газотурбинные, у которых лопатки турбины вращаются не паром, а непосредственно продуктами сгорания топлива. Причем от запуска и выхода на полную мощность до остановки газовой турбины проходят минуты, а парового агрегата – часы. Газотурбинные установки имеют недостаток – высокое удельное потребление топлива на единицу выработанной электроэнергии.

Так, можно сократить расход топлива путем создания единого парогазового агрегата. В такой установке остаточная теплота продуктов горения природного газа, прошедших через газовую турбину, используется для производства водяного пара, приводящего в движение паровую турбину. Коэффициент полезного действия подобной установки достигает 55–60% (у газотурбинной не превышает 35%) [2].

К 2025 году в России ожидается изготовление более 15,5 тыс. газотурбинных установок суммарной стоимостью около 200 млрд долларов. Значительная их часть будет использоваться в составе парогазовых установок. Почти 70% газотурбинных установок будут иметь мощность менее 50 МВт и поставляться преимущественно в развивающиеся страны, в которых нет единых энергосистем.

Кроме того, целесообразно объединять объекты генерации и потребителей в единые энергосистемы в регионах с высокой плотностью населения и развитой промышленностью, а на малозаселенных территориях (например, в Восточной Сибири и на Дальнем Востоке России) более выгодны технологии локальной генерации. Кроме того, актуальны для таких территорий когенерационные установки, вырабатывающие и электроэнергию, и горячую воду для централизованного отопления и горячего водоснабжения. Для небольших мини-ТЭЦ в районах децентрализованной энергетики, а также для резервных энергоустановок на стратегических объектах целесообразно применять микротурбины мощностью до нескольких мегаватт, которые способны работать на различных видах горючего газа и жидкого топлива.

Так, электрический коэффициент полезного действия микротурбинных энергетических установок составляет 25–30%, коэффициент использования топлива (в зависимости от степени преобразования тепла сбросных газов для нагрева воды) – 70%. Наиболее перспективными считаются микротурбины малой мощности (десятки киловатт). По сравнению с генераторами, созданными на базе дизельных или газопоршневых двигателей внутреннего сгорания, такие установки имеют большую маневренность, пониженный уровень вредных выбросов и более длительный ресурс автономной работы. Однако их производство в России пока не налажено [2].

Наиболее перспективными считаются микротурбины малой мощности (десятки киловатт). По сравнению с генераторами, созданными на базе дизельных или газопоршневых двигателей внутреннего сгорания, такие установки имеют большую маневренность, пониженный уровень вредных выбросов и более длительный ресурс автономной работы. Однако их производство в России пока не налажено.

На сегодняшний день весь объем мирового рынка микротурбинных энергоустановок превышает 120 МВт (или 140 млн долларов) в год. К 2025 году он может достичь более 500 МВт (500 млн долларов). Темпы его роста в денежном выражении оцениваются примерно в 25%, что значительно превышает темпы роста рынка оборудования для традиционных (крупных) электростанций [2].

Для того чтобы охарактеризовать процесс производства, передачи или потребления энергии, а также оценить потенциал энергосбережения на различных объектах (установка, цех, предприятие, жилой район, регион, государство), кроме того, обосновать правильность выбора энергосберегающих мероприятий применяются критерии энергетической эффективности. Критерий – это некоторая, достаточно общая характеристика процесса, которую можно выразить в численной форме. Критерий должен обладать универсальностью [3].

Цель таких показателей эффективности использования энергии – объективно установить ориентиры, к которым нужно стремиться, а также выявление слабых мест в расходовании энергии, определение резервов. Один из таких ориентиров - теоретическая необходимость количества энергетических ресурсов для проведения того или иного процесса.

В качестве такого критерия можно использовать:

• термический КД циклов тепловых двигателей (циклы паротурбинных, газотурбинных, парогазовых установок, двигателей внутреннего сгорания) и холодильных машин.
• натуральные критерии оценки эффективности использования энергии на промышленных предприятиях.
• удельный и совокупный удельный приведенный расход условного топлива.
• индикаторы (частные критерии) эффективности использования энергии на объектах жилищно-коммунального хозяйства.
• экономические критерии оценки эффективности использования энергии [3].

Нормы используемых критериев эффективности многообразны для использования энергии на промышленных предприятиях и часто определяются видом получаемой продукции, ее номенклатурой, степенью использования собственных и внешних источников энергии, потребления вторичных энергетических ресурсов, выделения внутреннего тепла в технологических процессах (например, теплоты экзотермических реакций) и т. д.

Вторичные энергетические ресурсы – это энергия, получаемая в ходе любого технологического процесса в результате недоиспользования первичной энергии или в виде побочного продукта основного производства и не применяемая в этом технологическом процессе.

Необходимость использования ВЭР объясняется тем, что коэффициент полезного использования (КПИ) энергоресурсов в РБ и странах СНГ – главный показатель эффективности производства – не достигает 40%, что свидетельствует о существовании больших ресурсов экономики. Утилизация ВЭР позволяет получить большую экономию топлива и существенно снизить капитальные затраты на создание соответствующих энергосберегающих установок [3].

Различают ВЭР: горючие, тепловые и избыточного давления.

Горючие ВЭР – это горючие газы и отходы одного производства, которые могут быть применены непосредственно в виде топлива в других производствах.

Тепловые ВЭР – это физическая теплота отходящих газов, основной и побочной продукции производства; теплота золы и шлаков; теплота горячей воды и пара, отработанных в технологических установках; теплота рабочих тел систем охлаждения технологических установок. Тепловые ВЭР могут использоваться как непосредственно в виде теплоты, так и для раздельной или комбинированной выработки теплоты, холода, электроэнергии в утилизационных.

Это доменный газ – металлургия; щепа, опилки, стружка – деревообрабатывающая промышленность; твердые, жидкие, промышленные отходы в химической и нефтегазоперерабатывающей промышленности и т. д.

ВЭР избыточного давления – это потенциальная энергия покидающих установку газов, воды, пара с повышенным давлением, которая может быть еще использована перед выбросом в атмосферу. Основное направление таких

ВЭР – получение электрической или механической энергии.

На современных нефтеперерабатывающих заводах в процессе тепловой переработки затрачивается до 12% нефти, теплота, от сжигания которой рассеивается в атмосфере, т. е. теряется безвозвратно. Велики тепловые потери и на газокомпрессорных станциях магистральных газопроводов. Большие количества топлива потребляет и химическая промышленность, а также производство строительных материалов: цемента, керамики, кирпича, стекла, железобетонных изделий и т. п.; потери теплоты в них достигают 40–50% [2].

Значительное количество теплоты (более 70%) рассеивается с выхлопными газами, имеющими температуру 270–400°, газотурбинных установок (Г), на компрессорных станциях магистрального газопровода [2].

Теплота отработанных газов двигателей внутреннего сгорания (ДВС) может быть использована для отопления транспортных средств. Эти задачи решаются с помощью теплообменников на тепловых трубах. Применительно к ВЭР вводятся следующие термины и понятия;

Общие энергетические отходы – это энергетический потенциал всех материальных потоков на выходе из технологического агрегата (установки, аппарата) и все потери энергии в агрегате.

Общие энергетические отходы подразделяются на три потока:

• неизбежные потери энергии в технологическом агрегате;
• энергетические отходы внутреннего использования – энергетические отходы, которые возвращаются обратно в технологический агрегат за счет регенерации и рециркуляции;
• энергетические отходы внешнего использования – энергетические отходы, представляющие собой вторичные энергетические ресурсы.

Однако эффективность системы теплоснабжения в целом не может быть достигнута, если модернизировать только источник энергии. Причиной недостаточного поступления теплоты к потребителям может стать некачественная изоляция трубопроводов тепловой сети [3].

Заключение

Основной задачей энергетической стратегии России на сегодняшний день является модернизация и технологическое обновление энергетического сектора, что позволит создать условия для эффективной эксплуатации энергетического оборудования и значительно сократить потери теплоты.

Наиболее эффективной с позиции энергосбережения следует считать технологию комбинированного производства энергии и теплоты с использованием противодавленческих паровых турбин. Однако следует учитывать особенности работы оборудования ТЭЦ на разных режимах эксплуатации в зависимости от изменения потребности в энергоносителях. Например, при резком сокращении нагрузки потребителей возможно снижение КПД установки в целом и значительное возрастание удельного расхода пара на производство электроэнергии [2].

Кроме того, доказана целесообразность установки паровой турбины, которая поспособствуют повышению энергоэффективности действующей ТЭЦ и экономии ресурсов органического топлива.

При повышении ресурса работы механического и электротехнического оборудования с помощью частотно-регулируемых электроприводов достигается не только снижение расхода энергии, но и значительный экономический эффект [3].

1. Полонский В.М., Трутнева М.С. Энергосбережение (учебное пособие), 2005.
2. Гудков С.А., Кольчатов Е.Ю., Кольчатов О.Ю., Лебедева Е.А., Кочева М.А. Ресурсо и энергосберегающие технологии в ТЭЦ и тепловых сетях, 2023.
3. Скороходов А.А., Полонский В.М. Энергосбережение в ЖКХ и экология, 2013.