Сопряжение графиков потребления и генерации тепловой энергии технологическими когенерационными комплексами
Результаты внедрения технологии комбинированного энергообеспечения на базе собственных генерирующих источников определяются рядом факторов. Выбор оборудования технологических когенерационных комплексов производится, в основном, на базе двигателей внутреннего сгорания (ДВС). В зависимости от условий, определяемых основным технологическим процессом предприятия (уровень температур тепловой обработки, требуемых теплоносителей, мощность) устанавливается тип ДВС: газопоршневые агрегаты (ГПА) или газотурбинные установки (ГТУ).
Неожиданностью для потребителей становится то, что при использовании выхлопных газов (ВГ) любого ДВС (как ГПА, так и ГТУ) неизбежно появление водяного теплоносителя. С понижением температуры ВГ, что отмечается в последнее время в связи с ростом электрического КПД ДВС, структура генерации тепловой энергии изменяется: пара генерируется меньше, воды нагревается больше. Необходимость утилизации ТЭ, отпускаемой с водой, требует соответствующих изменений структуры теплопотребления со стороны технологии. Другой определяющей проблемой является согласование графиков потребления тепловой и электрической энергии и, при этом, обеспечение максимально продолжительной годовой загрузки генерирующего оборудования с номинальной мощностью при неравномерном потреблении отпускаемых энергопотоков в течение года, месяца, суток и, часто, за более короткие отрезки времени.
При энергоснабжении от внешней генерирующей установки, общей для промышленного узла, острота проблем сглаживается тем, что у графиков потребителей, использующих коллективный источник, экстремумы не совпадают или вообще находятся в противофазе. Наконец, в случае внешнего источника теплоснабжения, решение задачи неравномерной генерации находится вне проблем потребителей, из-за чего, собственно, последние и осуществляют дополнительную плату за энергоресурсы. При переходе с общего генерирующего источника на индивидуальный персонал предприятия сталкивается с необходимостью самостоятельного решения задач. Как проблемы эксплуатации источника, так и его эффективность определяются на 80 % на стадии принятия эскизных решений (ТЭО) и их проектного воплощения. На стадию эксплуатации остается меньшая часть – 20 % возможных ответных действий. Игнорирование указанного обстоятельства и объясняет неуспех, если не провал, ряда проектов.
Вышесказанное весьма актуально для большинства теплотехнологических, но особенно остра эта проблема для предприятий текстильной отрасли, где присутствуют операции крашения, отбеливания, сушки. Оценка статистических данных энергопотребления позволила определить энергосберегающий потенциал предприятий легкой промышленности Беларуси, соразмерный величине электрической мощности ДВС в 60 МВт, что делает отрасль самодостаточной в плане электрообеспечения, с соответствующим изменением их финансового положения, но и сопровождается системной годовой экономией природного газа до 100 тыс. т у. т.
Вместе с тем специфика оборудования и теплотехнологического процесса указанных производств такова, что в настоящее время используется, в основном, паровой теплоноситель, а графики потребления ТЭ характеризуются таким отношением максимальной и минимальной нагрузок и темпом изменения потребления, при которых эксплуатация обычных котлов проблематична. Что касается котлов‑утилизаторов когенерационных комплексов, то они вообще не могут их обеспечить без рассеяния энергии. Например, отмечались режимы, при которых в течение 10 минут имеет место расход 20 т/ч с падением нагрузки до 0,5 т/ч в последующие 20 минут при среднем часовом потреблении на уровне 4–6 т, при этом потребляется только паровой теплоноситель. Естественно, что подобная ситуация требует превентивных мер на стадии проектирования.
Анализ технологических регламентов позволил определить, что во всех случаях допускается использование технологических потоков с температурой не ниже 45 0С, в ряде случаев и с температурой до 70 0С. Это условие позволяет осуществлять нагрев технологической воды вне красильных аппаратов за счет ТЭ сетевой воды, что обеспечивает соответствие структур потребления и генерации теплоносителей. В данном производстве и заключается адаптация основной технологии к требованиям когенерационного источника энергообеспечения производства. В иных случаях в названных целях приходится рассматривать изменение температур и времени проведения операций тепловой обработки в технологиях основного производства.
Решение по совмещению неравномерности графиков потребления и стабильности графика генерации когенерационного комплекса чаще всего обеспечивается за счет введения в состав тепловой схемы последнего тепловых водяных и паровых аккумуляторов. Первые получили широкое распространение и известны. Паровые аккумуляторы малоизвестны, но без них сложен, если не невозможен, переход к собственным генерирующим источникам для производств с неравномерным суточным графиком потребления пара.
Наиболее просты в части конструкции и эксплуатации паровые аккумуляторы, или аккумуляторы со скользящим давлением и разрядкой насыщенным паром. Паровые аккумуляторы широко применяются в странах ЕС, где их устанавливают в системе даже с обычными паровыми котлами для выравнивания графика генерации последних.
В качестве их упрощенного аналога с некоторой погрешностью можно назвать барабан котла. В случае снижения потребления аккумулирующая система накапливает в виде энергии насыщенной жидкости избытки энергии пара отпускаемого ПКУ когенерационных установок, работающих на базисной нагрузке, хранит ее и затем, когда спрос превышает генерацию ПКУ, отдает энергию с потоком насыщенного пара вторичного вскипания. Аккумулятор, прежде всего, обеспечивает возможность сопряжения генерирующего и теплотехнического оборудования, делает возможной более стабильную эксплуатацию без смены режимов. Это обеспечит, с одной стороны, надежность энергоснабжения, с другой стороны, продлевает срок службы генерирующего оборудования. Прочие преимущества схемы энергоснабжения с аккумулирующими установками известны: в отношении максимальных нагрузок снижаются расход топлива на пиковые источники и инвестиции, поскольку используются базисные установки меньшей мощности, а в периоды минимальных нагрузок – подавляется рассеяние энергии.
По материалам доклада А. В. Романюка, магистра технических наук, руководителя группы ТЭО инжинирингового центра НИПРУП «БЕЛТЭИ»; Д. Б. Муслиной, магистра технических наук, инженера НИПРУП «БЕЛТЭИ»