автореферат

На правах рукописи
Беккер Виталий Львович
«РАЗРАБОТКА РАЦИОНАЛЬНЫХ СИСТЕМ
ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ
ПРЕДПРИЯТИЙ ФОРМИРУЕМЫХ ПРОМЗОН Г. МОСКВЫ»
05.23.03 - Теплоснабжение, вентиляция,
кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение.
Автореферат диссертации на соискание учёной степени
кандидата технических наук
Москва 2008
2
Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении
высшего профессионального образования
Московском государственном строительном университете
Научный руководитель:
Официальные оппоненты:
Ведущая организация:
доктор технических наук, профессор
Хаванов Павел Александрович
доктор технических наук, профессор
Чистович Сергей Андреевич;
кандидат технических наук
Гайстер Юрий Самуилович
ОАО "МосгазНИИпроект"
Защита диссертации состоится “___ ” ___________ 2008 г. в ауд. № ______
в ______ часов на заседании диссертационного совета Д 212.138.10 при ГОУ
ВПО Московском государственном строительном университете по адресу:
129337, Москва, Ярославское шоссе, д. 26
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО Московского государственного строительного университета.
Автореферат разослан “____” _____________ 2008 г.
Учёный секретарь
диссертационного совета
Орлов В.А.
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Россия располагает значительными запасами
энергетических ресурсов и мощным топливно-энергетическим комплексом, который является базой развития экономики, инструментом проведения внутренней и внешней политики.
Энергетический сектор обеспечивает жизнедеятельность всех отраслей
национального хозяйства, во многом определяет формирование основных финансово-экономических
показателей
страны.
Природные
топливноэнергетические ресурсы, производственный, научно-технический и кадровый
потенциал энергетического сектора экономики являются национальным достоянием, и эффективное его использование создает необходимые предпосылки
для вывода экономики страны на путь устойчивого развития, обеспечивающего
рост благосостояния и повышения уровня жизни населения.
Системы энергоснабжения города Москвы являются одними из самых
сложных и наиболее динамично развивающихся объектов в мире. Намеченные
Генеральным планом развития города Москвы увеличение объема жилищного
фонда, рост площадей коммерческо-деловой сферы, строительство социальнозначимых объектов обслуживания, необходимых для достижения нормативного
уровня потребности города, развитие и реорганизация промышленного сектора
обуславливают значительный рост тепловых и электрических нагрузок.
В условиях ограничений поставок природного газа и сложной экологической ситуации в городе, решение проблем дефицита энергетических мощностей
экстенсивным методом, путем ввода в эксплуатацию новых энергоисточников и
сетей не рационально и неприемлемо.
Сложность систем энергоснабжения и темпы их роста обуславливают целый ряд проблем, которые невозможно решить без системного и комплексного
изучения ситуации и планирования развития с учетом реализации потенциала
энергосбережения.
Эффективная работа городской энергосистемы предусматривает как
надежное и бесперебойное тепло-, электроснабжение уже существующих потребителей, так и присоединение дополнительных городских нагрузок и не
может быть осуществлена без ввода новых генерирующих мощностей.
При этом необходимо учитывать, что мероприятия, обеспечивающие интенсификацию энергосбережения, имеют значительно более высокую рентабельность по сравнению с наращиванием энергоресурсов.
Следовательно, наиболее рациональным выходом из сложившейся ситуации является переход к таким технологиям в энергетике, которые обеспечивают
экономию ограниченных топливных ресурсов на пути всей цепочки использования энергии первичного топлива от генерации до потребления и платежей.
Все это говорит о новой тенденции к развитию малой энергетики, как наиболее
экономически эффективной и экологичной отрасли топливно-энергетического
комплекса.
Автономные теплоэлектростанции (мини-ТЭЦ) как децентрализованные
источники электро- и теплоснабжения хорошо известны и широко используют-
4
ся в развитых промышленных странах. Они заняли важное место на рынке мировой энергетики и продолжают завоевывать его. Этот принцип энергообеспечения сочетает в себе несколько важнейших элементов – топливную и экономическую эффективность, а также соответствует возрастающей потребности к
переходу на энергосберегающие технологии.
В соответствии с постановлением Правительства Москвы от 01.06.2004
№365-ПП «Об основных направлениях развития системы теплоэлектроснабжения города Москвы на период до 2020 года» прирост тепловых нагрузок ожидается в размере 16400 Гкал/час. Планируется, что в результате всех мероприятий
по увеличению тепловых мощностей централизованных источников города их
суммарный прирост тепловой мощности достигнет 7300 Гкал/час. Произведенный расчет электрических нагрузок показал, что их прирост к 2020 году составит 4,5 млн. кВт, а прирост мощности централизованных энергоисточников
планируется в размере только 3,31 млн. кВт.
Целью проводимого исследования является обоснование эффективности
внедрения мини-ТЭЦ, как одного из вариантов решения проблемы удовлетворения растущей потребности города в тепловой и электрической энергии и, одновременно, реализации политики энергосбережения в городском хозяйстве
Москвы, в том числе при решении вопросов тепло- и электрообеспечения формируемых промзон города.
Цели и задачи работы. Целью настоящей работы является:
- проанализировать современное состояние городских энергоисточников,
определить их способность покрытия энергетических нагрузок города;
- выявить основные недостатки и проблемы системы энергоснабжения;
- проанализировать возможность пополнения недостающих мощностей путем ввода мини-ТЭЦ, работающих в режиме когенерации;
- выявить основные технологические, экологические, социальные и другие
преимущества различных типов мини-ТЭЦ и определить возможные области
их применения;
- обосновать методику разработки и создания, эффективных когенерационных энергоцентров сочетающих в себе рациональное комбинирование автономных и централизованных систем обеспечивающих достижение максимальных значений по экономии топлива, и минимальных по общим финансовым затратам;
- выполнить иллюстрированный расчет по разработанной методике для реальных объектов и проанализировать полученные результаты;
- доказать и определить на примере реальных объектов эффективность методики для разработки рациональных систем энергообеспечения формируемых
промышленных зон города Москвы.
Практическая значимость работы подтверждается применением разработанных автором методов формирования рациональных систем энергоснабжения
промышленных предприятий на ряде реальных объектов, на двух из которых по
состоянию на июнь 2008 года заканчивается стадия строительства мини-ТЭЦ на
базе ГПУ. Практическая ценность результатов работы, состоит в разработке и
5
внедрении системного подхода к ре- шению задач вариантного анализа при
построении систем автономного тепло- и электроснабжения, а именно:
- разработана методика формирования систем энергоснабжения, позволяющая определять технико-экономические параметры их работы, необходимые
для проведения качественного сравнения различных вариантов генерации энергии на объекте;
- разработана расчетная программа «Система автоматизированного подбора
оборудования мини-ТЭЦ на базе ГПУ». С помощью этой программы производится
анализ и расчет всех возможных вариантов тепло- и электрообеспечения объекта,
при использовании оборудования занесенного в базу, с учетом граничных условий
по максимальной величине и динамике изменения нагрузок у потребителей, максимальному числу энергетических установок размещаемых на площадке, числу часов использования оборудования и других факторов.
На защиту выносятся:
- результаты аналитических исследований существующих и перспективных
методов применения когенерационных систем различных типов в сферах тепло- и электрообеспечения различных групп потребителей;
- методика формирования рациональных энергетических систем для удовлетворения потребностей формируемых промышленных зон г. Москвы;
- методика определения рационального набора оборудования мини-ТЭЦ на
базе ГПУ и программный метод ее реализации.
Апробация работы. Базовые теоретические положения и результаты исследований докладывались на:
Результаты и основные положения работы были доложены на:
- Конференции «Москва – энергоэффективный город», г. Москва 2006
год, тема «Проблемы энергоснабжения промышленных предприятий города и
их возможные варианты решения с применением мини-ТЭЦ».
- «Конференции по проблемам теплоснабжения», г. Санкт-Петербург 2007
год, тема «Автономное теплоснабжение альтернатива или шаг назад».
- Второй международный семинар «Теоретические основы теплогазоснабжения и вентиляции», г. Москва 2007, МГСУ, тема «Пример применения когенерации на предприятиях стройиндустрии»
Структура и объём диссертации. Диссертация включает введение, пять
глав, общие выводы, список литературы из 96 наименований. Общий объём
диссертационной работы: 148 страницы машинописного текста, 46 таблиц, 24
рисунока, приложения в виде таблиц и справка о внедрении.
В первой главе диссертации Проведена оценка текущего состояния основных систем энергоснабжения г. Москвы. Определены основные проблемы
энергообеспечения различных групп потребителей.
Эффективная работа городской энергосистемы предусматривает как
надежное и бесперебойное тепло- и электроснабжение уже существующих потребителей, так и обеспечение растущей потребности города в электрической и
тепловой энергии. Принимая во внимание огромную численность населения,
территорию города, экономическое развитие, а также особый статус Москвы,
как столицы Российской Федерации, необходимо понимать, что проблема
6
надежности энергообеспечения города приобретает сегодня особую актуальность.
В последние годы появились факторы коренным образом меняющие представление о классическом энергоснабжении:
• отсутствие, в ряде случаев, возможности присоединения новых мощностей из-за перегрузки местного централизованного энергоисточника;
• непостоянность характеристик получаемой потребителем электроэнергии;
• значительный износ тепло- и электрогенерационного оборудования
• нарастающий уровень аварийности в централизованных системах
• высокая стоимость прокладки энергокоммуникаций и подключения к сетям могут вылиться в сумму, сравнимую или превосходящую стоимость автономного энергоисточника.
Результаты научно-исследовательских и реальных инженереных работ
проведенных автором, позволили выявить особый потенциал в создании единых энергетических центров работающих в режиме ко- и тригенерации.
Также были сформулированы основные преимущества таких систем, что в
свою очередь дало обоснование для продолжения исследовательских работ в
этом направлении:
– уменьшение доли стоимости энергоносителя в себестоимости продукции,
позволяет существенно увеличить ее конкурентоспособность;
– существенное повышение надежности и качества энергоснабжения;
– когенерация позволяет существенно снизить потери при транспортировке энергии;
– сроки окупаемости капитальных затрат на сооружение газопоршневых
мини-ТЭЦ преимущественно сокращаются с ростом тарифов на энергию в традиционных схемах энергоснабжения;
Автором проведен анализ принципов работы, достоинств и недостатков
серийно выпускаемых и перспективных видов мини-ТЭЦ, на базе газопоршневых двигателей, газотурбинных установок, микротурбин, энергоустановок, работающих на водородном топливе, топливных элементах и на базе двигателей
внешнего сгорания Стирлинга.
Когенерационная энергетическая установка, построенная на базе газопоршневого двигателя (мини-ТЭЦ на базе ГПУ), включает в себя следующие
основные элементы: мотор-генератор с системами двигателя, систему управления, защиты и распределения нагрузок, а также оборудование для рекуперации
теплоты выхлопных газов и системы охлаждения двигателя.
Преимуществами мини-ТЭЦ с поршневыми газовыми двигателями являются:
- сопоставимая стоимость установленной мощности за 1 кВт с величиной затрат на подключение к централизованным сетям;
- отсутствие высоких температур, давлений, моментов инерции;
- ресурс работы современных поршневых двигателей на газовом топливе до
капитального ремонта достигает 150 000 моточасов, или 15-16 лет, при эксплуатации по 8 000 часов в год;
- экологическая приемлемость;
7
- мобильность;
- широкий диапазон рабочих режимов - от 15-20% до 110% (на пиковом режиме при кратковременной работе) номинальной мощности при пропорциональном расходе топлива;
- возможность работы в режиме частых пусков и остановок без снижения качества и долговечности установки.
Основные сложности возникающие при работе с когенерационным оборудованием, оказывающие существенное влияние на эффективность его применения:
- снижение КПД по первичному энергоносителю при уменьшении тепловых
нагрузок установки (особенно в летнее время);
- связанность электрической и тепловой мощности
- относительно высокий шум установки;
- меньший эксплуатационный ресурс и межремонтный период по сравнению
с котельным оборудованием.
Основным блоком газотурбинной электростанции (ГТЭС) является энергоблок (газотурбинная энергетическая установка – ГТУ), в который входит газотурбинный привод (ГТП) (при необходимости с редуктором) и электрический
генератор с системой возбуждения. Основой (ГТП) является газогенератор,
служащий источником сжатых горячих продуктов сгорания для привода свободной (силовой) турбины.
Газогенератор состоит из компрессора, камеры сгорания и турбины привода компрессора. На валу турбины расположен турбогенератор (электрический
генератор). Отработанные в газотурбинном приводе газы через выхлопное
устройство и шумоглушитель уходят в дымовую трубу. Если предусмотрена
утилизация тепла выхлопных газов, то после выхлопного устройства отработанные газы поступают в утилизационный теплообменник. Вместо него в технологической цепочке может находиться котел-утилизатор, в котором происходит выработка тепловой энергии в виде пара различных параметров и/или горячей воды. Также возможно использование полученного пара в паротурбинном
цикле для выработки электрической энергии.
Особенности, отличающие ГТУ от других энергетических установок:
- резкое падение КПД при снижении нагрузки является существенным недостатком, эффективность использования ГТУ в области нагрузок ниже 60-50%
весьма проблематична;
- достоинством ГТУ является высокая маневренность и скорость набора
нагрузки, даже для крупных ГТУ время выхода на полную мощность измеряется десятком минут, в отличие от паротурбинной установки (ПТУ), где процесс
пуска из холодного состояния занимает десятки часов;
- большинство ГТУ обладают возможностью кратковременной перегрузки,
т.е. увеличению мощности выше номинальной;
- срок службы ГТУ значительно меньше, чем у других энергетических
установок и находится обычно в интервале 45-100 тыс. часов, что обязательно
следует учитывать в технико-экономических сопоставлениях альтернативных
вариантов энергоснабжения;
8
- температура продуктов сгорания природного газа достигает 2000 °С, что
требует смешения продуктов сгорания топлива со значениями избытка воздуха
α = 5 ÷ 6 для охлаждения их до температуры около 700 °С, т.е. помимо наложения особых требований по качеству материалов и условиям работы, следует
учитывать дополнительные необходимые и неутилизируемые потери теплоты;
- необходимость предварительного сжатия газового топлива заметно удорожает производство энергии особенно для малых ГТУ и в ряде случаев является существенным препятствием на пути их внедрения.
На базе проведенного автором сравнения, в работе обоснован выбор миниТЭЦ с использованием ГПУ, в качестве основного блока для проведения последующих исследований эффективного включения таких систем для энергообеспечения формируемых промышленных зон г. Москвы
При проработке таких систем автором были приняты два основных ограничения.
Первое связано с недостаточной правовой проработкой в вопросе возможности коммерческой реализации не востребованной на объекте тепловой и
электроэнергии. На сегодняшний день российские компании не имеют такой
возможности. Таким образом, в рамках проводимого исследования, автор был
вынужден ограничится анализом возможных вариантов комбинации различных
методов генерации для наиболее эффективного как по техническим так и по
экономическим показателям варианта.
В случае успешного разрешения вопроса о реализации избытков выработанной энергии, основные принципы построения систем останутся неизменными, а экономическая составляющая приобретет особое значение в связи с тем,
что вопросы окупаемости основных капитальных вложений в большей мере будут зависеть от выбора грамотной стратегии по отпуску производимых энергоресурсов сторонним потребителям.
Вторым ограничением стал выбор моделирования процессов когенерацинного производства тепловой и электрической энергии на базе газопоршневых
установок, рассматривая различные варианты их комбинирования и оптимизации работы с точки зрения наиболее эффективной утилизации тепла выделяющегося при работе установки. ГПУ были выбраны в связи с возможностью работы в более гибком, по сравнению с остальными генерирующими установками, режиме, при этом не уступая другим в КПД использования исходного топлива в диапазонах электрогенерирующей мощностей от 300 до 3000 кВт для
одной машины. Указанный диапазон мощностей соответствует потребностям
достаточно широкой гаммы промышленных и производственных предприятий
размещающихся на территории города.
Во второй главе Представлены и проанализированы возможности применения мини-ТЭЦ на базе ГПУ в системах энергообеспечения, как промышленных так и административно-бытовых потребителей.
Особенный интерес вызывает применение когенерации в промышленных
зонах и парках. Совокупная электрическая и тепловая нагрузка всех производств много больше, чем у каждого в отдельности. Кроме того, продолжительность потребления энергии дольше и изменения нагрузки со временем ми-
9
нимальны (сравнивая с отдельными производствами). Эти условия создают
благоприятную обстановку для рационального применения когенерации как
централизованной системы.
Автором определены эффективные схемы применения мини-ТЭЦ на базе ГПУ
для энергообеспечения промышленных объектов. На рисунках 1 – 2 представлены схемы работы мини-ТЭЦ, получающие в качестве теплоносителя пар низкого или высокого давления.
Рисунок 1.
Схема работы промышленной мини-ТЭЦ на базе ГПУ.
Тепловая энергия - пар низкого давления, горячая вода.
Рисунок 3.
Схема работы промышленной мини-ТЭЦ на базе ГПУ.
Тепловая энергия - пар c дополнительным подводом теплоты.
Eщё один аспект, который делает систему когенерации крайне привлекательной – возможность использования вторичных энергетических ресурсов,
или продуктов сгорания природного газа. Наибольший интерес представляет
10
диоксид углерода (углекислый газ),
содержащийся в продуктах сгорания и
использующийся для подкормки тепличных культур.
Летом, в зонах с жарким климатом, крайне эффективно себя показывает
применение систем тригенерации, с получением охлажденной воды температурой +8°С, для применения при централизованном кондиционировании. В таких
условиях теплота утилизируется и далее используется для питания абсорбционного холодильника или модуля кондиционирования.
В работе определены необходимые требования к составу и способам применения альтернативных видов газообразного топлива для работы когенерационных систем. Модификация энергоустановок для использования биогаза заключается в выборе материалов, устойчивых к сернокислотной коррозии.
Необходима также организация специального контроля состояния смазочного
масла. Низкое давление газа обусловливает увеличение диаметра трубопроводов и арматуры.
Анализ рассмотренных вариантов создания систем энергообеспечения позволяют сделать вывод о целесообразности и возможности эффективного применения мини-ТЭЦ на базе ГПУ для тепло- и электроснабжения различных потребителей в рамках формируемых промышленных зон г. Москвы.
В третьей главе работы рассмотрены вопросы эффективного включения когенерационных мини-ТЭЦ в систему энергообеспечения промышленных
зон города Москвы.
Во многих случаях тепло и электропотребность сравнительно небольшого
промышленного предприятия сравнима с потреблением жилого микрорайона.
Сочетание разработки мер по повышению энергоэффективности производства
и модернизации технологических процессов, грамотное комбинирование различных способов производства энергии позволяет добиваться значительного
снижения энергоемкости производства в целом.
В работе сформулированы основные особенности применения мини-ТЭЦ
на базе ГПУ в системе энергообеспечения промышленной зоны. Выявлены и
проанализированы критерии выбора эффективного варианта автономного энергообеспечения объекта. Так наивысший электрический КПД – около 40 % у газопоршневого двигателя, достигается при условии полного потребления электрической и тепловой мощности.
Газопоршневая мини-ТЭЦ устанавливается на небольшом расстоянии от
потребителя, что значительно сокращает потери энергии при ее передаче и
транспортировке, при этом можно оперативно реагировать на изменения потребностей пользователя. Кроме того, приобретая автономный источник электроэнергии и тепла, потребитель становится независимым от поставщиков тепла и электроэнергии. Дополнительно следует заметить, что стоимость оборудования и стоимость станции не одно и то же, особенно в том случае, когда речь
идет о подводе газа высокого давления (что требуется, например, для газовых
турбин).
Следующими очень важными для оценки эффективной работы станций - являются вопросы расхода топлива и эксплуатационных затрат, напрямую свя-
11
занные с выгодами, которые получит
владелец и со сроком окупаемости
оборудования станции
Эксплуатационные затраты на тепловую электростанцию с поршневыми
машинами относительно невысокие. Газопоршневой двигатель может запускаться и останавливаться неограниченное количество раз, что не отражается на
назначенном моторесурсе двигателя. Стоимость капитального ремонта ГПД с
учетом затрат на запчасти и материалы составляет 50-60% от первоначальной
стоимости, что в свою очередь обуславливает необходимость четкой постановки задачи по подбору оборудования в соответствии с желаемым сроком эксплуатации объекта.
Методом логарифмической аппроксимации автором были получены математические зависимости, описывающие взаимосвязь потребления топлива, выработку электрической и тепловой энергии мини-ТЭЦ на базе различных ГПУ
отечественного и иностранного производства.
В разделе 1.2.1. настоящей диссертации был рассмотрен тепловой баланс
газопоршневого двигателя. Очевидно что тепловые потери достигающие в
большинстве случаев 60 % и более от теплоты подведенной к установке с исходным топливом существенно снижают эффективность применения миниТЭЦ на базе ГПУ только как электрогенераторов.
Для формирования математической модели работы ГПУ в составе миниТЭЦ возможно применение методов регрессионного анализа, используя параметры работы ГПУ в базовых режимах, взятых по паспортным актам испытаний, а также основных закономерностей работы двигателей внутреннего сгорания, как исходных данных для формирования зависимостей.
Наиболее подходящим методом обобщения, для апроксимизирующих зависимостей расхода топлива, выработки теплоты и электричества в мини-ТЭЦ
на базе ГПУ, является логарифмический метод, как имеющий достаточную степень точности расчетов и наилучшую структуру общего вида зависимостей с
целью унификации данных для различных видов генерирующего оборудования.
Логарифмическая аппроксимация хорошо описывает величину, которая
вначале быстро растет или убывает, а затем постепенно стабилизируется. Описывает как положительные, так и отрицательные величины.
Общий вид формулы:
y = c ln(x) + b, где c и b - константы, ln - функция натурального логарифма;
По данным работы установок, полученным в результате испытаний на заводе-изготовителе, с помощью логарифмической аппроксимации были получены математические зависимости, отражающие потребление топлива, выработку
тепловой и электрической энергии в зависимости от нагрузки ГПУ.
На рисунке 1 и в таблице 1 приведен пример математического описания
работы в зависимости от нагрузки, для ГПУ отечественного производства компании “Волжский дизель им. Маминых”, для генерации 500 кВт пиковой электрической мощности.
Рисунок 3.
График изменения расхода газа в зависимости
12
от электрической мощности ГПУ
мощностью 500 кВт
ГДГ – 90 Волжский дизель им. Маминых.
Таблица 1.
Тепловой баланс ГПУ Волжский дизель им. Маминых ГДГ-90 – 500 кВт
Таким образом, автором обоснована возможность определения математических зависимостей работы различных видов ГПУ, прошедших сертификациПараметр
Единицы
измерения
Нагрузка
100%
80%
60%
40%
Основные характеристики
Мощность, выдаваемая
500
400
300
200
кВт
генератором
Суммарный съем теплоты
кВт
750
600
450
300
Общий эффективный съем энергии
1250
1000
750
500
кВт
(электричество + теплота)
1487,3 1326,8 1262,6 1187,7
Потребность в топливе
кВт
Эффективный топливный КПД
%
84,04
75,37
59,40
42,10
установки
Математические зависимости
Потребление топлива
y = 223Ln(0.25*exp(2.775*x)) + 1146
Выработка электрической энергии
y = 210Ln(0.25*exp(2.775*x)) + 183
Выработка тепловой энергии
y = 263Ln(0.25*exp(2.775*x)) + 228
* y – значение параметра
x – величина нагрузки
20%
100
150
250
1070
23,36
13
онные испытания по форме приведен- ной в таблицах 1 и 2. В свою очередь
используя уравнения при разработке расчетной методики можно решить задачу
выбора рационального выбора состава мини-ТЭЦ на базе ГПУ для наиболее
эффективного удовлетворения тепловых и электрических потребностей рассматриваемого объекта.
Автором сформулирована и представлена аналитическая постановка задачи по определению рационального состава когенерационной мини-ТЭЦ на базе
ГПУ для обеспечения тепловых и электрических потребностей потребителей.
Для разработки корректной системы комплексного энергообеспечения предприятия необходимо придерживаться определенной последовательности работ.
При рассмотрении энергообеспечения существующего объекта необходимо на
подготовительном этапе обеспечить проведение энергетического обследования
предприятия. В работе, на примере реальных реконструируемых и вновь создаваемых промышленных объектов для применения разработанной методики
оценки эффективности различных систем энергообеспечения предложена конкретная схема формирования исходных данных.
По методике сбора исходных данных и проведения вариантного анализа
можно выделить следующие типы объектов:
• Объекты подлежащие реконструкции.
В этом случае сбор исходных данных производится как по сохраняющимся
после завершения работ энергетическим потребителям, с учетом результатов
работ проведенных на стадии энергоаудита, так и по создаваемым заново. Значения потребностей в тепловой и электрической энергии для новых потребителей необходимо принимать исходя из разработанных проектов технологического и хозяйственно-бытового тепло- и электропотребления предприятия.
• Объекты нового строительства.
Значения потребности в тепловой и электрической энергии принимаются
по данным проектов систем энергоснабжения
В случае отсутствия таких данных или при поведении оценочного анализа,
необходимо использовать нормативные методики расчета расходов энергии по
укрупненным показателям.
Анализ полученных исходных данных ведется по направлениям:
- определение максимальных нагрузок
- расчет средних нагрузок за месяц
- формирование нагрузок «показательных дней» (например: зимний и летний рабочий день)
Критерии выбора вариантов для анализа:
• Максимальная топливная эффективность
• Минимальные капитальные затраты
• Минимальные затраты на получение энрегии за период эксплуатаци
Дополнительно следует отметить необходимость формирования пакета исходных данных для проведения подробного экономического анализа.
Автором были проведены расчеты режимов потребления и выработки тепловой и электрической энергии, а также вариантная оценка различных наборов
генерационного оборудования на шести промышленных объектах, как в
14
Москве, так и на территории РФ, два
из которых приведены в работе. По
состоянию на июль 2008 года на одном из объектов в г. Москве проводятся
пуско- наладочные работы по запуску мини-ТЭЦ на базе ГПУ, электрической
мощностью 2 600 кВт, работающей совместно с газовой паровой котельной. На
кирпичном заводе в г. Домодедово московской области, заканчиваются монтажные работы. На предприятиях, рассмотренных в работе в качестве реконструируемых, в г. Одинцово московской области, ведется проектирование энергетического центра.
Автором разработана математическая модель определения рациональной
структуры мини-ТЭЦ на базе ГПУ, представленная в программном виде, а также алгоритмическая схема работы самой программы по подбору оборудования
и моделированию работы энергетического центра.
Актуальность и значимость совершенствования методик разработки систем
энергоснабжения были отмечены ведущими специалистами в отрасли, а отдельные направления были внесены в проект программы “Энергосбережения г.
Москвы на перспективу до 2020г.”. На базе методики разработанной автором
была создана расчетная программа “Система автоматизированного подбора состава основного оборудования когенерационного энергоцентра”.
На рисунках 4 и 5 представлена структурная схема алгоритма работы основных блоков системы, ввод исходных данных и вывод результата расчетов. Соствленый алгоритм разработан на базе методики представленной в разделе 1.3.1
настоящей диссертации.
Проведена оценка показателей надежности и коммерческой эффективности
мини-ТЭЦ на базе ГПУ.
Комбинированные энергоустановки ТЭЦ промышленно-отопительного и
отопительных типов, предназначенные для комбинированной выработки электроэнергии, технологического пара и горячей воды, являются сложными в технологическом, структурном и функциональном отношении. Для них характерна
взаимозависимость производства указанных видов энергии. Расчет показателей
надежности комбинированных энергоустановок проводится в предположении,
что каждый ее элемент в любой момент времени плановой работы находится в
одном их двух состояний - работоспособности или неработоспособности.
Если основной источник теплоснабжения содержит m отдельных энергоустановок, в общем случае разных типов, с Sr уровнями работоспособности по
отпуску тепловой Qspr и N sp электрической энергии, то общее число состояний
ТЭЦ по отпуску r-го вида энергии составит L r  S m
r .
Каждое lr состояние характеризуется уровнем работоспособности
Фlr   Фm  l r , а вероятность этого состояния определится по формуле:
P Ф , t  P Ф , t 
m
lr
lr
j 1
j
rj
15
Рисунок 4.
Структурная схема алгоритма работы блока ввода исходных данных
системы подбора рационального состава мини-ТЭЦ на базе ГПУ.
16
Рисунок 5.
Структурная схема алгоритма работы блока вывода результатов расчета
системы подбора рационального состава мини-ТЭЦ на базе ГПУ
Экономическая оценка инвестиционных проектов занимает центральное
место в процессе обоснования и выбора возможных вариантов вложения
средств. При всех прочих благоприятных характеристиках проекта он никогда
не будет принят к реализации, если не обеспечит:
- возмещение вложенных средств за счет доходов;
- получение прибыли, обеспечивающей рентабельность инвестиций не ниже желательного для предприятия уровня;
- окупаемости инвестиций в пределах срока, приемлемого для предприятия.
Определение реальности достижения именно таких результатов инвестиционной деятельности и является ключевой задачей оценки финансовоэкономических параметров любого проекта вложения средств в реальные активы. На основе Методических рекомендаций по оценке инвестиционных проектов (утв. Минэкономики РФ, Минфином РФ, Госстроем РФ 21.06.1999 № ВК
477В) была разработана методика, позволяющая оценить экономическую целесообразность вложений в проекты автономного энергоснабжения.
В основу методики легли следующие принципы оценки эффективности инвестиционных проектов:
- рассмотрение проекта на протяжении всего его жизненного цикла;
- моделирование денежных потоков, включающих все связанные с осуществлением проекта денежные поступления и расходы за расчетный период с
учетом возможности использования различных валют;
- сопоставимость условий сравнения различных проектов;
- принцип положительности и максимума эффекта;
- учет фактора времени;
- учет предстоящих затрат и поступлений;
- сравнение “с проектом” и “без проекта”;
- учет всех наиболее существенных последствий проекта (как экономических, так и внешних);
- учет наличия разных участников проекта, несовпадения их интересов и
различных оценок стоимости капитала, выражающихся в индивидуальных значениях нормы дисконта;
- многоэтапность оценки;
- учет влияния на эффективность ИП потребности в оборотном капитале,
необходимом для функционирования создаваемых в ходе реализации проекта
производственных фондов;
- учет влияния инфляции (изменения цен на различные виды продукции и
ресурсов в период реализации проекта) и возможности использования при реализации проекта нескольких валют;
- количественный учет влияния неопределенностей и рисков, сопровождающих реализацию проекта.
Применение разработанной расчетной методики, на объектах в г. Москве и
Московской области, позволило выявить существенный экономических потенциал строительства мини-ТЭЦ на базе ГПУ для нужд промышленных потребителей.
18
 ОАО «Бетиар-22», завод ЖБИ, г. Москва.
После реконструкции заводу железобетонных изделий потребовались дополнительные электрические мощности в размере 2.5мВт.
Анализ показал, что проект дополнительного электроснабжения предприятия Бетиар 22 с использованием мини-ТЭЦ является привлекательным с экономической точки зрения. В случае реализации проекта предприятие за счет низкой себестоимости энергии сможет получать ежегодный доход в размере 14-15
млн. руб., что позволит окупить капитальные затраты, в размере 73 млн. рублей, на шестой год после начала реализации проекта.
 ОАО «Белостолбовский кирпичный завод», г. Домодедово, Моск. обл.
На предприятии «Белостолбовский кирпичный завод», по результатам
ТЭО было предложено строительство мини-ТЭЦ электрической мощностью
2 МВт.
Экономический анализ этого варианта показал, что в сравнении с подключением к централизованным источникам электроснабжения, ежегодная экономия
средств в размере около 9 млн. руб., позволит окупить дополнительные капитальные затрат, в размере 43.5 млн. рублей менее чем через 6 лет.
Успешное применение системы вариантной оценки разработанной автором
показало, что методика может быть рекомендована для применения при строительстве мини-ТЭЦ на базе когенерацинного оборудования, как на стадии
предпроектных проработок, так и при разработке проектных решений.
Общие выводы
1. Проведен анализ существующего состояния энергетических систем
города Москвы, по результатам которого были сделаны следующие выводы:
- отсутствие свободной тепловой и электрической мощности на подавляющем большинстве ТЭЦ, при незначительном резерве на отдельных тепловых
станциях;
- отставание ввода мощностей на центрах питания и развития сетей от
роста потребности в присоединении дополнительных нагрузок;
- снижение надежности и экономичности работы оборудования за счет его
значительного физического износа, что негативно воздействует на экологическую обстановку в городе;
- наблюдается устойчивая тенденция к дальнейшему увеличению протяженности ветхих тепловых и электрических сетей, выработавших свой нормативный срок эксплуатации;
- отмечено достижение предельных значений пропускной способности
существующих высоковольтных линий электропередачи и загрузки трансформаторов;
- недостаточные темпы реализации энергосберегающих мероприятий при
производстве, транспорте и потреблении тепловой и электрической энергии;
2. Определены основные пути и методы развития применения систем комбинированного тепло- и электроснабжения.
- увеличение производства тепловой и электрической энергии и создание
резерва мощности на источниках;
19
- обеспечение надежного и бесперебойного теплоэлектроснабжения потребителей, в том числе в ремонтных и послеаварийных режимах;
- снижение себестоимости производства тепловой и электрической энергии за счет строительства независимых источников, внедрения газотурбинных,
парогазовых, газопоршневых установок различной мощности, использования
биотехнологий для выработки электроэнергии и тепла.
3. Проведен анализ существующих и перспективных методов применения
когенерационных систем в сферах тепло- и электрообеспечения различных
групп потребителей.
4. Проведен сравнительный анализ параметров и характеристик работы когенерационных мини-ТЭЦ, на базе газотурбинных и поршневых двигателей,
топливных элементов, водородной энергетики и двигателей Стирлинга.
5. Разработана методика формирования рациональных энергетических систем на базе мини-ТЭЦ с ГПУ, для удовлетворения потребностей формируемых
промышленных зон г. Москвы.
6. Определены технические и экономические критерии оценки эффективности работы различных наборов генерационного оборудования, с учетом динамики изменения в течение года и суток нагрузок и их соотношенияу потребителей.
7. Автором определены математические зависимости, описывающие энергетический баланс работы мини-ТЭЦ на базе ГПУ, как для отечественного генерационного оборудования, так и для иностранного.
8. Разработана методика выбора рационального состава мини-ТЭЦ на базе
ГПУ. Сформулирован и представлен программный метод реализации методики.
9. На примере реальных объектов автором создана методика расчетов технико-экономических показателей работы когенерационного оборудования, для
энергоснабжения реконструируемых и вновь создаваемых промышленных объектов.
10. Разработана и внедрена расчетная программа “Система автоматизированного подбора оборудования мини-ТЭЦ на базе ГПУ”. На базе этой программы производится анализ и расчет всех возможных вариантов тепло- и электрообеспечения объекта, с помощью оборудования занесенного в базу, и с учетом
граничных условий по динамике изменения нагрузок у потребителей и по максимальному числу энергетических установок размещаемых на площадке.
Основные положения диссертации и результаты исследований опубликованы в следующих работах автора.
1. Беккер В.Л., Хаванов П.А. / Пути повышения эффективности тепло- и
энергоснабжения г. Москвы // Энергосбережение, изд. «АВОК – ПРЕСС» 2006г. - №3 – с. 8-12 (0.2 п.л., лично автором 0.1 п.л.).
2. Беккер В.Л., Хаванов П.А. / Пути повышения эффективности тепло- и
энергоснабжения г. Москвы (часть 2) // Энергосбережение, изд. «АВОК –
ПРЕСС» - 2006г. - №4 – с. 8-12 (0.2 п.л., лично автором 0.1 п.л.).
20
3. Беккер В.Л. / Пример примене- ния когенерации на предприятиях
строительной индустрии // Сборник статей 2-й международной конференции
ТГВ, изд. «МГСУ» - 2007г. – с. 255-257 (0.15 п.л., лично автором 0.15 п.л.)
4. Беккер В.Л. / Когенерация в промышленности // Сантехника, отопление,
кондиционирование, изд. Издательский дом «Медиа Технолоджи» - 2008г. - №1
– с. 72-74 (0.2 п.л., лично автором 0.2 п.л.)
5. Беккер В.Л. / Расчет различных вариантов тепло- и электроснабжения
промышленных объектов на базе когенерационной мини-ТЭЦ // Вестник
МГСУ, изд. «МГСУ» - 2008г. - №3 – с. 53-55 (0.2 п.л., лично автором 0.2 п.л.)