Когенерационные установки

Когенерационная установка — это технологическая система, предназначенная для одновременного производства электрической и тепловой энергии из одного источника топлива. В отличие от раздельной генерации, где электроэнергия вырабатывается на конденсационных электростанциях с большими потерями тепла, а тепло — в отдельных котельных, когенерация позволяет значительно повысить общий коэффициент полезного действия (КПД) использования топлива, достигая значений 80–90 % и более. Когенерационные установки также известны как теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) малой и средней мощности, а в зарубежной литературе — как Combined Heat and Power (CHP).

Принцип работы

Основой когенерационной установки является первичный двигатель, который приводит в действие электрический генератор. В качестве первичного двигателя чаще всего используются газопоршневые двигатели, газовые турбины или паровые турбины. В процессе работы двигателя выделяется значительное количество тепла, которое в обычных условиях рассеивается в окружающую среду. В когенерационной установке это тепло утилизируется через систему теплообменников.

Тепло отводится от нескольких источников:

• от системы охлаждения двигателя (рубашки охлаждения цилиндров);
• от выхлопных газов;
• от масляной системы;
• от системы наддувочного воздуха (интеркулера).

Полученное тепло передаётся теплоносителю (обычно воде или антифризу), который затем используется для нужд отопления, горячего водоснабжения, технологических процессов или для подачи в системы централизованного теплоснабжения. Таким образом, когенерационная установка одновременно выдаёт два полезных продукта: электрическую энергию и тепловую энергию.

Классификация когенерационных установок

Когенерационные установки классифицируются по нескольким основным признакам.

По типу первичного двигателя

• Газопоршневые установки (ГПУ). Наиболее распространённый тип для объектов малой и средней мощности (от нескольких десятков кВт до 10–15 МВт). Отличаются высоким электрическим КПД (40–48 %), быстрым запуском и возможностью работы на различных видах газообразного топлива (природный газ, попутный нефтяной газ, биогаз, шахтный метан). Модульная конструкция позволяет наращивать мощность.
• Газотурбинные установки (ГТУ). Применяются для больших мощностей (от 1 МВт до сотен МВт). Характеризуются меньшим электрическим КПД (30–40 %), но большей долей тепловой энергии в общем балансе. Часто используются в составе парогазовых установок (ПГУ) для повышения эффективности.
• Паротурбинные установки. Используются в основном на крупных промышленных ТЭЦ и в системах с утилизацией пара от технологических процессов. Электрический КПД паротурбинных установок относительно невысок (20–35 %), но они могут работать на твёрдом топливе (уголь, торф, биомасса).
• Установки на базе двигателей Стирлинга. Относительно новый тип, отличающийся низким уровнем шума и вибрации, но пока имеющий ограниченное применение из-за высокой стоимости и меньшей мощности.

По типу топлива

• Природный газ — наиболее распространённое и экологичное топливо для когенерации.
• Попутный нефтяной газ (ПНГ) — активно используется в нефтедобывающих регионах для снижения объёмов сжигания на факелах.
• Биогаз — получаемый на очистных сооружениях, полигонах ТБО и сельскохозяйственных предприятиях.
• Уголь, торф, древесные отходы — применяются в крупных паротурбинных установках.
• Синтетические газы (синтез-газ) — получаемые из угля или биомассы.

По масштабу и назначению

• Мини-ТЭЦ (мощность до 1 МВт) — для автономного энергоснабжения отдельных зданий, коттеджных посёлков, больниц, торговых центров.
• Промышленные ТЭЦ (мощность от 1 до 50 МВт) — для обеспечения электроэнергией и теплом промышленных предприятий, а также для продажи избытков в сеть.
• Крупные ТЭЦ (мощность свыше 50 МВт) — работают в составе систем централизованного теплоснабжения городов и крупных промышленных узлов.

Эффективность и экономические показатели

Основным показателем эффективности когенерационной установки является коэффициент использования топлива (КИТ), который представляет собой отношение суммы произведённой электрической и полезной тепловой энергии к энергии сожжённого топлива. Для современных когенерационных установок КИТ составляет 80–95 %, в то время как на раздельных конденсационных электростанциях КПД редко превышает 40–50 %, а в котельных — 85–92 %.

Экономическая выгода от когенерации складывается из нескольких факторов:

• Экономия топлива. Для производства одного и того же количества электроэнергии и тепла требуется на 20–40 % меньше топлива по сравнению с раздельной схемой.
• Снижение потерь в сетях. Когенерационные установки часто располагаются вблизи потребителя, что минимизирует потери при передаче электроэнергии (до 10–15 %) и тепла (до 5–10 %).
• Возможность продажи избытков. При наличии подключения к электросети избыточная электроэнергия может продаваться по «зелёным» тарифам или на оптовом рынке.
• Независимость от централизованного энергоснабжения. Для предприятий и объектов критической инфраструктуры это снижает риски отключений и роста тарифов.

Срок окупаемости когенерационных установок варьируется от 2 до 7 лет в зависимости от стоимости топлива, тарифов на электроэнергию и тепло, а также режима работы.

Применение

Когенерационные установки находят широкое применение в различных отраслях.

Промышленность

• Химическая, нефтехимическая и нефтеперерабатывающая промышленность — для обеспечения электроэнергией и паром технологических процессов.
• Целлюлозно-бумажная промышленность — утилизация древесных отходов и коры в паротурбинных установках.
• Металлургия — использование доменного и коксового газов.
• Пищевая промышленность — обеспечение теплом и электроэнергией производственных цехов.

Жилищно-коммунальное хозяйство

• Автономное теплоснабжение и электроснабжение жилых микрорайонов, коттеджных посёлков, гостиниц.
• Обеспечение энергией больниц, школ, спортивных комплексов, бассейнов.

Сельское хозяйство

• Использование биогаза от животноводческих комплексов и очистных сооружений.
• Энергоснабжение теплиц, зерносушилок, ферм.

Нефтегазовый сектор

• Утилизация попутного нефтяного газа на нефтепромыслах.
• Энергоснабжение буровых установок и компрессорных станций.

Экологические аспекты

Когенерация является одним из наиболее эффективных способов снижения выбросов парниковых газов и загрязняющих веществ. За счёт более полного сжигания топлива и снижения его расхода выбросы CO₂ на единицу полезной энергии сокращаются на 20–40 % по сравнению с раздельной схемой. Кроме того, при использовании газопоршневых двигателей и газовых турбин с современными системами каталитической очистки выбросы оксидов азота (NOx) и угарного газа (CO) могут быть снижены до минимальных значений.

Однако когенерационные установки, работающие на ископаемом топливе, всё же являются источником выбросов. Полностью безуглеродной когенерация становится при использовании биогаза, синтез-газа из биомассы или «зелёного» водорода.

Когенерация в России

В России когенерация имеет давнюю историю. Первые теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) были построены ещё в начале XX века. В советский период была создана мощная система централизованного теплоснабжения, основанная на крупных ТЭЦ. В настоящее время доля когенерации в производстве электроэнергии в России составляет около 30–35 %, что является одним из самых высоких показателей в мире. Однако значительная часть оборудования ТЭЦ морально и физически устарела, а его КПД ниже современных аналогов.

В последние десятилетия в России активно развивается рынок мини-ТЭЦ на базе газопоршневых установок. Стимулом для этого служат рост тарифов на электроэнергию, программы газификации регионов, а также требования к утилизации попутного нефтяного газа. Многие промышленные предприятия и муниципалитеты переходят на автономное энергоснабжение с использованием когенерации.

Тригенерация

Разновидностью когенерации является тригенерация — одновременное производство электрической, тепловой и холодильной энергии. В тригенерационных установках часть тепла используется для привода абсорбционных холодильных машин, которые производят холод (например, для кондиционирования воздуха или технологических нужд). Тригенерация особенно эффективна в регионах с жарким климатом и на объектах, где требуется круглогодичное охлаждение (супермаркеты, дата-центры, больницы).

Источники

1. Безруких П. П., Безруких П. П. (мл.) «Возобновляемая энергетика: стратегия, ресурсы, технологии». — М.: ВИЭСХ, 2005.
2. Сибикин Ю. Д., Сибикин М. Ю. «Энергосбережение и энергоэффективность в промышленности». — М.: Инфра-М, 2018.
3. Рекомендации по проектированию и эксплуатации когенерационных установок малой мощности. — М.: ОАО «ВНИПИэнергопром», 2012.
4. Анализ рынка мини-ТЭЦ в России. — М.: Агентство по прогнозированию балансов в электроэнергетике (АПБЭ), 2020.
5. Международное энергетическое агентство (IEA). «Combined Heat and Power: Evaluating the Benefits of Greater Global Investment». — Paris: IEA, 2008.