В настоящее время наряду с применением электрогенерирующих устройств на базе газотурбинных установок и газопоршневых агрегатов в промышленной энергетике находят все большее применение турбогенераторные установки с паровыми турбинами малой мощности.
Рост цен на энергоносители заставил по-другому взглянуть на эффективность эксплуатации объектов малой энергетики – промышленно-отопительных котельных. Для получения 1 МВт тепловой энергии необходимо в зависимости от мощности котельной от 17 до 40 кВт×ч электроэнергии. При постоянном росте стоимости последней, данное обстоятельство заставляет задуматься о повышении эффективности работы котельных. Оптимальным решением вопроса является реализация комбинированной выработки тепловой и электрической энергии на котельных. Организация собственной электрогенерации для многих предприятий – не только эффективный, но подчас и жизненно необходимый способ обеспечения бесперебойной подачи электроэнергии и удовлетворения растущих потребностей в новых мощностях, кроме того это отличная возможность существенно снизить расходы на электричество.
Вот и на предприятии ОАО «Себряковский комбинат асбестоцементных изделий» (ОАО «СКАИ»), решили воплотить в жизнь строительство мини-ТЭЦ. На котельной установлены три паровых котла ДКВР-20-13, которые обеспечивают паром производство, и были установлены два котла ПТВМ-30М, которые работали только зимой и обеспечивали отопительную нагрузку предприятия. Эксплуатация паровых котлов велась на режимах с давлением 7-8 кгс/см2. На производство пар отпускался после редукционной установки (РУ) давлением не более 2 кгс/см2. Такие режимы паровых котлов в значительной мере ухудшали экономические показатели котельной, а включение водогрейных котлов в зимний отопительный период еще больше усугубляло эффективность топливоиспользования.
Руководством предприятия была поставлена задача, повысить эффективность работы котельной, путем снижения себестоимости отпускаемого тепла. Проанализировав всевозможные мероприятия, служба главного энергетика пришла к выводу, что данную задачу можно выполнить только путем строительства собственной мини-ТЭЦ.
Установка газотурбинных установок (ГТУ) потребовала бы серьезных капиталовложений. Установка газопоршневых агрегатов (ГПА) в значительной степени позволила бы снизить покупку электроэнергии из сети, однако не смогла бы обеспечить тепловую нагрузку котельной. Для покрытия тепловых нагрузок все равно потребовалось бы эксплуатировать паровые котлы. Да и анализ работы ГПА показал, что эксплуатационные затраты на обслуживание ГПА существенно отличаются в большую сторону в отличие от паровых турбин, поэтому строительство когенерационной установки в составе ГПА, также отпал сам собой.
Специалисты остановились на турбогенераторах с паровыми противодавленческими турбинами. Проанализировав все предлагаемые турбогенераторы, выбор был остановлен на турбогенераторах производства белорусского предприятия ООО «Промпривод» (г. Минск). В пользу данных турбин был сделан по следующим причинам:
При рассмотрении вопроса о выборе турбин, не последнюю роль сыграло ознакомление с работающим оборудованием. Специалисты ОАО «СКАИ» посетили предприятия в Республике Беларусь, где установлены и работают турбогенераторы, непосредственно увидели в работе оборудование и получили отзывы от эксплуатирующего персонала.
Турбогенераторы с паровыми турбинами, производимые в западных странах, в большей степени соответствуют современным требованиям. Они мобильны, имеют высокий к.п.д., оснащены современными САУ. Но их стоимость в несколько раз выше стоимости аналогичного оборудования, производимого в России. Стоимость 1 кВт установленной мощности достигает 1000 евро и более, без учета расходов на монтажные и пуско-наладочные работы.
Проанализировав все на сегодня, выпускаемые турбогенераторные установки, специалисты предприятия сделали выбор в пользу турбогенераторов, производимых в Республике Беларусь.
Конструктивно турбогенераторные установки выполнены в виде компактного блока 100% заводской готовности, состоящего из противодавленческой паровой турбины и электрического генератора, размещенных на общей раме (рис. 1).
Технические характеристики турбогенераторной установки электрической мощностью 315 кВт представлены в таблице 1.
Турбина выполнена на основе ступени давления с повторным подводом рабочего тела. Такое конструктивное исполнение позволяет реализовать на одном рабочем колесе принцип многоступенчатой турбины (от 3 до 5 ступеней) и позволяет эффективно использовать турбину на частичных (малорасходных) нагрузках более. Это подтверждается результатами испытаний ТГУ (рис. 2,3).
Взятие нагрузки паровой турбиной при противодавлении 0,28 МПа (абс.) уже возможно при расходе пара 2,0-2,5 т/ч, а при расходе пара 11 т/ч ТГУ уже будет нести нагрузку около 315 кВт.
Таблица 1. Технические характеристики ТГУ.
|
Наименование параметра |
Норма |
|
Максимальная электрическая мощность на клеммах генератора, кВт |
315 |
|
Рабочий диапазон давления пара на входе, МПа |
0,6-1,4 |
|
Рабочий диапазон температуры пара на входе, °C |
170-250 |
|
Рабочий диапазон давления пара на выходе, МПа |
0,12-0,6 |
|
Рабочий диапазон температуры пара на выходе, °C |
130-180 |
|
Частота вращения ротора паровой турбины, мин-1 |
3000 |
|
Габаритные размеры, мм, не более – длина – ширина – высота |
3500 1800 1235 |
Турбины могут работать как на насыщенном паре, так и на перегретом. Тепловая схема ТГУ представлена на рис. 4.
ТГУ работает следующим образом. Пар из котлоагрегата (1) по паропроводу подается на ТГУ (7). На паропроводе перед турбиной установлены: регулирующий клапан (3), стопорный клапан (4), паровое сито (5). После турбины пар подается на подогреватель сетевой воды (10). Конденсат пара конденсационными насосами (11) подается в деаэратор (12) и далее питательными насосами в котлоагрегат. Для отпуска пара потребителю (13) во время остановов ТГУ, предусмотрена байпасная линия с редукционной установкой (РУ) (14). Турбины могут изготавливаться на противодавление от 1,2 кг/см2 (абс.) до 6 кг/см2 (абс.). Турбина оборудована системой концевых уплотнений 6, установленных на выходе вала из цилиндра.
В отличие от классических турбин, в которых применяются подшипники скольжения с громоздкой и пожароопасной системой смазки, в турбине применены подшипниковые узлы с подшипниками качения. Это значительно упростило систему смазки и ее обслуживание.
ТГУ комплектуются генераторами асинхронного типа (8) с рабочим напряжением 400 В. Это позволяет значительно упростить схему подключения и снизить стоимость установки. Асинхронный генератор, в отличии от синхронного, не требует специальных систем синхронизации при включении в сеть. Синхронизация осуществляется автоматически самой сетью.
Турбогенераторная установка оснащена системами управления, контроля и технологических защит, сигнализации и отображения технологических параметров. Данная система обеспечивает автоматическое управление установкой практически во всем диапазоне работы. Система поддерживает стабильное давление пара на выходе из турбины, регулирует подачу пара, обеспечивая наиболее оптимальный режим ее работы. Предусмотрена возможность управления ТГУ как в полностью автоматическом, так и в ручном режимах.
Система контроля и технологических защит обеспечивает останов установки с закрытием стопорного и регулирующего клапанов при:
Система сигнализации и отображения технологических параметров обеспечивает аварийную звуковую и световую сигнализацию при срабатывании аварийных защит. На щите управления ТГУ (рис.5.) отображаются основные технологические параметры работы установки – текущие параметры безопасности (температура, вибрация подшипников турбины, частота вращения ротора), положение и состояние органов управления паровой турбины и генератора, текущие технологические параметры установки – параметры и расход пара, текущее значение мощности.
Коммутация генератора с внешней электрической сетью осуществляется с использованием аппаратуры, установленной в шкафу генераторного выключателя. Для учета количества вырабатываемой электроэнергии установлен трехфазный электросчетчик активной энергии (подключение к шинам генератора через трансформаторы тока).
На турбинах, установленных на ОАО «СКАИ», разработаны и смонтированы паровые эжекторы для утилизации паровоздушной смеси из концевых уплотнений и подачи ее в деаэратор.
Габариты турбины очень компактны. Общий вес составляет не более 4 т. ТГУ оборудована достаточными защитами, для безопасной работы. Турбина очень проста в эксплуатации. Пуск в работу турбины из холодного состояния осуществляется в течение получаса.
Для еще более эффективной работы мини-ТЭЦ в зимнее время было принято решение заменить на котельной энергоемкий малоэффективный водогрейный котел ПТВМ-30М, который в зимнее время работал всего на 30% своей мощности. Перерасход газа на паровые водоподогреватели в год составлял более 190 тыс. м3. Замена позволила увеличить выработку электроэнергии, производя отопление цехов через паровые водоподогреватели.
Реконструкция котельной продлилась меньше года. В марте 2011 г. был заключен договор на поставку оборудования, а в декабре мини-ТЭЦ дала первые киловатты. Вырабатываемая мини-ТЭЦ электроэнергия полностью покрыла потребность котельной в электроэнергии. При этом себестоимость вырабатываемой 1 Гкал тепловой энергии уменьшалась на 12%. За три года работы мини-ТЭЦ выработала 10 800 000 кВт×ч электроэнергии. Срок окупаемости проекта при всех расходах составил менее двух лет.
В нашей стране много производственных котельных, использующих пар на производство и отопление, где можно применять данное оборудования, изучив предварительно требования технологических процессов производства. Замена также малоэффективного устаревшего энергетического оборудования на установки с использованием технологии когенерации значительно сократит затраты на выработку тепловой энергии и позволит более эффективно использовать энергоресурсы страны.