Аспекты использования мини-ТЭЦ в северных областях Украины

Введение. Двадцатый век был последним веком дешевой энергии. Сейчас общество требует новых достижений науки и техники, которые одновременно будут как экологичными, так и экономически целесообразными. Сейчас все больше ощущается нехватка энергетических ресурсов. Поэтому дальнейшее развитие энергетики будет направлено на уменьшение потерь и использования возобновляемых источников энергии.

Мини-Теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) - это станции, которые производят тепловую и электрическую энергию непосредственно в месте их использования. Это обеспечивает минимизацию потерь энергии. Мини-ТЭЦ могут работать как на традиционных видах топлива, так и на отходах деревообработки и сельского хозяйства, что позволяет уменьшить энергетическую зависимость страны от импортных энергоносителей. При правильном и объективном выборе типа и установленной мощности, мини-ТЭЦ способны удовлетворить потребности населения в энергии, используя отходы.

Анализ исследований.

В настоящее время, из-за недостатка энергоресурсов или в следствие аварийных режимов в определенных регионах не всегда удается сохранить баланс произведенной и потребленной электроэнергии, что может повлечь за собой отключения потребителей в пиковые часы нагрузки. Мини-ТЭЦ используя отходы местных деревообрабатывающих предприятий, уменьшают расходы на транспортировку, и обеспечивают энергетическую независимость нашего государства - Украины.

Об актуальности тематики свидетельствует и политика правительства Украины, которая поощряет инвесторов к реализации потенциала возобновляемой энергетики Украины.

Об этом сообщил Председатель Госэнергоэффективности Украины Сергей Савчук во время официальной церемонии открытия VI Международного инвестиционного бизнес-форума по энергоэффективности и возобновляемой энергетики (5 ноября 2014).

Так, по словам С. Савчука для преодоления нынешних вызовов энергетической независимости, которые стоят перед Украиной, Правительством разработан целый ряд нормативно-правовых актов, предусматривающих стимулирование замещения газа.

Разработан - Национальный план действий по возобновляемой энергетике до 2020 года, в котором предусматривается прирост производства энергии из альтернативных источников до 11% в общем энергобалансе.

Целью является технико-экономическое обоснование целесообразности строительства мини ТЭЦ в Репкинском районе Черниговской области.

Объектом исследования является интеграция мини ТЭЦ на твердом топливе, в существующие электрические сети.

Задачей исследования выступает анализ энергоресурсов Черниговской области, выбор места установки, типа и мощности мини-ТЭЦ; оценка изменения затрат мощности в элементах электрических сетей после установки мини-ТЭЦ; оценка изменения токов короткого замыкания после установки мини-ТЭЦ; экономическая оценка.

Изложение основного материала

Мини-ТЭЦ - это электростанции с комбинированным производством электроэнергии и тепла. Использование в практических целях отработавшего тепла силовых агрегатов электростанций, является отличительной чертой мини-ТЭЦ и носит название когенерация (теплофикация).

Главная особенность и преимущество мини-ТЭЦ в том, что они 152

размещаются в непосредственной близости к потребителям энергии. При таком расположении экономятся значительные средства из-за отсутствия передачи - транспортировки энергии. Близость мини-ТЭЦ к тепловым сетям также является важным финансовым фактором. Диапазон электрической мощности мини-ТЭЦ достаточно широк: от десятков кВт до десятков МВт.

В   мини-ТЭЦ  используются электросиловые агрегаты следующих типов:

• -    Газопоршневые мини-ТЭЦ (20 кВт - 6 МВт);

• -    Газотурбинные мини-ТЭЦ (от 6 МВт);

• -    Микротурбинные мини-ТЭЦ (до 500 кВт);

• -    ORC - установки (органический цикл Ренкина) (25-3000 кВт).

Среди всех возможных технологий, которые сегодня используются в работе мини-ТЭЦ, наиболее эффективной представляется технология ORC. В качестве источника тепловой энергии для ORC установки можно использовать термомасляную котельную. Термомасляная котельная - это теплогенерирующая система, которая использует в качестве теплоносителя минеральное или синтетическое масло, что позволяет при невысоком давлении в трубопроводах (около 6 бар) создавать рабочие температуры до 350 °С.

Использование нагретого масла в качестве теплоносителя для переноса тепловой энергии в различных технологических процессах в промышленности является более предпочтительным по сравнению с паром, так как позволяет получить высокие температуры при низких давлениях, удешевляет стоимость основного оборудования.

В качестве топлива в термомасляных котлах могут использоваться отходы деревообработки (опилки, стружка, щепа, кора), древесные пеллеты и гранулы, торф, отходы растениеводства (лузга гречихи, жмых и шелуха семян подсолнечника, лоза хмеля и винограда, коробочки льна, солома и т.д.) .

Отдельно хочется отметить важность автономной работы ORC ТЭЦ и котельных. Когда зимой из-за обледенения рвутся провода воздушных линий, то через потерю питания вспомогательного оборудования (насосы, дымососы, дутьевые вентиляторы), которое приводится в действие электроприводом, останавливаются котельные. Тогда без электроэнергии останутся все, в том числе потребители первой категории. Последствия при этом могут быть очень тяжелыми, примерами могут служить случаи подобных аварий в Альчевске 2008 г. В этой ситуации целесообразно придерживаться политики независимости котельных от внешних электросетей. Желательно, чтобы они могли бы самостоятельно производить необходимое для обеспечения своей работоспособности количество электроэнергии, используя, например, установки ORC .

В современных границах Черниговская область образована 15 октября 1932. По площади это одна из крупнейших областей Украины. Территория занимает 31,9 тыс. км2 (5,3% территории Украины).

Черниговская область находится в пределах полесской и лесостепной зон Приднепровской низменности. На севере области преобладают смешанные леса (68% территории области) и лишь на юге встречаются участки лесостепи.

Проанализировав имеющиеся топливные ресурсы можно сделать вывод, что именно они являются основным ограничивающим фактором при выборе мощности мини-ТЭЦ, поэтому выбор мощности мини-ТЭЦ целесообразно проводить исходя из имеющихся топливных ресурсов.

Наиболее эффективным будет размещение мини-ТЭЦ вблизи деревообрабатывающих предприятий, что позволяет уменьшить затраты на транспортировку сырья, и применять тепло для технологических нужд самих предприятий (обогрев, сушка древесины и т.п.). Проанализировав сеть деревообрабатывающих предприятий Репкинского района можно сказать, что строительство мини-ТЭЦ наиболее целесообразно в таких населенных пунктах как Добранка, Любеч, Репки.

Рисунок 1 – Место подключения мини-ТЭЦ в Репках

В поселке Репки функционирует котельная на природном газе, которая отапливает школу, больницу, жилые здания. Предлагается переоборудовать данную котельную в мини-ТЭЦ. При этом необходима проверка обеспечения пропускной способности кабельной линии 0.4 кВ от котельной до ЗТП-122, силового трансформатора, установленного на ЗТП-122, а также воздушной линии электропередач 10 кВ «Л-19 ПС РЕПКИ – ЗТП-675», по которой получает питание указанная ЗТП.

На (рисунок 1) показано место подключения мини-ТЭЦ к ЗТП-122 и линия 10 кВ «Л-19 ПС РЕПКИ – ЗТП-675».

На (рисунок 2) приведенный почасовой график нагрузки на стороне 10 кВ ПС 110/35/10 кВ "Добрянка", построенный на основе протокола нагрузки подстанции "Добрянка" в режимный день 20.12.2013 года.

s «а*

Рисунок 2 – Нагрузка на стороне 10 кВ ПС 110/35/10 Добрянка

В таблице 1 указан объем дров и отходов деревообработки (тирсы), которые вырабатывает государственное предприятие «Добрянський лесхоз» за 1 год.

Таблица 1 - Объем энергоресурсов ДП «Добрянський лесхоз»

Дрова, м3	м3	Отходы деревообработки,
9700	1000

Определим количество тепла, которое выделяют энергоресурсы при сжигании (1)

W пал = V ■ C                       (1)

где V - объем энергоресурсов,

C – теплотворность топливных ресурсов кВт ч/ м³. Для сосновых пород дерева С=1700 кВт ч/ м³, для дубовых пород дерева С=2100 кВт/ м³, для отходов деревообработки С=720 кВт ч/ м³.

Определим количество тепловой энергии которое выделяет имеющийся объем дров за один год по формуле (1):

WdpoB = 9700.1848 = 17925600кВт . час

Определим количество тепловой энергии, которое выделяет имеющийся объем отходов за один год по формуле (1):

W.  = 1000.720 = 720000кВт• час

дров

Определим, какое количество полезной тепловой смогут обеспечить топливные ресурсы за 1 год по формуле энергии

(2 )

Q = W . п

тепл + ел      пал котл где W' - общая тепловая энергия, которую выделяет топливо при сжигании,

П _котл — коэффициент полезного действия котла (для подавляющего большинства котлов, которые устанавливаются на современных мини-ТЭЦ п _котл =0,85).

Определим количество полезной тепловой энергии от сжигания дров за 1 год

Q_тепл = 17925600 . 0,85 = 15236760 кВт • час

Определим количество полезной тепловой энергии от сжигания отходов деревообработки за 1 год

Q_тепл = 720000 . 0,85 = 612000 кВт • час

Вычисляем количество электрической энергии, которое можно получить с помощью ОРЦ установки из полезной тепловой энергии за 1 год

Q ^ern 5 тепл ^П ОРЦ                        ^ )

где п _ОРЦ — коэффициент полезного действия ОРЦ установки (для подавляющего большинства современных ОРЦ установок п _ОРЦ =0,1).

По формуле (3)определим количество электрической энергии, которое можно получить от сжигания дров

Q_елект = 15236760 . 0,1 = 1523676 кВт ■ час

По формуле (3)определим количество электрической энергии, которое можно получить от сжигания отходов деревообработки

Q„ = 612000 . 0,1 = 61200 кВт ■ час .

Примем, что мини-ТЭЦ весь год будет работать в номинальном режиме без регулирования мощности.

Определим, какую электрическую мощность должна иметь мини ТЕЦ на дровах и на отходах, для обеспечения беспрерывной работы станции по формуле

P елект

Q елект Т

(4 )

где Т - количество часов в одном году, Т=8760 ч.

Электрическая мощность мини ТЕЦ на дровах будет составлять

P елект

= 173,93 кВт

Электрическая мощность мини ТЕЦ на отходах будет составлять

P елект

= 6,98 кВт

Следовательно, в данном случае целесообразно выбрать пеллетный котел марки «КОТэко Geyzer 500 кВт» и ОРЦ турбину компании " ИНФИНИТИ ТУРБАЙН – УКРАИНА" электрической мощностью 50 кВт. Это стандартная установка, которая содержит все необходимые устройства для производства электроэнергии: генератор, насос, конденсатор, компьютерную систему управления, защиту от ненормальных режимов, устройство автоматической синхронизации.

Для условий размещения мини-ТЭЦ в других населенных пунктах Репкинского района, а именно в Репках, Любече и Добрянке вблизи деревообрабатывающих предприятий были получены сопоставимые результаты расчетов. Поэтому, рассчитывая на собственную сырьевую базу, было предложено номинальную мощность мини-ТЭЦ для всех станций выбрать равной 50 кВт электрической и 400 кВт тепловой энергии. Учитывая относительно незначительную величину электрической мощности основное оборудование действующих электрических сетей, к которым планируется подключить мини-ТЭЦ, можно оставить без изменений.

Расчеты токов КЗ до и после подключения мини-ТЭЦ к рассматриваемому району электрической сети 10кВ показали, что параметры аварийных режимов в данном фрагменте электрической сети практически не меняются, что позволяет оставить без изменений параметры релейной защиты ЛЭП 10кВ ПС 110/35/10 кВ "Репки".

Проведенные расчеты показали, что при установке дополнительного источника энергии потери активной и реактивной мощности в ВЛ 10кВ значительно сокращаются.

Выводы. В данной работе обоснована целесообразность сооружения мини-ТЭЦ на твердом топливе для Репкинского района Черниговской области.

Проведен анализ энергетических ресурсов, который показал, что в области есть значительный ресурс отходов древесины, которые возможно использовать в качестве альтернативных видов топлива или как сырья для их производства. Прежде всего это лесосечные отходы, которые образуются при заготовке древесины и отходы деревообработки.

Рассмотренные варианты установки мини-ТЭЦ вблизи лесоперерабатывающих предприятий в Репках, Любече и Добрянке, что обеспечивает переход на местное топливо, но не приводит к истощению природных ресурсов в силу малой мощности электрической (50 кВт) и тепловой (400 кВт) энергии данных станций.

В случае применения котла на термическом масле параллельно можно получить еще базу для развития нового производства, которое в своем технологическом процессе использует температуру до +350°С, в частности: пищевая промышленность (пекарни, производство кофе, жиров), бумажное и картонное производство, деревообработка (производство ДСП и ДВП, сушка дерева), металлопромышленность (печи сушки и покраски), бетонная и строительная промышленность (сушка кирпичей), химическая промышленность (нагрев жидкостей, емкостей, автоклавы).

Мини-ТЭЦ такой мощности не приводят к значительным изменениям токов короткого замыкания, а следовательно коммутационные аппараты, параметры устройств РЗА и сечения проводов ЛЭП можно оставить без изменений.

http://chepurnyi.vk.vntu.edu.ua/file/0de8d4f086ee4631ca75982d4e1ebc7b.p df / (дата звернення 18.05.2014)

http://chepurnyi.vk.vntu.edu.ua/file/0de8d4f086ee4631ca75982d4e1ebc7b.p df / (дата звернення 19.05.2014)

Киев, 03041, Украина

Paliy Dmytro, MPH, Chernihiv National University of Technology, ul. Shevchenko, 95, Chernihiv, 14027, Ukraine.