Scientific journal
Modern problems of science and education
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,931

OPPORTUNITIES AND PERSPECTIVES OF INCREASING EFFICIENCY OF HEAT AND ELECTRICAL POWER ENGINEERING IN HOUSING AND COMMUNAL SERVICES

Ukhanov D.M. 1 Zvolinskiy V.P. 2 Polovykh S.O. 1 Yurchenko S.I. 3 Darda I.V. 3
1 Peoples’ Friendship University of Russia
2 MATI — Russian State Technological University
3 Academy MNEPU
В статье дан анализ экологических аспектов повышения энергоэффективности и снижения выбросов от парогазотурбинных электростанций ЖКХ. В качестве примера была выбрана ТЭС «Терешково» в районе Солнцево Новой Москвы, при строительстве которой была применена передовая технология, совмещающая газотурбинные установки, котлы-утилизаторы и паровую турбину для производства энергии и тепла. Внедрение данной технологии позволяет сократить потребление ископаемого топлива за счет высокого КПД. Согласно расчетам, применение парогазотурбинной установки приводит к значительному сокращению выбросов СО2, загрязняющих веществ (оксиды азота, бенз(а)пирена, монооксида углерода) и полностью исключает загрязнение оксидом серы, сажей и золой. Парогазотурбинные электростанции являются наиболее экономически и экологически привлекательными технологиями для электро- и теплоснабжения.
The paper analyzes the environmental aspects of energy efficiency and reduction of emissions from combined steam and gas power plant of housing communal services. As an example, has been chosen thermal power plant "Tereshkovo" in the new Moscow, with the construction of which was applied advanced technology that combines gas turbine plants, waste heat boilers and a steam turbine to generate power and heat. Introduction of this technology allows to reduce fossil fuel consumption due to high efficiency. According to calculations usage of combined steam and gas power plant installation leads to a significant reduction in CO2 emissions, pollutants (nitrogen oxides, benzopyrene, carbon monoxide) and eliminates pollution of sulfur dioxide, soot and ash. Combined cycle gas turbine heat power plants are the most economically and environmentally attractable technologies for electricity and heat supply.
combined steam and gas power plant
reduction of emissions
housing communal services
energy efficiency
heat and electrical power engineering

Энергетика — основа развития сырьевых отраслей, сельского хозяйства, тяжелой и легкой промышленности, ЖКХ и экономики в целом. В развитых странах энергетика опережает по темпам развития другие отрасли. Однако энергетика – один из источников негативного воздействия на окружающую среду. Половина всего объема выбросов и техногенных отходов приходится на долю топливно-энергетического комплекса. Повышение энергоэффективности производства позволит сократить выбросы загрязняющих веществ (ЗВ), улучшить экологическую обстановку и обеспечить энергетическую безопасность и конкурентоспособность национальных экономик.

Россия занимает третье место в мире по объёму энергопотребления среди стран – крупнейших потребителей энергии (после США и Китая). Одна из причин высокой энергоёмкости экономики России заключается в том, что значительная часть территории страны находится в холодных климатических поясах. Вторая причина низкой энергоэффективности промышленности и экономики страны заключается в технологическом отставании. Снижение энергоёмкости в России позволит сэкономить 45 % потребляемой энергии и снизить выбросы СО2 в 2 раза. Инвестиции в энергоэффективность экономики дадут возможность снизить энергоёмкость производства, удовлетворить растущий спрос на энергоресурсы и в 3 раза уменьшить капиталовложения, необходимые для строительства новых генерирующих мощностей.

В настоящее время проблема обеспечения электрической и тепловой энергией в Московском регионе стоит достаточно остро: строятся новые дома и районы, которые необходимо снабжать теплом и электричеством. Для решения этих задач 25.05.2006 г. Правительство Москвы совместно с РАО ЕЭС России приняло «Программу первоочередных мероприятий по строительству и реконструкции электроэнергетических объектов в Москве», согласно которой в Московской энергосистеме за период с 2006 по 2010 гг. планировалось ввести в эксплуатацию свыше 5800 МВт электрической и 4785 Гкал/ч тепловой мощности. Основными источниками электроэнергии стали газотурбинные электростанции. Данные объекты построены частными компаниями, и право на строительство определялось по результатам конкурса в зависимости от эффективности технологии и удовлетворения техническим требованиям.

Один из построенных энергетических объектов (2005-2011 гг.) – ГТЭС в коммунальной зоне Терешково района Солнцево – типичного спального района города с населением 85 900 человек. При строительстве объекта была применена передовая технология, совмещающая газотурбинные установки (ГТУ), котлы-утилизаторы (КУ) и паровую турбину для производства электроэнергии и тепла с высоким КПД – 50-52%, что находится на уровне мировых достижений в данной отрасли. Для таких теплоэлектростанций применяется термин – парогазотурбинная электростанция (ПГТЭС).

ПГТЭС «Терешково» установленной мощностью 186,7 МВТ и 150 Гкал/ч имеет следующую схему: три газотурбинные установки (ГТУ), три паровых котла-утилизатора (КУ) и одна паротурбинная установка (ПТУ). Данная электростанция оснащена байпасными (обводными) дымовыми трубами на выхлопе газовых турбин, обеспечивающая (при необходимости) возможность работы турбин по открытому циклу. Схема ПГТЭС «Терешково» представлена на рисунке 1.

Рисунок 1. Схема ПГТЭС «Терешково»

Цель данной работы заключалась в анализе экологических аспектов повышения энергоэффективности и снижения выбросов от парогазовых газотурбинных электростанций на примере Московского региона. Внедрение технологии, которая намного превышает средний КПД типовых российских ТЭЦ (порядка 30 %), приводит к значительной экономии ископаемого топлива (природного газа) и к уменьшению выбросов ЗВ в атмосферу, а также к уменьшению выбросов парниковых газов, в частности, диоксида углерода.

Если бы проект не осуществлялся, требуемая тепловая энергия для района поставлялась бы с близлежащих районных тепловых станций (РТС), а электроэнергия – из общей электрической сети. Если сравнивать две ситуации: с проектом (проектный сценарий) и без проекта (исходные условия), то можно оценить положительный эффект от внедрения новой технологии.

Для расчета выбросов вредных веществ при сжигании газа в качестве модели используются параметры водогрейного котла марки ПТВМ-60 (КВ-ГМ-69,8-150), оснащенного газомазутными горелками (производство ОАО «Дорогобужкотломаш»). Котлооагрегаты марки ПТВМ являются типичным оборудованием для современного теплоэнергетического хозяйства г. Москвы. Расчет проводился по Методике определения валовых выбросов ЗВ в атмосферу от котельных установок ТЭС [2].

Исходные условия по электроснабжению предусматривают импорт из общей электрической сети. Согласно [1], процентное соотношение в использовании различных видов топлива в России следующее: 68,1% – природный газ, 25,3% – уголь, 6,6% – мазут. Исходя из этого были рассчитаны выбросы ЗВ при производстве электроэнергии.

В таблице 1. приведены результаты расчетов относительных сокращений выбросов ЗВ в результате применения парогазовой газотурбинной технологии.

Таблица 1. Относительные сокращения выбросов ЗВ в результате применения парогазовой газотурбинной технологии.

Загрязнители

Выбросы ЗВ при исходных условиях**, тонн

Выбросы ЗВ в результате проектной деятельности*, тонн

Сокращения выбросов ЗВ, тонн

Относительные сокращения выбросов ЗВ,%

NOx

3524,8

2408,9

1115,9

68

CO

5689,8

327,3

5362,5

6

Бенз(а)пирен

0,00144

0,0004

0,00104

27

SO2

25884,4

0

25884,4

100

Зола

24552,6

0

24552,6

100

Сажа

5601,7

0

5601,7

100

* под проектной деятельностью подразумевается строительство ПГТЭС, вырабатывающей электрическую и тепловую энергию.

** под исходными условиями подразумевается поставка эквивалентного проектному количеству электроэнергии из общей сети и тепловой энергии от соседних РТС.

Расчеты показывают, что применение парогазотурбинной установки приводит к значительному уменьшению выбросов таких загрязняющих веществ, как оксиды азота, бенз(а)пирен, монооксид углерода. Кроме того, использование данной установки, работающей только на природном газе, позволяет полностью исключить загрязнение такими веществами, как оксид серы, сажа и зола, которые обычно образуются при сжигании мазута или угля, так как природный газ перед подачей в трубопровод очищается от примесей и на 95% состоит из метана.

Предлагаемая технология приводит к значительным сокращениям выбросов парникового газа - диоксида углерода, что было принято во внимание при принятии решения о применении парогазотурбинной технологии и позволяет получить дополнительное финансирование за счет продажи единиц сокращенных выбросов. При расчете сокращений выбросов парникового газа использовалась собственная методология, разработанная на основе [3].

Для расчета сокращений рассчитывались выбросы СO2, образующегося в результате работы ПГТЭС «Терешково», и выбросы при работе соседних РТС для выработки тепла и электростанций общей сети для производства электроэнергии (исходные условия).

Проектные выбросы рассчитывались по следующей формуле:

PE=PEГТУ + PEКУ,

где: PE - проектные выбросы, тонн СO2 /год; PEГТУ - проектные выбросы от работы газотурбинных установок, тонн СO2/год; PEКУ - проектные выбросы от работы котлов-утилизаторов, тонн СO2/год.

Проектные выбросы от работы газотурбинных установок (PEГТУ) рассчитываются:

PEГТУ =FCГТУ * EFПГ,

где: FCГТУ - потребление топлива ГТУ, ТДж/год; EFпг - коэффициент выбросов для природного газа [1], тонн СO2 /ТДж.

Потребление топлива газотурбинной установкой (FCГТУ) рассчитывается по формуле:

FCГТУ = EGГТУ,пр.*3,6/ηпр.,

где: EGГТУ,пр. - выработка электроэнергии ГТУ по проекту, ГВт/ч; ηпр. - усредненный электрический коэффициент полезного действия ГТУ за год по проекту; 3,6 - коэффициент перевода ГВт в ТДж.

Выбросы в результате дожига в котлах-утилизаторах PEку рассчитываются по формуле:

PEКУ = FCКУ * NCV * EFПГ,

где: FCКУ - расход газа на дожигание  в КУ, тонн; NCV - низшая теплота сгорания природного газа, ТДж/тонну; EFПГ - коэффициент выбросов для природного газа, тонн СO2 /ТДж.

Выбросы для исходных условий (BE) рассчитываются по формуле:

BE = BEРТС + BEсеть,

где: BEРТС - выбросы при производстве тепла соседними РТС, тонн СO2/год; BEсеть -  выбросы при производстве электроэнергии станциями общей сети, тонн СO2/год.

Выбросы при производстве тепла районными тепловыми станциями рассчитываются по формуле:

BEРТС = HCнетто,ПГТЭС* EFПГ,

где: HCнетто,ПГТЭС - полезный отпуск тепла ПГТЭС, ТДж/год; EFПГ - коэффициент выбросов для природного газа [5], тонн СO2 /ТДж.

Выбросы при выработке электроэнергии станциями общей сети (BEсеть) рассчитываются по формуле:

BEсеть = EGнетто,сеть*EFCO2,сеть,

где: EGнетто,сеть - общий полезный отпуск электроэнергии по проекту в год, ГВт/ч; EFCO2,сеть - коэффициент выбросов для объединенной энергосистемы России, тонн СO2/МВтч [4].

Разница между выбросами для исходных условий и по проекту дает сокращение выбросов парниковых газов, что описывается формулой:

ER = BE - PE,

где: ER - сокращения выбросов парниковых газов, тонн СО2/год; BE - выбросы для исходных условий, тонн СО2/год; PE - выбросы по проекту, тонн СО2/год.

Результаты расчетов сокращений выбросов СО2 представлены в таблице 2.

Таблица 2. Результаты расчетов сокращений выбросов СО2 от проектной деятельности ПГТЭС «Терешково».

Парниковый газ

Выбросы СО2 в результате осуществления проекта*, тонн СО2

Выбросы СО2 для исходных условий, тонн СО2

Сокращения выбросов СО2 от проектной деятельности

Относительные сокращения выбросов СО2,%

СО2

1690400

2317873

627472

73

* под проектной деятельностью подразумевается строительство ПГТЭС, вырабатывающей электрическую и тепловую энергию.

** под исходными условиями подразумевается поставка эквивалентного проектному количества электроэнергии из общей сети и тепловой энергии от соседних РТС.

Выводы

  1. Применение парогазотурбинной технологии для выработки электрической и тепловой энергии приводит к значительному сокращению выбросов диоксида углерода, что будет способствовать уменьшению парникового эффекта.
  2. Широкое использование таких установок в системе ЖКХ позволит сэкономить топливо по сравнению с лучшими из работающих ТЭС на 25-30%.
  3. Внедрение подобных теплоэлектростанций увеличит выработку электроэнергии в 2 раза по сравнению с классической паротурбинной ТЭЦ.
  4. Предлагаемый подход обеспечит сбережение водных ресурсов и уменьшит тепловые выбросы с охлаждающей водой конденсаторов и уходящими газами котлов.
  5. Высокая маневренность ПГТЭС позволит облегчить проблему покрытия переменной части графика электрической нагрузки.

Рецензенты:

Дмитренко В.П., д.т.н., профессор, член-корреспондент РАЕН, заведующий кафедрой промышленной экологии и безопасности производства «МАТИ-РГТУ им. К.Э. Циолковского, г. Москва.

Голубев В.С., д.г-м.н., профессор, член-корреспондент РАЕН, главный научный сотрудник Института системного анализа РАН, директор Института глобальных проблем энергоэффективности и экологии, г. Москва.