Пережог природного газа блокирует… «холодильник»

Современные системы комбинированного производства энергопотоков в качестве своей основной части оснащены двигателями внутреннего сгорания. В летний период из-за повышения температуры окружающей среды в их работе достаточно часто отмечается падение мощности и снижение коэффициента полезного действия. Практический опыт показывает, насколько эта проблема актуальна как для газотурбинных установок, так и поршневых газовых двигателей.

Пути решения задачи по повышению эффективности когенерационных и парогазовых установок в летнее время  предлагают белорусские ученые – доктор технических наук, профессор Белорусского национального технического университета В.Н. Романюк и специалисты ЗАО «Системы тепло и хладоснабжения» С.В. Мальков и Н.С. Линюк-Смирнов.

Повышение эффективности двигателей внутреннего сгорания (ДВС) в летнее время, когда из-за повышения температуры окружающей среды (ОС) отмечается падение мощности и КПД, актуально как газотурбинных установок (ГТУ), так поршневых газовых двигателей. Однако есть возможность использования избытка тепловой энергии, имеющего место в неотопительный период, в абсорбционных холодильных машинах (АХМ) для сохранения температур воздуха, используемого ДВС, и, в итоге, стабилизации их мощности и КПД, что, по расчетам, обеспечивает весомую экономию топлива при сохранении требуемой экономической целесообразности решений.

ДВС все более широко внедряются в энергетике для блокирования потерь эксергии (часть энергии, равная максимальной полезной работе) на горячем торце многих теплоэнергетических и теплотехнологических установок. Одной из слабых сторон ДВС является сильная зависимость мощности и КПД от температуры ОС. Например, при повышении температуры окружающей среды мощность газотурбинных установок падает на величину до 14-25 %, КПД снижается на 2-5 %, изменяются температура и объем выхлопных газов. Так, на Белорусском цементном заводе в летний период мощность ГТУ падает с номинальных 16 до »11 МВт, КПД - с 32 до 28 %.

Статистика по средней продолжительности стояния температур воздуха различных градаций по данным архивов метеорологических станций Беларуси, в которых характеристики приведены с интервалом 3 часа, констатирует, что за год в течение 2 тыс. часов температура окружающего воздуха превышает значение 15 ˚С. Эта величина температуры является пороговой, для которой определены номинальные характеристики. В этой связи, работа ГТУ в летний период сопровождается пережогом природного газа (ПГ) и тепловые электростанции, использующие парогазовую технологию, на которую в ближайшее перспективе необходимо перевести все централизованные мощности, понесут большие потери.

Уже сегодня для введенных в стране ГТУ годовой пережог топлива, связанный с повышением температуры окружающей среды выше 15 °С и, необходимым, в этой связи, увеличением генерации на Лукомльской ГРЭС, оценивается не менее 25 тыс. т у. т.

Для блокирования негативных последствий увеличения температуры окружающей среды и стабилизации энергетических характеристик ГТУ все более широкое понимание находит необходимость охлаждения воздуха перед подачей его в компрессор газотурбинного двигателя. Наиболее очевидным решением данной задачи является использование абсорбционных холодильных машинах для получения необходимых потоков холода. В отопительный период, когда температура окружающей среды опускается ниже упомянутых 15 ˚С, в большинстве случаев производители ГТУ по ряду причин предусматривают подогрев воздуха до 15 ˚С.

В контексте такого решения вытекает возможность стабилизации характеристик ГТУ и в неотопительный период, для чего в те же калориферы, что предусмотрены в составе комплексного воздухоочистительного устройства (КВОУ) для подогрева всасываемого для ГТУ потока воздуха, рассчитанные и модифицированные под требуемые параметры летнего периода, когда в них для охлаждения потока воздуха подается вода с температурой 7 ˚С. Подобное решение применяется Siemens на объектах, расположенных от широты Канады и ниже, в том числе и в проектируемой установке для энергосистемы Москвы.

В этом случае, как уже отмечалось, теплообменник «вода-воздух», устанавливаемый в комплексное воздухоочистительное устройство (КВОУ) для подогрева всасываемого потока в зимний период рассчитывается также и на охлаждение воздуха в летний период. В сезон отрицательных температур КВОУ нагревает всасываемый компрессором воздух, в неотопительный период воздух в КВОУ охлаждается. В обоих случаях используется водяной теплоноситель без необходимости применения этиленгликоля, поскольку калориферы работают непрерывно в течение года. Зимой в них подается вода соответствующей температуры, летом - захоложенная вода с температурой 7 °С.

Захоложенная вода получается с помощью бромисто-литиевых абсорбционных холодильных машин (АХМ), для привода которых используется дешевая низкопотенциальная тепловая энергия. Например, промышленного отбора ТЭЦ, как правило, недогруженного в неотопительный период, или последней ступени утилизации выхлопных газов ГТУ, в которой нагревается, чаще всего, конденсат до температуры выше требуемой для привода АХМ, но не ниже 80 °С.

Не представляет проблем получение подобных тепловых потоков и на КЭС, и на промышленных предприятиях, например на ПРУП «Белорусский цементный завод» или на ОАО «Красносельскстройматериалы», где установлены или планируются к внедрению когенерационные технологические комплексы мощностью до 32 МВт. Соответствующие КВОУ выпускаются рядом фирм, а само решение апробировано ведущими производителями ГТУ.

Очевидна целесообразность рассмотрения применения подобного повышения эффективности использования ГТУ и на централизованных ТЭС для комплексного решения важнейшей задачи перехода на парогазовую или газовую технологии генерации электроэнергии, реализация которого продиктована сложившимися условиями.

Аналогичная решение пригодно и для когенерационных систем на базе поршневых ДВС, когда рабочая смесь недоохлаждается в низкотемпературных ступенях охлаждения, поскольку последние рассчитаны на работу при температурах до 28°С.

Интегральный годовой системный пережог природного газа (ПГ), в многочисленных распределенных когенерационных системах, совокупная мощность которых превысила 0,5 ГВт, используя опыт эксплуатации одной их мини-ТЭЦ Беларуси, оценивается величиной до 10 тыс. т у. т.