Применение мини-ТЭЦ в электроснабжении предприятия

МИНОБРНАУКИ РОССИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Тверской государственный технический университет»
(ТвГТУ)

Кафедра электроснабжения и электротехники




КУРСОВАЯ РАБОТА
по дисциплине «Электрификация промышленных предприятий»
тема: Применение мини-ТЭЦ в электроснабжении предприятия.







     Выполнил: Васильева Е.
     Принял: Кузнецов А.В.
     



Тверь, 2017
     
Оглавление
     Введение.	3
     1.	Описание мини-ТЭЦ.	5
     2.	Алгоритм выбора мини-ТЭЦ.	8
     Список литературы.	15
     

     


Введение.
     В последнее время все более очевидны преимущества и перспективы применения поршневых газовых двигателей внутреннего сгорания для комбинированной выработки электрической и тепловой энергии. Актуальность этого направления обусловлена происходящими в Российской Федерации процессами: либерализации энергетического рынка, высокими затратами на подключение и кризиса в эксплуатации крупных систем централизованного энергоснабжения. Кроме того, анализ рынка потребителей электрической и тепловой энергии выявил, что около 30% потребителей не нуждаются в десятках и сотнях мегаватт мощности, и, следовательно, не нуждаются в обязательном централизованном энергоснабжении, общие потери которого при транспортировке по сетям до потребителя составляют до 25-30%. В этих условиях реальным путем повышения эффективности энергетического производства является развитие локальных автономных децентрализованных источников комбинированного производства электроэнергии и тепла на базе газопоршневых двигателей, неоспоримыми преимуществами которых являются высокий КПД, полная независимость от региональных энергосетей, а, следовательно, и от роста тарифов, надежность, отсутствие затрат на строительство подводящих и распределительных сетей.
     В основе работы газопоршневых двигателей лежит принцип действия двигателя внутреннего сгорания. ДВС – это тип двигателя, тепловая машина, в которой химическая энергия топлива, сгорающего в рабочей зоне, преобразуется в механическую работу.
      Введение в действие мини-теплоэлектростанции состоящей из четырех газопоршневыхэлектроагрегатов Г98М, изготовленных на нижегородском заводе «РУМО». Кабельные линии от генераторов заведены через вакуумные выключатели на РП-1 секцию 1 и 2. Управление генераторами СГСБ-900 двигателей Г98М осуществляется шкафами УВГС 400. Реактивная мощность регулируется регулятором возбуждения генератора с помощью блока автоматического регулирования возбуждения. Уровень выработки электроэнергии установками и экспорт – импорт мощности осуществляется при помощи контроллеров EGS-200. Контроллеры подключены к каждому генератору, двум вводам от ПС 35/10 и секционному выключателю РП-1 и образуют единую систему потребления и генерации. Данная система позволяет управлять потоками мощности без участия операторов и повысить эффективность работы станции. Защита генераторов выполнена при помощи Sepam 80 - Микропроцессорное устройство релейной защиты, установленных на вводных ячейках генераторов РП-1. Количество генерируемой электроэнергии перекрывает необходимые затраты предприятия до 90%, что позволяет значительно сократить расходы по оплате тарифов, в особенности в часы пиковых нагрузок. Себестоимость генерируемой электроэнергии даже с учетом всех затрат не менее чем в два раза ниже приобретенной на рынке гарантирующих поставщиков. Эти факторы в значительной степени сказываются на затратах предприятия, а, следовательно, на себестоимости конечной продукции и конкурентоспособности комбината.
     Распределенная энергетика плюсы.
     Для потребителей: 
* снижение затрат на энергообеспечение;
* утилизация отходов производства;
* когенерация и тригенерация; 
* повышение надежности энергообеспечения; 
* самостоятельное управление генерацией и планирование развития производства.
     Для энергосистемы:
* снижение нагрузки на сети;
* снижение объемов необходимых резервов;
* снижение потерь электроэнергии;
* помощь в аварийных ситуациях;
* отсрочка или ликвидация необходимости вводов большой генерации и сетей.
     Для экономики:
* использование местных видов топлива – оптимизация топливного баланса; 
* снижение выбросов загрязняющих веществ; 
* перенос затрат на развитие генерации со всех на тех, кому она нужна; 
* повышение надежности функционирования электроэнергетики.
1. Описание мини-ТЭЦ.
     Мини-ТЭЦ(ТЭС) – компактная энергетическая установка на базе поршневого двигателя внутреннего сгорания, работающая на природном газе и вырабатывающая одновременно тепловую и электрическую энергию.
     Мини-ТЭЦ предназначены для комбинированного производства электрической энергии переменного тока и тепловой энергии в виде горячей воды или пара.
     Использование этого оборудования позволяет потребителю стать независимым от перебоев электроэнергии или ее нехватки, одновременно получая автономное теплообеспечение. С учетом тенденции ежегодного роста стоимости электрической энергии применение когенератора дает значительный экономический эффект.
     Мини-ТЭЦ может располагаться вне здания или внутри, за счёт чего имеет несколько вариантов исполнения: базовое, открытое (без кожуха шумоглушения), в кожухе или в контейнере.
     Мини-ТЭЦ возможно устанавливать на любых новых строящихся объектах: промышленных производствах, торговых комплексах, офисных центрах, жилых микрорайонах и коттеджных посёлках.
     В настоящее время нашли широкое применение в зарубежной и отечественной теплоэнергетике следующие установки: противодавленческие паровые турбины, конденсационные паровые турбины с отбором пара, газотурбинные установки с водяной или паровой утилизацией тепловой энергии, газопоршневые, газодизельные и дизельные агрегаты с утилизацией тепловой энергии различных систем этих агрегатов.
     Виды используемого топлива: 
1. газ: природный газ магистральный, природный газ сжиженный и другие горючие газы;
2. жидкое топливо: нефть, мазут, дизельное топливо, биодизель и другие горючие жидкости;
3. твердое топливо: уголь, древесина, торф и прочие разновидности биотоплива.
     Наиболее эффективным и недорогим топливом в России является магистральный природный газ.
     
     Рис. 1 – Принципиальная схема мини-ТЭЦ.
     Мини-ТЭЦ (ТЭС) состоит из следующих узлов:
     * газовый двигатель
     * электрогенератор
     * система теплообменников
     * система принудительного охлаждения
     * система отвода газов
     * распределительный щит
     * система автоматики и контроля являются неотъемлемыми частями газопоршневой мини-ТЭЦ и обеспечивают её надёжную работу.
     Главными модулями установки являются газопоршневой двигатель, вращающий вал генератора, и электрогенератор, преобразующий механическую энергию в электрическую.
     Система теплообменников осуществляет отведение тепла, выделяющегося при работе ДВС в систему отопления или горячего водоснабжения.
     Система принудительного охлаждения, представляющая собой радиатор, отводит излишки тепла в атмосферу.
     Система отвода отходящих газов с глушителем выводит в атмосферу переработанный установкой газ.
     Распределительное устройство и система управления и контроля, как правило, располагаются в диспетчерских помещениях.
     Индикаторы, расположенные на дверцах распределительных устройств сигнализируют о состоянии энергоцентра.
     На экране компьютера выведены принципиальная схема работы, и все параметры работы мини-ТЭЦ в режиме реального времени.
     Так как работа установки полностью автоматизирована, постоянного нахождения оператора на рабочем месте не требуется. При необходимости, мониторинг работы мини-ТЭЦ можно отслеживать удалённо через сеть интернет.
     При подключении абсорбционной установки холодоснабжения можно тепловую энергию использовать для кондиционирования (тригенерация).
     Еще одним фактором, выступающим в пользу автономных ТЭЦ, является их экологическая безопасность. Подобные установки имеют низкий уровень вредных выбросов (СО и NOx) в атмосферу и соответствует нормам по выбросам. При необходимости уровень выбросов NOx можно снизить в два раза регулировкой двигателя (за счет незначительного снижения КПД порядка 1-2 %), уровень выбросов СО можно снизить установкой в систему выхлопа дополнительных окислительных катализаторов.
     И, наконец, использование когенерационных установок экономически выгодно, т.к. нет необходимости в строительстве подводящих кабельных линий электроснабжения и тепловых сетей, а в совокупности выработка электрической и тепловой энергии экономит до 40% средств инвестора. Доход (или экономия) от реализации тепловой и электрической энергии покрывает все расходы на установку мини-ТЭЦ. Окупаемость капитальных вложений на когенераторы происходит быстрее окупаемости средств, затраченных на подключение к тепловым сетям, обеспечивается тем самым быстрый и устойчивый возврат инвестиций.
2. Алгоритм выбора мини-ТЭЦ.
     Недавняя политика стимулирования роста энергопотребления (если есть резервы производства товара – надо их реализовать и продать) имеет и свою оборотную сторону. Резко увеличилось нерациональное использование электроэнергии для прямой трансформации в тепловую – электрокотлы, воздушные завесы, электрокалориферы систем вентиляции. Вернуться в русло энергосбережения будет весьма непросто.
     Сложность новой задачи состоит в том, что на самой ранней стадии проектирования необходимо все основные характеристики МИНИ-ТЭЦ гармонизировать с режимами работы систем энергопотребления.
     Специфика задачи состоит еще и в том, что необходим качественно новый подход к проектированию, предполагающий:
     – анализ режимов работы всех инженерных систем в расчетные периоды, число которых может быть 8–24 и даже более;
     – построение и анализ суточных, недельных, сезонных и годовых графиков изменения нагрузок;
     – многовариантный анализ комбинации подвидов инженерных систем;
     – выявление технико-экономических критериев оптимизации комплекса энергоисточники – энергопотребители, которые в зависимости от исходных условий для разных объектов могут быть различными;
     – функциональная координация большого числа разделов проекта в условиях многовариантного анализа.
     Во многих случаях проектирования и реализации МИНИ-ТЭЦ допускаются принципиальные ошибки:
     – проектирование ведется по заданным нагрузкам установочной мощности электроприемников и теплопотребителей, что приводит к завышению номинальной мощности МИНИ-ТЭЦ на 20–50 %;
     – заказчики, при наличии технической возможности параллельной работы МИНИ-ТЭЦ и ЕЭС, отказываются от комбинированной схемы в пользу автономной;
     – не рассматриваются возможности использования дополнительных мер по энергосбережению и выравниванию неравномерности энергопотребления на объектах;
     – оценка экономической эффективности применения МИНИ-ТЭЦ проводится либо по устаревшей модели «приведенных затрат», либо по «удельным рекламным» показателям фирм – поставщиков оборудования.
     1. Определение энергетических нагрузок объекта.
     На этом этапе выполняется анализ характеристик всех отдельных энергопотребителей объекта, и определяются следующие электрические характеристики:
     Nуст – установленная мощность всех отдельных потребителей;
     Nра – расчетная активная мощность;
     NPP – расчетная реактивная мощность;
     Cos f, tg f – коэффициенты мощности;
     Кс – коэффициент спроса;
     Ко – коэффициент одновременности.
     Тепловые характеристики:
     qуст – установленная мощность всех теплопотребителей;
     qот – установленная мощность систем отопления;
     qвент – установленная мощность систем вентиляции;
     qвз – установленная мощность воздушно-тепловых завес;
     qГВС – максимальная мощность горячего водоснабжения.
     2. Рассчитываются и строятся графики суточного энергопотребления для рабочих и выходных (праздничных) дней для наружных расчетных условий холодного, теплого и переходного периодов года.
     В случае необходимости, если объект имеет специальную технологическую нагрузку, цикличностью, отличающуюся от суток, рассчитываются и строятся графики технологического цикла. Важными характеристиками графиков являются:
     – линия максимальных пиковых нагрузок;
     – линия минимальных нагрузок;
     – амплитуда колебания от средних значений.
     3. На основании суточных (недельных) графиков по функциям изменения нагрузок в течение года строятся графики круглогодовых нагрузок и рассчитывается годовое потребление энергоресурсов по отдельным видам потребителей и суммарные – по электроэнергии и теплу:
     
     
     4. Выбираются базовые расчетные режимы работы МИНИ-ТЭЦ путем наложения круглогодовых графиков тепловых и электрических нагрузок.
     В общем случае таких режимов 4:
     – I – максимальных электрических нагрузок с учетом амплитуды суточных колебаний;
     – II – максимальных тепловых нагрузок, также с учетом амплитуды;
     – III – минимальных электрических нагрузок;
     – IV – минимальных тепловых нагрузок.
     5. Для режимов по п. 4 анализируются мероприятия по энергосбережению и выравниванию неравномерности нагрузок.
     В качестве таких мероприятий следует рассмотреть:
     – утилизацию теплоты вентиляционных выбросов;
     – автоматизацию теплопотребляющих систем с целью исключения «перетопов»;
     – использования в системах кондиционирования воздуха абсорбционных холодильных машин, а в ряде случаев «сухих охладителей» (drycooler);
     – частотный электропривод силового оборудования (технология, насосные, ИТП и др.);
     – энергосберегающие светильники внутреннего и наружного освещения;
     – аккумулирование тепловых нагрузок (горячее водоснабжение).
     В ряде случаев экономически целесообразно рассмотреть использование технологий нетрадиционной, в том числе возобновляемой энергетики.
     При рассмотрении технологических объектов целесообразно совместно со специалистами рассмотреть энергетику технологических режимов, сменность работы. С учетом анализа энергосберегающих и выравнивающих мероприятий строятся скорректированные графики годовых электрических и тепловых нагрузок, а также расчетные по п. 4.
     6. Определяется возможность получения и реализации технических условий на присоединение внешних энергосистем на частичное покрытие требуемых нагрузок.
     Минимально необходимые нагрузки определяются по мощности гарантированных потребителей I категории (насосные пожаротушения, канализационные станции, системы дымоудаления, серверные, лифты, система отопления и т. п.).
     Как правило, величина этих нагрузок по электроэнергии находится в диапазоне от 5 до 10 % от максимального потребления и от 20 до 40 % – по теплопотреблению. Оптимальная величина покрытия нагрузок за счет внешних сетей определяется по графикам расчетного потребления в годовом режиме и соответствует превышению пиковых нагрузок над базовыми.
     В большинстве случаев эта величина составляет 30–60 % от общей потребности в электроэнергии и 20–50 % – по тепловой.
     7. С учетом нагрузок, приходящихся на внешние сети, определяется нагрузка на МИНИ-ТЭЦ, по которой выбирается количество и мощность газопоршневых двигателей.
     Учитывая глубину регулирования мощности двигателей (как правило, 50–100 %), минимальная электрическая нагрузка определяет мощность самого малого из агрегатов.
     8. Рассчитывается режим работы МИНИ-ТЭЦ, и строятся суточные и годовые графики работы двигателей, исходя из того, что МИНИ-ТЭЦ закладывается в базу энергоснабжения объекта с максимальным коэффициентом загрузки.
     Покрытие пиковых нагрузок осуществляется за счет внешних сетей.
     Определяющим режимом является режим электроснабжения.
     9. Путем наложения графиков энергопотребления и энергопроизводства по приоритету электроснабжения рассчитываются величины и продолжительность дефицита (избытка) тепловой мощности МИНИ-ТЭЦ.
     По этим характеристикам подбирается мощность пиковых водогрейных котлов (в периоды дефицита тепла) и градирен для сброса тепла в периоды его перепроизводства.
     10. Разрабатывается принципиальная схема МИНИ-ТЭЦ и выбираются все основные и вспомогательные элементы рассматриваемых вариантов установки.
     11. Рассчитывается экономическая эффективность вариантов по методике дисконтированных доходов.
     с определением следующих показателей:
     – чистый дисконтированный доход (ЧДД);
     – индекс доходности инвестиций (ИД);
     – внутренняя норма доходности (ВНД);
     – срок окупаемости капиталовложений динамический (ДРВ) и статический (РВ).
     Для выбора оборудования для МИНИ-ТЭЦ приведем графики нагрузок

Рис. 2 – График электрической и тепловой нагрузок для расчетных летних суток.

Рис. 3 – График электрической и тепловой нагрузок для расчетных зимних суток.
     По характерным графикам летних и зимних суток определим годовое потребление энергоресурсов:
     - электроэнергии:
     
     - тепла:
     
     При работе поршневых мини-ТЭЦ в среднем производится тепловой энергии в 1,5 раза больше чем электрической. Согласно вышесказанному необходимо учитывать три диапазона работы при выборе мини-ТЭЦ: Nтеп /Nэл ?1; 14. Работа во второй области нагрузок для мини-ТЭЦ на базе ДВС является предпочтительной, т.к. область максимума КПД находится именно здесь.
     Использование газопоршневых установок (ГПУ) для полного покрытия графика электропотребеления не экономично, поэтому будем использовать комбинированный способ режим нагрузок – с питанием от ГПУ и покрытием пиковых нагрузок за счет подпитки из сети. На основе представленных графиков нагрузок принимаем к установке 4 газопоршневых электроагрегата  РУМО ДГ98М с генератором СГСБ900К-12В4 со следующими параметрами:
Параметр
Значение
Номинальная мощность, кВт
1000
Максимальная мощность, кВт
1155
Топливо
Природный газ ГОСТ5542. Давление газа, не менее 0,2 МПа
Часовой расход природного газа на номинальной мощности, м3/час
300
Генератор
СГСБ900К-12В4
Номинальная мощность, кВт
1000
Частота вращения, об/мин
500
Напряжение, В
10500
Коэффициент полезного действия
0,959
     


     Список литературы.
     1. Алиев И.И. Справочник по электротехнике и электрооборудованию. – 2е изд., М, Высшая школа, 2000.
     2. Алиев И.И. Справочник по электротехнике и электрооборудованию. – 2е изд., М, Высшая школа, 2000.
     3. Наумов А.Л. Алгоритм выбора МИНИ-ТЭЦ [Текст] / А.Л. Наумов// АВОК – 2006. – №1. – С.46-53
     4. Все об электростанциях [Электронный ресурс]. – Электронные данные / МОRТ-2012. – Режим доступа:http://www.gigavat.com/mini_tets.php
     5. О когенерации, малой энергетике и строительстве тепловых электростанций [Электронный ресурс]. – Электронные данные / Когенерация.Ру 2001-2014. – Режим доступа: http://www.cogeneration.ru

     
     

     
     
     
     
     
     15
     
     
.......................