Автономные источники комплексного энергоснабжения для удаленных локальных потребителей
Д.т.н., проф. Кормилицын В.И.
К.т.н., доц. Лунин А.И., Пономаренко И.С., Чугунков Д.В.
Инж. Пономаренко О.И.,
Президент «Института проблем энергоэффективности» Аксенов Д.А.
Национальный исследовательский университет «МЭИ» - ООО Фирма «Энергоконтроль», Учреждение «Институт проблем энергоэффективности» г. Дмитров Московской области.
Вопрос автономного комплексного энергоснабжения (тепло- и электроснабжения) отдельно стоящих удаленных объектов, в ряде случаев, оказывается весьма актуальным и востребованным. Эта задача характерна для небольших, отдельно стоящих поселений в трудно доступной местности, например, отдельных горных поселений, объектов находящихся в тайге, на Севере и т.д. Протянуть туда централизованное сетевое электропитание не просто и очень дорого, а зачастую оказывается практически невозможно. В подобных ситуациях проблема решается созданием специальных установок, позволяющих обеспечить комплексное автономное тепло- и электроснабжение объекта.
Рис.1. Структурная схема автономной установки на базе "ТУНГУС-5".
В качестве примера автономной установки предлагается рассмотреть следующий комплекс оборудования, приведенный на рис. 1, включающий в себя саму Тепловую Установку Низкопотенциальной Генерации «ТУНГУС-5» [1,2], с выходной электрической мощностью 5 кВт (30 кВт, 100 кВт). Она состоит из следующих основных элементов.
1. Нагревательный котел для производства горячей воды тепловой мощностью около 50 кВт. В качестве топлива используются топливные гранулы из органического возобновляемого топлива («экотрубки»). Котел работает в автоматизированном режиме регулирования выдачи тепла и подачи топлива, не требует постоянного обслуживания (необходимо только добавлять примерно раз в неделю эти гранулы в накопительный бункер). На выходе из котла - горячая вода с температурой 115 оС.
2. Непосредственно установка «ТУНГУС-5», (действующий опытный образец данной машины приведен на рис. 2), для получения однофазного переменного тока напряжением 220 В, выходной мощностью 3-5 кВт. В данной установке горячая вода с температурой 115 оС срабатывается до температура 70 оС и поступает далее в систему отопления объекта. Отобранное при этом тепло преобразуется в электроэнергию с использованием асинхронного генератора, выполненного на основе стандартного асинхронного трехфазного двигателя со специально намотанными обмотками.
3. Непосредственное преобразование тепла в механическую (и далее в электрическую) энергию, осуществляется в расширительной машине, выполненной в виде ролико-лопастной машины, с частотой вращения 1 500 об/мин, что исключает необходимость применения дополнительных редукторов или специальных высокоскоростных генераторов. Вся технология основана на применении модифицированного цикла Ренкина, использующего в замкнутом контуре в качестве рабочего тела смесь специально подобранных газов, имеющих низкую температуру фазового перехода (сжижение – кипение). Отличительной особенностью предлагаемого решения являются также следующие новации:
- применение холодильной машины для перехода от насыщенной жидкости после основного теплообменника конденсации к состоянию охлажденной жидкости;
- использование жидкостного насоса для создания давления рабочего тела перед его испарением в основном нагревательном теплообменнике и перед расширительной машиной;
- применение негорючих, озонобезопасных составов смесевого рабочего тела;
- давление перед расширительной машиной составляет всего 12 – 18 атм., что значительно ниже аналогов таких установок.
4. Выработанная электрическая энергия в виде переменного тока через выпрямитель поступает в аккумуляторную батарею (АБ) уже в виде постоянного тока, где и накапливается перед ее расходованием на обслуживаемом объекте. Далее, через инвертор, этот постоянный ток снова преобразуется в переменный и питает непосредственно электрические потребители обслуживаемого объекта. Как правило, выпрямитель и инвертор технологически размещаются в одном корпусе.
5. Такая технологическая схема позволяет значительно снизить мощность, а значит и габариты установки по генерации электрической энергии, т.к. она в данном случае работает в постоянном стационарном режиме выдачи мощности, а все реальные пики нагрузок объекта компенсируются за счет емкости АБ. Как показали расчеты, для реального среднего коттеджа с пиковым потреблением мощности до 10 кВт достаточно генератора (и всей установки) выходной мощностью 3 кВт при ее работе 12 часов в сутки, т.е. половину всего времени потребления электроэнергии
6. Такая схема хорошо работает в осенне-зимне-весенний периоды, когда осуществляется отопление обслуживаемого объекта. Летом, когда отопительная система отключается, целесообразно перейти на получение электроэнергии от солнечных батарей, которые в течение светового дня заряжают АБ постоянным током, а в остальное время потребители питаются уже от этих АБ через инвертор.
7. Реальный опыт эксплуатации солнечной мини-электростанции (12 кВт) в г. Дмитров Московской области показал, что она с успехом обеспечивает полноценное автономное круглогодичное питание объекта, включающего в себя: ресторан, бильярдный клуб, магазин, автомастерские и т.д. И еще остается избыток электроэнергии, который приходится регулярно сбрасывать в местную энергосистему электроснабжения, чтобы она зря не пропадала.
Рис. 2. Экспериментальный образец установки мощностью 5 кВт. Общий вид
Данная установка для производства электроэнергии на основе использования низкопотенциального тепла «ТУНГУС-5», выходной электрической мощностью 3-5 кВт, приведена в качестве примера использования таких современных технологий в ЖКХ. На самом деле, в настоящее время, в НИУ МЭИ разрабатываются подобные установки единичной мощностью 30, 100 и даже 200 кВт. Они могут применяться для энергообеспечения объектов и большей единичной мощности, чем отдельный коттедж, например, для автономного энергоснабжения многоэтажных домов, административных и общественных центров, небольших автономных поселений, например, для высокогорных поселений Дагестана.
В данной системе автономного энергоснабжения предлагается обеспечить рассматриваемых потребителей новым видом топлива Он должен быть создаваем на территории проживания и включать в себя возобновляемые биоэнергетические ресурсы из отходов сельского и лесного хозяйства, а также отходы быта и жизнедеятельности. Среди таких биопродуктов прежде всего основой являются торф и отходы сельского и лесного хозяйства. Такой подход в выборе составляющих топлива обеспечивает сохранение чистоты окружающей природной среды, как воздушного, так и водного бассейна.
Топливные гранулы в виде «пеллет» и «евродров» известны на рынке топлива, но сырьём для них служат лишь отходы древесины, причём исключающие различные породы и кору древесины, а также состояние сырья (следы после лесных пожаров, и вредителей). Кроме того, их производство требует больших энергозатрат (линия по производству «пеллет» с производительностью 2 т/ч требует электрической мощности около 250 кВт, а также треть производимых «пеллет» используются для собственных нужд на сушку). Стоимость такой продукции с теплотворной способностью 3000 – 4000 ккал/кг в настоящее время составляет более 6000 рублей за тонну, что достаточно дорого.
Предлагаемая технология создания топливных гранул, из местных возобновляемых энергетических ресурсов менее затратная, по сравнению с известными. Производимая при этом продукция, именуемых далее «экотрубки» приведена на рис.3. «Экотрубки» приготовляются на основе торфа, сельскохозяйственных, древесных и животноводческих отходов, используемых для приготовления лигно-геля, обеспечивающего связку различных наполнителей и составляющих конечную продукцию. Лигно-гель приготавливается на основе предварительной кавитационной обработки водно-эмульсионной смеси, включающей в себя один из основных бионаполнителей этих гранул. Преимущественно, в качестве такого наполнителя, используется торф, древесина, сельскохозяйственные отходы, лигнин и т.д.
При кавитационной обработке происходит разрыв внутренней структуры аминокислот и ионизация геля. В результате он становится химически активным, что позволяет использовать его в качестве связующего вещества для остальных наполнителей топливных гранул. Никаких дополнительных химических добавок при этом не используется. После специальной формовки под давлением и сушки гранул получаются механически прочные, экологически чистые «экотрубки».
Особенность «экотрубки» по отношению к традиционным, известным под названием «пеллеты» и «евродрова», заключается в их высокой теплотворной способности, плотности, а также прочности и сниженной гидрофобности. Данная технология приготовления топливных гранул позволяет использовать «экотрубки» в различных автоматизированных процессах, избегая традиционных для «пеллет» безвозвратных потерь при транспортировке на 3%-5% и понижения калорийности на 20% - 30% от влажности, а также неполного сгорания. Конструкция «экотрубки» учитывает условия процесса горения и особенности котельного оборудования.
Рис.3. «Экотрубка»
Использованию топливных гранул в виде «экотрубок» характерны следующие преимущества:
- калорийность «экотрубок» составляет 3800 - 4500 ккал/кг;
- негигроскопичны (отсутствует увеличение влажности) при их хранении и транспортировке.
Таким образом, затраты на отопление «экотрубками» становятся выгоднее, как минимум, на 30% по сравнению с торфобрикетом, «пеллетами», «евродровами».
Преимущества технологии приготовления топливных гранул, можно отметить по трем характеристикам экономии энергии:
- дисперсность сырья для «пеллет» должна быть однородна на 100%, а «экотрубок» лишь на 10%;
- сушка сырья для «пеллет» проводится 100% до влажности 10 - 12%, а для «экотрубки» не проводится вовсе;
- сушка готовой продукции «пеллет» должна проводится 100% до влажности 10 - 12%, а для «экотрубки» до влажности 40%.
Таким образом затраты на энергию при приготовлении «экотрубки» снижаются как минимум в два раза, позволяя им конкурировать на потребительском рынке.
Положительной стороной технологии «экотрубки» является то, что технологическая линия для их приготовления мощностью 2 т/ч может быть скомплектована из производимого в России и СНГ оборудования и потребляет менее 70 кВт. Она состоит из оборудования, расположенного в транспортных контейнерах, которые можно перемещать непосредственно в места нахождения сырья, без подключения к внешним источникам электроснабжения, за счет применения низкопотенциальной электрогенераторной установки, рассмотренной ранее, использующей собственное тепло, производимое на котле для сушки топливных гранул.
Стоимость самих «экотрубок» составляет около 2000 руб. за тонну. Стоимость оборудования для технологической линии по производству 2 т/ч, составляет не более 45 млн. руб. Окупаемость проекта от 2,0 до 3,5 лет.
Дополнительно следует обратить внимание на организацию эксплуатации и ремонтов таких установок. Как правило, она организуется на основе привлечения специализированных организаций, осуществляющий весь этот объем деятельности на достаточно обширных территориях у целого комплекса отдельных единичных потребителей.
Основой правильной организации этой деятельности является возможность получения постоянной актуальной информации о всех аспектах жизнедеятельности и функционирования данного оборудования в реальном масштабе времени. Это возможно только в случае наличия сетевой автоматизированной системы управления эксплуатацией данного оборудования (АСУ РЭС).
Само по себе создание такой информационно-графической системы на основе баз данных не представляет принципиальной трудности, в НИУ «МЭИ» имеется большой опыт разработки и эксплуатации таких систем. Весь вопрос состоит в правильной организации и использовании каналов связи для поддержания сетевой работы автоматизированной системы мониторинга состояния и эксплуатации объектов автономного электроснабжения. Обычные электронные или оптоволоконные каналы связи, которые используются в достаточно крупных распределительных электрических сетях, здесь не подходят, в силу значительной удаленности этих объектов (до тысячи километров) и их незначительных размеров. Для функционирования такой информационной системы необходимо использовать удаленный интернет-доступ. В настоящее время Интернет уже дошел до всех, даже самых удаленных и небольших объектов. Для автоматизации процессов эксплуатации и мониторинга таких объектов электроснабжения необходима доработка существующего программного обеспечения информационно-графической системы использованием интернет-доступа и возможностями мониторинга состояния энергоустановки, предложенной в данной статье.
Выводы:
1. Предложена оригинальная технология создания энергетических установок по производству электроэнергии на основе утилизации низкотемпературного тепла.
2. На основе данной технологии разработаны схемы технологических установок различной мощности, способных обеспечить комплексное энергоснабжение (тепло и электричество) отдельно стоящих автономных объектов, не подключенных к стационарным системам тепло и электроснабжения.
3. Предложен новый вид топлива в виде топливных гранул, на основе использования торфа, отходов древесины и сельского хозяйства, твердых бытовых отходов. Отличается высокой теплотворностью, низкой гигроскопичностью, высокой прочностью, удобством сжигания в автоматизированных котлах, предназначенных для использования твердого топлива.
Литература
1. Аксенов Д.А., Кормилицын В.И., Петров А.В., Пономаренко И.С. Технологическая линия по производству лигно-гелиевых гранул. – Патент на полезную модель. № 137289. Заявка 2013144697, 07.10.2013. Опубликовано 10.02.2014.
2. Аксенов Д.А., Лунин А.И., Пономаренко И.С. Установка для выработки и использования электрической энергии. – Патент на полезную модель. RU 127819 U1. Заявка 2012116443/28, 25.04.2012. Опубликовано 10.05.2013.