Зачем строить когенерационную мини-ТЭЦ

ПЯТЬ ОСНОВНЫХ ПРИЧИН

ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА СОБСТВЕННОЙ МИНИ-ТЭЦ

Зачем вам строить энергоцентр или мини-ТЭЦ

Когенерационные мини-ТЭЦ для нашей страны не является чем-то принципиально новым. Ещё в период индустриализации 30-х годов прошлого века даже относительно небольшие новые предприятия оснащались собственными паровыми турбинами, которые работали в когенерационном режиме. Это были первые российские мини-ТЭЦ, хотя тогда их так не называли.
Новый этап в развитии локального (автономного) энергоснабжения в России пришёлся на 2000-е годы. И связан он был широким использованием импортных газопоршневых установок, которые дали возможность предприятиям относительно недорого обеспечить собственную выработку электроэнергии и отказаться (частично или полностью) от услуг электросетей.
Можно выделить пять основных причин для строительства когенерационной мини-ТЭЦ. Из них одна экономическая и четыре технических, но тоже завязанных на экономику. В каждом конкретном случае на принятие решения о собственной электростанции может оказать влияние как одна из этих причин, так и любое их сочетание. Всё зависит от текущей ситуации с электроснабжением действующего или строящегося объекта.
Итак, автономные энергоцентры строят для того, чтобы:
  1. Снизить затраты на энергоснабжение
  2. Обеспечить строящийся объект электроэнергией
  3. Гарантировать должное качество электроэнергии
  4. Защитить объект от перебоев в энергоснабжении
  5. Повысить категорийность электроснабжения

ЭКОНОМИЧЕСКИЙ ФАКТОР

Причина №1: Снизить затраты на энергоснабжение

Это наиболее частое основание для перехода предприятия на автономное энергоснабжение. Снижение затрат достигается за счёт того, что себестоимость собственного производства электроэнергии на когенерационной мини-ТЭЦ ниже, чем тарифы энергосбытовых компаний.

Зависимость тарифов от уровня напряжения

Энергосбытовые компаний устанавливают четыре уровня тарифов на электроэнергию, которые зависят от того, по какому напряжению потребитель покупает электроэнергию. Чем выше напряжение, тем дешевле электроэнергия.

  • ВН - высокое напряжение (110 кВ и выше)
  • СН1 – первое среднее напряжение (35 кВ)
  • СН2 – второе среднее напряжение (20, 10 и 6 кВ)
  • НН – низкое напряжение (0,4 кВ)
Чем ниже уровень напряжения и чем выше тарифы, тем более значительным будет экономический эффект от перехода на автономное энергоснабжение.

Зависимость экономики проекта от уровня загрузки оборудования

Кроме того, экономический эффект при  переходе на автономное энергоснабжение зависит от уровня загрузки газопоршневых установок. Уровень загрузки ГПУ – это отношение фактической выработки электроэнергии за год (которая зависит от потребления объекта) к максимально возможной выработке за тот же период (которая зависит от установленной мощности газопоршневой электростанции).

Чем выше уровень загрузки, тем лучше экономика проекта. Оптимальный вариант – среднегодовая загрузка на уровне не менее 80-85%. При загрузке в 30- 40% ожидать быстрой окупаемости проекта мини-ТЭЦ не приходится. В этом случае единственной реальной причиной строительства автономного энергоцентра может быть только решение технических проблем.

Критерий целесообразности строительства электростанции

Если цель перехода на автономное энергоснабжение исключительно экономическая, и речь идёт только о снижении затрат на электроэнергию, то главный критерий, определяющий целесообразность строительства когенерационной мини-ТЭЦ – это срок окупаемости проекта. Однако оценка самого срока окупаемости является чисто субъективной и зависит исключительно от мнения заказчика. Кого-то вполне устроит и 7 лет, а кому-то и 3 года – очень долго. Здесь всё очень индивидуально.

Пример

Классический пример строительства собственной электростанции с целью снижения затрат на электроэнергию – Каменский стеклотарный завод. На момент строительства энергоцентра (2005 год) в Ростовской области были довольно высокие тарифы на электроэнергию.

Стекольное производство является непрерывным, что обеспечило среднегодовую загрузку газопоршневого электроагрегата на уровне 70-75%.

В результате срок окупаемости проекта составил около трёх лет.

Электростанция Каменского стекольного завода, г.Каменск-Шахтинский, 2004 г.­
Электростанция Каменского стекольного завода, г.Каменск-Шахтинский, 2004 г.­

ТЕХНИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ

Причина №2: Обеспечить строящийся объект электроэнергией

Это ещё одна часто встречающаяся причина перехода вновь строящихся объектов на автономное энергоснабжение.

В ряде случаев новые объекты строятся в тех местах, где в сетях отсутствует свободная электрическая мощность, или вообще нет электрических сетей. В этой ситуации у заказчика есть альтернатива:

  • построить дополнительную электросетевую инфраструктуру (ЛЭП, трансформаторная подстанция);
  • обеспечить автономное энергоснабжение объекта посредством строительства собственной электростанции.

Вполне возможно, что вариант собственной когенерационной мини-ТЭЦ окажется экономически более эффективным, чем строительство новых сетей. Особенно с учётом последующего снижение затрат на электроэнергию за счёт собственной генерации.

Аналогичным образом могут быть разрешены проблемы, возникающие при расширении действующего объекта, которое влечёт увеличение потребности в электроэнергии. В ряде случаев существующая электрическая сеть не сможет обеспечить дополнительную мощность для расширяющегося предприятия. Решением в этой ситуации так же может быть строительство собственной электростанции.

Критерий целесообразности строительства энергоцентра

Если целью строительства когенерационной мини-ТЭЦ является исключительно обеспечение объекта электроэнергией в требуемом объёме, то прямая экономическая эффективность такого проекта не всегда очевидна. Вполне возможно, что уровень загрузки ГПУ окажется относительно небольшим – 40-50%, что увеличит срок окупаемости до 5 – 7 лет.

Однако в этом случае эффективность собственной электростанции надо рассматривать не саму по себе, а в совокупности всего бизнеса, для обеспечения которого электроэнергией и строится энергоцентр.

При этом основным критерием для принятия решения являются альтернативные затраты на строительство электростанции и на строительство электрических сетей. И конечно же, следует учитывать и экономический эффект от снижения стоимости электроэнергии при использовании собственной электрогенерации.

Первый пример - объекты "на северах"

Второй пример - посёлок "Заречье"

Классический пример строительства газопоршневых электростанций исключительно с целью обеспечения объектов электроэнергией – это отдалённые площадки «на северах», такие как нефтяные месторождения или населённые пункты вне  централизованных электросетей (например, посёлок Харп в ЯНАО).

Электрические сети там просто отсутствуют, и обеспечить объекты электроэнергией возможно только за счёт мини-ТЭЦ на базе газопоршневых установок или дизельных электростанций. Естественно, что при возможности использовать газ в качестве топлива, газопоршневые машины в эксплуатации будут гораздо дешевле дизелей.

Автономные энергоцентры строят и в густонаселённых регионах с развитой электрической сетью. Например, посёлок Заречье на западе Москвы. При строительстве малоэтажного жилого комплекса заказчик столкнулся с тем, что существующие электрические сети не в состоянии предоставить необходимую электрическую мощность. В тоже время строительство новой ЛЭП было бы очень затратным.

Поэтому было принято решение о строительстве собственной когенерационной мини-ТЭЦ 2 х 1 МВт с возможностью увеличения мощности до 6 МВт. Через несколько лет, в связи с дальнейшим строительством жилого комплекса и увеличением потребности в электроэнергии, были смонтированы две дополнительные ГПУ, и мощность энергоцентра была доведена до 4 МВт.

В связи с тем, что в Заречье мини-ТЭЦ обеспечивает электроэнергией жилые дома, график электрических нагрузок на этой электростанции очень неравномерный. Поэтому среднегодовая нагрузка ГПУ там составляет не более 30 %, а срок окупаемости энергоцентра не менее 7-10 лет. Если рассматривать такую автономную электростанцию в отрыве от основного бизнеса застройщика, то её строительство не является экономически эффективным.

Однако если принять во внимание, что жилой комплекс обеспечен электроэнергией только благодаря работе собственной когенерационной мини-ТЭЦ, то её наличие является ключевым для основного бизнеса застройщика – продажи жилья.

Причина №3: Гарантировать должное качество электроэнергии

На некоторых производственных объектах используются импортное оборудование, весьма чувствительное к качественным параметрам электроэнергии. А с качеством электроснабжения у нас порой есть проблемы (особенно при перегрузке электросетей). Отклонения параметров напряжения от номинальных значений часто приводят к остановке производственного процесса на предприятии, многочасовым простоям, и, как следствие, к убыткам.

Выходом из ситуации может стать строительство собственной электростанции, которая будет работать в автономном (островном режиме) и обеспечит объект качественной электроэнергией. В этом случае целесообразность строительства автономного энергоцентра так же надо оценивать в связке с функционированием всего предприятия.

Пример

Энергоцентр в посёлке Павловское Домодедовского района Московской области. В этом посёлке работало небольшое пищевое производство, выпускающее замороженные полуфабрикаты. Максимальная потребляемая мощность – не более 250 кВт. Электрические сети в посёлке перегружены, что приводило к частым «миганиям», вызывающим остановки производственной линии.

Проблема была решена за счёт строительства собственной когенерационной мини-ТЭЦ в составе четырёх микротурбин Capstone C65 мощностью по 65 кВт каждая, которые обеспечили объект качественной электроэнергией.

Причина №4: Защитить объект от перебоев в энергоснабжении

Некоторые районы нашей необъятной Родины характеризуются тем, что централизованное электроснабжение там не очень надёжное. Перебои в подаче электроэнергии могут случаться по нескольку раз в год, и длиться могут по несколько дней. Как правило, такие перебои обусловлены или природными явлениями, повторяющимися из года в год, или хроническими перегрузкой и износом электросетей.

Естественно, что такие перерывы в энергоснабжении могут самым плачевным образом сказаться на вашем бизнесе. Выходом из подобной ситуации так же может быть переход на автономное энергоснабжение.

Критерий целесообразности строительства электростанции

Целесообразность строительства энергоцентра и в этом случае оценивается исходя из необходимости обеспечить потребности основного бизнеса электроэнергией, даже в том случае, если окупаемость электростанции как отдельного проекта окажется весьма продолжительной.

Пример

Классическим примером строительства когенерационных мини-ТЭЦ для защиты объектов от перебоев с электроэнергией являются автономные энергоцентры санаториев в Сочи.

Многие сочинские санатории являются лечебными и загружены круглогодично. Кстати, лечебная функция и работа круглый год – это характерная особенность именно российских санаториев, которая отличает их от турецких гостиниц. В Турции большинство курортных объектов вообще не имеют отопительной системы – осенью их просто закрывают вплоть до начала нового сезона. У нас все сочинские санатории имеют собственные котельные или подключены к системе централизованного теплоснабжения.

До начала олимпийской стройки в Сочи периодически происходили серьёзные перебои с электроснабжением. Особенно часто это случалось зимой после сильных снегопадов, в результате которых оказывалась повреждённой единственная ЛЭП из Кубани в Сочи. Каждый раз весь Сочи погружался в полную темноту. Ситуацию спасали только резервные дизели.

Собственный энергоцентр санатория Мыс Видный, 2002 г. ­
Собственный энергоцентр санатория Мыс Видный, 2002 г. ­

Поэтому в начале 2000-х годов руководство целого ряда сочинских санаториев пошло по пути перехода на автономное энергоснабжение. Это санатории «Мыс Видный», «Октябрьский», «Спутник», «Русь» и другие, которые построили собственные электростанции, работающие в изолированном режиме.

При принятии решения о строительстве когенерационных мини-ТЭЦ в сочинских санаториях в расчёт принималась именно необходимость защиты объектов от перебоев с энергоснабжением. Снижение затрат на электроэнергию являлось только приятным дополнением к решению основной задачи. При этом длительный срок окупаемости мини-ТЭЦ (ввиду небольшого уровня среднегодовой загрузки ГПУ, 30-40%) уже не имел принципиального значения.

Когенерационная мини-ТЭЦ санатория Спутник, 2004 г. ­
Когенерационная мини-ТЭЦ санатория Спутник, 2004 г. ­

Причина №5: Обеспечить или повысить категорийность электроснабжения

Потребители первой и второй категории электроснабжения должны быть обеспечены электроэнергией от двух независимых источников энергоснабжения. Разница между первой и второй категорией заключается только в том, что для потребителей первой категории ввод резервного источника происходит автоматически, а для потребителей второй категории – в ручном режиме.

Таким образом, при строительстве объекта, имеющего потребителей первой и второй категории, необходимо предусмотреть наличие второго источника электроснабжения, который не зависит от первого (основного) источника. Это может быть как вторая ЛЭП, идущая от другой подстанции, так и резервная ДЭС.

В ряде случаев задача обеспечения первой и второй категории электроснабжения может быть решена посредством строительства когенерационной мини-ТЭЦ. Поскольку в этой ситуации себестоимость вырабатываемой электроэнергии будет дешевле, чем тарифы энергосбытовых компаний, то внешняя сеть выступает в качестве резервного источника электроснабжения, а собственная электростанция – в качестве основного.

Если в состав такого энергоцентр ввести ещё и резервную ДЭС, то получается уже три независимых источника электроэнергии, что обеспечивает первую особую категорию электроснабжения.

Критерий целесообразности строительства электростанции

Необходимо провести сравнение альтернативных затрат на строительство электросетевой инфраструктуры от второго источника электроснабжения и на строительство собственного энергоцентра. При этом в обязательном порядке следует учитывать и снижение затрат на электроэнергию за счёт собственной электрогенерации.

Первый пример - ЦОДы

Классический пример использования газопоршневых электростанций для повышения категорийности объектов – центры обработки данных (ЦОДы). Как правило, эти объекты имеют по два ввода от внешней электрической сети, что обеспечивает первую категорию электроснабжения.

Однако некоторые операторы ЦОДов стремятся сделать надёжность электроснабжения ещё выше и строят ещё третий источник – собственную электростанцию. Фактически получается, что весь объект обеспечен электроэнергией по первой особой категории. При этом именно автономный энергоцентр является основным источником электроэнергии, а два ввода от внешней сети – резервными. Это позволяет значительно экономить электроэнергию.

Кроме того, электрические нагрузки ЦОДа относительно ровные, благодаря чему может быть достигнута среднегодовая загрузка ГПУ на уровне 75-80%. В результате срок окупаемости автономного энергоцентра на ЦОДе может сократиться до 3-4 лет.

Второй пример - особо опасные производственные объекты

Входящий в группу СИБУР Вынгапуровский газоперерабатывающий завод в Ямало-Ненецком АО (недалеко от Ноябрьска) является особо опасным производственным объектом, на котором имеется несколько потребителей первой категории электроснабжения. Поэтому при строительстве завода помимо двух вводов от внешней сети изначально была запроектирована собственная электростанция мощностью 10 МВт, которая стала основным источником электроснабжения.

Помимо обеспечения требуемой категорийности электроснабжения собственная выработка электроэнергии на этом объекте позволяет ещё и значительно экономить деньги. Снижению себестоимости электроэнергии способствует и то, что газ на этом объекте относительно дешёвый.

Электростанция Вынгапуровского ГПЗ, Ноябрьск, 2012 г. ­
Электростанция Вынгапуровского ГПЗ, Ноябрьск, 2012 г. ­

Вначале надо всё посчитать

Таким образом, если ваш объект попадает под одну из приведённых выше причин для строительства когенерационной мини-ТЭЦ, то вам есть смысл задуматься о переходе на собственную электрогенерацию.

В любом случае, для принятия обоснованного решения о строительстве автономного энергоцентра вам следует опираться на факты, а не на фантазии. Такими фактами являются расчётные данные о стоимости строительства электростанции «под ключ», себестоимости вырабатываемой электроэнергии и сроке окупаемости проекта.

Для получения этих сведений необходимо провести предпроектную проработку вашей будущей мини-ТЭЦ, в результате которой вы получите ответы на все ключевые вопросы.

Очень важно понимать: приоритет - выработка электроэнергии

Когенерационная мини-ТЭЦ (энергоцентр) – это электростанция, обеспечивающая объект электроэнергией и теплом. Основным смыслом её строительства является именно электроснабжение, а тепловая энергия – это побочный продукт. Тепло, выделяющееся при выработке электроэнергии на мини-ТЭЦ, утилизируется с помощью системы теплообменников и используется для отопления и горячего водоснабжения объекта, а так же на технологические нужды.

Это принципиально

Приоритетом для мини-ТЭЦ является выработка электроэнергии. Мощность основного электрогенерирующего оборудования подбираются исходя именно из потребности в электроэнергии, а не в тепле.
Пиковые потребности в тепловой энергии закрываются с помощью дополнительных котлов, поскольку водогрейные или паровые котлы гораздо дешевле, чем газопоршневые установки или газовые турбины.

РЕКОМЕНДАЦИЯ:

Если у вас проблемы с электроэнергией и теплом, то надо строить когенерационную мини-ТЭЦ, а если проблемой является только тепло – обычную котельную.

Оборудование

В качестве электрогенерирующего оборудования в автономных энергоцентрах используются четыре вида машин:

  • газопоршневые установки (ГПУ)
  • газотурбинные установки (ГТУ)
  • паровые турбины
  • микротурбины Capstone

Формально Кэпстоуны относятся, конечно же, к ГТУ. Однако их применение в составе собственных электростанций предприятий настолько отлично от классических газотурбинных установок, что, пожалуй, микротурбины нужно выделить в отдельный класс техники.

© МетеоЭнергетик, 2020
Валерий Мартынов. Частный консультант по ГПУ, микротурбинам и мини-ТЭЦ.
Моб.: +7 (903) 747-77-71 E-mail: meteoenergetic@yandex.ru