Технико-экономическое обоснование эффективности использования вторичных энергоресурсов (ВЭР) энергии избыточного давления газа

При использовании энергии ВЭР избыточного давления газа возможна выработка электрической (механической) энергии с применением утилизационных турбогенераторных (детандер-генераторных) установок. Имеется также возможность, в случае необходимости, выработки потоков низкотемпературной тепловой энергии (холода). В результате такой утилизации ВЭР избыточного давления достигается повышение энергоэффективности объектов за счет более глубокого использования первичных энергоресурсов и облегчается электрообеспечение ряда автономных потребителей электроэнергии, например, газораспределительных станций, газорегуляторных пунктов, кроме объектов энерго- и газоснабжающих организаций.

Экономические требования обеспечиваются за счет следующих факторов:

- генерация дополнительного потока механической энергии или электроэнергии в результате замещения в регулирующих устройствах процесса дросселирования на процесс адиабатного расширения в утилизационных турбогенераторных установках;

- увеличение срока эксплуатации газового оборудования, переходящего в резерв в случае параллельной работы турбогенераторных установок;

- снижение затрат на сооружение и эксплуатацию электрических сетей, питающих автономные потребители, и использования территорий и инфраструктуры.

34.1 Определение мощности потока генерации электроэнергии осуществляется по фактическим параметрам потока газа до и после редуцирования:

, кВт,

где, V – фактический объемный расход газа, приведенный к нормальным условиям, м³/ч;

ρ – плотность газа при нормальных условиях, кг/м³. ρ = µ/ 22,4. Здесь µ ̶ молярная масса газа, кг/кмоль;

k – показатель адиабаты для газа;

R_µ – газовая постоянная, Дж/(кг·К). R_µ = 8314/µ Дж/(кг·К);

Значения параметров постоянных величин для различных газов определяются на основании данных теплофизических свойств и состава газов. В общем случае для технических расчетов могут применяться следующие значения:

Наименование параметра	Ед. изм.	Природный газ		Воздух	Азот
Наименование параметра	Ед. изм.	Диапазон знач.	Рекоменд. знач.	Рекоменд. знач.	Рекоменд. знач.
молярная масса газа – µ	кг/кмоль	17,4-25,2	19	29	28
коэффициент адиабаты – k	-	1,24-1,28	1,27	1,4	1,4

T₁ – температура газа до редуцирования, К;

η_oi^* – модифицированный относительный внутренний КПД процесса расширения в установке использования ВЭР избыточного давления газа. (η_oi^* = W_ген/L_т, где W_ген– электроэнергия, отпущенная установкой, L_т – теоритическая изотропная работа при расширении газа). Данный показатель зависит от производителя и условий эксплуатации установок. Для установок малой мощности (до 400 кВт), рекомендуется применять из диапазона 30..40%.

P₁, P₂ – абсолютное давление газа до и после редуцирования соответственно.

34.2 Определение количества вырабатываемой электрической энергии за год осуществляется на основании годового графика расхода газа и расчета мощности при заданном расходе:

, кВт ч,

где, – средняя мощность установки в i-м месяце, кВт.

– число часов работы установки в i-м месяце, ч.

34.3 Определение экономии условного топлива при утилизации ВЭР избыточного давления газа:

B_эк = ((W – W_СН^УСТ) * (b_кэс^ээ – b_уст) + ∆W_ТФ^ТЭЦ * (b_кэс^ээ – b_э^ТЭЦ))* 10^-6, т у.т./год,

где W_СН^УСТ– годовые затраты электроэнергии на собственные нужды установки (перекачку греющего теплоносителя и пр.), кВт ч;

b_кэс^ээ – удельный расход условного топлива на отпуск электроэнергии принимается равным фактическому расходу топлива на замыкающей станции в энергосистеме, г/кВт·ч;

b_уст – удельный расход условного топлива на отпуск электроэнергии от установки (расчет приведен в п. 34.3.1), г у.т./кВт∙ч;

Слагаемое ∆W_ТФ^ТЭЦ * (b_кэс^ээ – b_э^ТЭЦ) – учитывается при применении установок на ТЭЦ, где для подогрева расширяемого газа используется тепло производственных или теплофикационных отборов:

W_ТФ^ТЭ– увеличение выработки электроэнергии на тепловом потреблении, кВт ч;

b_э^ТЭЦ – удельный расход условного топлива на отпуск электроэнергии от ТЭЦ, г у.т./кВт∙ч.

34.3.1 Оценка подогрева расширяемого газа

При использовании энергии ВЭР избыточного давления газа необходимо обеспечивать положительную температуру расширяемого газа (+5°С) для обеспечения надежной и безопасной работы установок и другого газового оборудования. Для подогрева газа целесообразно использовать низкопотенциальные тепловые отходы, в этом случае издержки ограничиваются затратами на электроэнергию для перекачки теплоносителя (W_СН^УСТ).

В случае использования топливного подогрева, теплоносителя из системы отопления или подобных источников, целесообразно учитывать издержки на подогрев газа, как затраты на тепловую энергию необходимую для компенсации снижения температуры газа в результате его расширения в установке.

Для этого определяется снижение температуры газа в установке:

, °С,

Рассчитывается мощность теплового потока необходимая для подогрева газа:

, кВт,

где, С_p – удельная массовая теплоемкость газа, Дж/кг°С;

для природного газа может быть принята – 2010 Дж/кг°С

– мощность теплового потока, подводимая от внутренних источников подогрева в установке (при наличии), кВт. К таким источникам может относиться поток тепловой энергии вследствие потерь в электрогенераторе, при его охлаждении газом. В этом случае расчет ведётся по формуле:

, кВт,

Где – коэффициент полезного действия генератора, принимается в диапазоне 0,8-0,9.

Удельный расход условного топлива для подогрева газа в случае топливного подогрева или использования теплоносителя из системы отопления:

, г у.т./кВт∙ч,

Где – количество часов в году при которых осуществляется подогрев газа при фактическом его расходе (для предварительной оценки может быть принята продолжительность отопительного периода), ч;

– коэффициентов перевода тепловой энергии в условное топливо, принимается 0,143.

34.4 Определение экономии затрат при утилизации ВЭР избыточного давления газа:

Э_т = B_эк * С_т, руб,

где С_т – стоимость 1 т у. т. уточняется на момент составления расчета, руб.

34.5. Определение укрупненных капиталовложений в применение установок для использования ВЭР энергии избыточного давления:

Стоимость утилизационной турбогенераторной установки определяется по результатам выбора поставщика.

В случае отсутствия данных для конкретного объекта о стоимости вспомогательного и электротехнического оборудования, строительно-монтажных работ и пр., предварительные инвестиционные капиталовложения в мероприятие можно принять в следующем размере:

− стоимость электротехнических устройств для подключения ориентировочно 5–10 % от стоимости установки.

− стоимость газо-технического и теплотехнического оборудования части (газо- и трубопроводы, арматура, вспомогательное оборудование и т.д.) – 5 ̶ 10 % от стоимости установки.

− стоимость строительно-монтажных работ в зависимости от расположения установки – 15 ̶ 20 % от стоимости оборудования;

− стоимость проектно-изыскательных работ – 5 ̶ 10 % от стоимости строительно-монтажных работ.

− стоимость пуско-наладочных работ – 3–5 % от стоимости оборудования.

Стоимость оборудования:

С_об = С_тг + (0,5÷0,1) х С_тг + (0,5÷0,1) х С_тг, руб,

Стоимость строительно-монтажных работ:

С_смр = (0,15÷0,2) х С_об, руб,

Инвестиционные капиталовложения в мероприятие:

К = С_об + С_смр + (0,05÷0,1) х С_смр + (0,03÷0,05) х С_об, руб,

34.6 Эксплуатационные годовые издержки при использовании установки по утилизации ВЭР избыточного давления газа учитываются исходя из особенностей и требований к работе и обслуживанию установок. Суммарные годовые эксплуатационные издержки определяются:

, руб,

где, И_то – издержки на техническое обслуживание включают, в случае необходимости, затраты на содержание установки и пр., руб;

И_пр – прочие неучтенные издержки, могут быть приняты – 3–5 % от издержек на техническое обслуживание, руб;

34.5. Определение простого срока окупаемости использования вторичных энергоресурсов (ВЭР) энергии избыточного давления газа:

, лет,

где К – инвестиционные капиталовложения в мероприятие, руб.;

Э – экономию условного топлива при утилизации ВЭР избыточного давления газа для ТЭЦ.

34.6. В случае использования ВЭР энергии избыточного давления газа для технологических целей, например, электроснабжения объектов, осуществляется подбор установки на основании потребности в электроэнергии объекта. Затем определяется требуемый объемный расход газа (V_треб), приведенный к нормальным условиям, необходимый для обеспечения функционирования установки и сверяется с фактическим расходом газа на объекте (V_факт):