Когенерация и тригенерация: в чем разница и какую роль может выполнять ДГУ

Для предприятий с постоянной потребностью в электричестве, отоплении, горячей воде или технологическом тепле генерация энергии непосредственно на объекте может быть выгоднее раздельной схемы, при которой электричество поступает из сети, а тепло вырабатывает отдельная котельная. Один из вариантов такого подхода — когенерация. Если к производству электрической и тепловой энергии добавляется холод, система становится тригенерационной. При этом дизель-генераторная установка может выполнять разные функции: от резервного источника до полноценного элемента энергетического комплекса.

Когенерация, или CHP, предполагает одновременное получение электрической и полезной тепловой энергии из одного источника топлива. Тепло двигателя или турбины, которое в обычной генераторной установке отводилось бы в окружающую среду, утилизируется и направляется на отопление, горячее водоснабжение либо технологические процессы.

Содержание:

• Как работает когенерация
• Что такое тригенерация
• Когенерация и тригенерация: основная разница
• Какую роль в системе может выполнять ДГУ
• Может ли сама ДГУ работать в режиме когенерации
• Когда стоит рассматривать тригенерацию
• Почему систему нужно рассчитывать по профилю нагрузки
• Когенерация, тригенерация или ДГУ: что выбрать

Как работает когенерация

В основе когенерационной установки находится первичный двигатель, связанный с электрогенератором. Это может быть газопоршневой или дизельный двигатель, газовая турбина и другое оборудование. При сжигании топлива часть энергии преобразуется в электричество, однако значительный объем остается в виде тепла. Вместо того чтобы просто рассеивать его через систему охлаждения и с выхлопными газами, в когенерационной схеме используют теплообменники и другое утилизационное оборудование.

Полученная тепловая энергия может использоваться для нагрева воды, отопления помещений, производства пара или обеспечения производственных процессов. За счет одновременного использования двух видов энергии когенерационная установка способна эффективнее использовать топливо по сравнению со схемой, где электричество и тепло вырабатываются независимо.

Особенно оправдана такая система на объектах, где электрическая и тепловая нагрузка существуют одновременно значительную часть года: на промышленных предприятиях, в гостиничных и медицинских комплексах, крупных административных зданиях, тепличных хозяйствах и на других площадках с относительно стабильным энергопотреблением.

Что такое тригенерация

Тригенерация развивает тот же принцип, но позволяет получать уже три полезных энергетических продукта: электричество, тепло и холод. В международной практике такая схема обозначается как CCHP — Combined Cooling, Heat and Power.

Главное отличие заключается не в установке третьего независимого генератора. Холод получают за счет дальнейшего использования тепловой энергии, вырабатываемой когенерационной частью. Один из распространенных вариантов — подключение абсорбционной холодильной машины. В качестве источника энергии она может использовать горячую воду, пар или тепло выхлопных газов вместо того, чтобы полностью зависеть от электрического компрессора.

В результате зимой тепло можно направлять на отопление, а в теплое время года использовать его для производства холода. Это особенно интересно для объектов, где летом тепловая нагрузка снижается, но одновременно возрастает потребность в кондиционировании.

Когенерация и тригенерация: основная разница

Различие между двумя схемами определяется набором полезной энергии. Когенерационная система производит электричество и тепло, тогда как тригенерационная дополнительно обеспечивает объект холодом.

Практически это означает, что выбор зависит не только от электрической мощности предприятия, но и от профиля тепловой нагрузки в течение года. Если объект стабильно потребляет горячую воду, пар или тепло, может быть достаточно когенерации. Когда наряду с этим существует существенная потребность в охлаждении помещений, оборудования или технологических процессов, имеет смысл рассматривать тригенерацию.

При проектировании важно оценивать систему как единый энергетический комплекс, а не подбирать оборудование только по номинальной электрической мощности. Экономический эффект появляется прежде всего тогда, когда произведенное тепло действительно востребовано. Именно поэтому подбор CHP-систем обычно связан с анализом одновременно электрических и тепловых потребностей объекта.

Какую роль в системе может выполнять ДГУ

Дизель-генератор привычно воспринимается как аварийный источник питания, однако его функция зависит от архитектуры энергокомплекса. Производители энергетического оборудования допускают применение генераторных установок на дизельном топливе в когенерационных решениях с утилизацией тепла, хотя для длительной постоянной генерации сегодня часто рассматриваются и газовые установки.

В энергетическом комплексе ДГУ может использоваться в нескольких сценариях:

• Резерв основного когенерационного оборудования. При остановке основной установки из-за аварии или технического обслуживания дизель-генератор принимает критические электрические нагрузки.
• Источник пиковой мощности. Если нагрузка кратковременно превышает возможности базовой генерации, ДГУ может подключаться только на период дефицита мощности.
• Основной автономный источник. На объектах без надежного внешнего электроснабжения генератор может длительно работать на нагрузку, а при наличии системы утилизации его тепловая энергия дополнительно используется потребителями.
• Элемент гибридной энергосистемы. ДГУ может работать совместно с солнечной электростанцией и накопителем энергии. АКБ берет на себя кратковременные пики, а система управления запускает генератор при длительном дефиците, что позволяет уменьшить количество неэффективных режимов его работы.
• Аварийный источник для ответственных потребителей. Даже если когенерационная установка работает большую часть времени, отдельная ДГУ повышает устойчивость энергоснабжения критически важного оборудования.

Таким образом, наличие ДГУ не означает, что именно она обязательно должна непрерывно производить электричество и тепло. Нередко более рационально распределить функции между основной генерацией, резервным источником и системой управления.

Может ли сама ДГУ работать в режиме когенерации

Технически такой вариант возможен. При работе двигателя тепловая энергия возникает в системе охлаждения и выхлопных газах. Если установить соответствующее теплообменное оборудование, часть этого тепла можно вернуть в полезный энергетический контур объекта. Производители генераторных систем прямо рассматривают утилизацию тепла дизельных и газовых генераторных установок как вариант когенерации.

Однако возможность утилизировать тепло еще не означает, что проект будет экономически оправдан. Нужно учитывать график работы ДГУ, стоимость топлива, число моточасов, тепловую нагрузку, затраты на теплообменники и вспомогательное оборудование, требования к обслуживанию и режимы эксплуатации двигателя.

Если ДГУ запускается несколько часов в год исключительно при аварии сети, создавать вокруг нее сложную систему постоянной утилизации тепла может быть нецелесообразно. Если же генератор работает регулярно и на объекте одновременно существует стабильная потребность в тепловой энергии, расчет выглядит иначе.

Когда стоит рассматривать тригенерацию

Тригенерационная схема наиболее интересна там, где значительные электрические нагрузки сочетаются с круглогодичной потребностью в тепле и холоде. Например, летом избыток тепловой энергии CHP-системы можно направлять в абсорбционную холодильную машину, получая охлажденную воду для кондиционирования или технологического процесса. Возможность использовать тепло CHP-систем для охлаждения предусмотрена в решениях с абсорбционными холодильными машинами.

За счет этого оборудование может сохранять полезную загрузку в разные сезоны. Но решение принимают только после анализа реального профиля энергопотребления: слишком большая установка при недостаточном спросе на произведенное тепло или холод способна ухудшить экономику проекта.

Почему систему нужно рассчитывать по профилю нагрузки

Одна из наиболее распространенных ошибок при выборе собственной генерации — ориентироваться только на максимальную электрическую мощность. Для когенерации этого недостаточно. Необходимо знать, сколько электричества, тепла и, при тригенерации, холода требуется объекту в разные часы суток и месяцы года.

Та же логика действует для ДГУ в составе гибридной системы. Слишком большой генератор может значительную часть времени работать в неоптимальном режиме. Накопитель энергии способен сглаживать кратковременные пики, а автоматическая система управления — включать генератор тогда, когда его работа действительно требуется. Именно такой принцип применяется в гибридных системах СЭС + АКБ + генератор.

Поэтому проектирование начинают не с выбора конкретной модели генератора, а с энергетического обследования объекта: оценивают базовую и пиковую мощность, характер нагрузок, пусковые токи, теплопотребление, сезонность, требования к резервированию и допустимое время автономной работы.

Когенерация, тригенерация или ДГУ: что выбрать

Эти решения не всегда являются альтернативами друг другу. На одном объекте они способны дополнять друг друга. Когенерационная установка может закрывать базовую электрическую и тепловую нагрузку, тригенерационный контур — использовать избыточное тепло для охлаждения, а ДГУ — обеспечивать резерв или подключаться во время пикового потребления.

Поэтому задача проектировщика состоит не в выборе «лучшей» технологии в отрыве от условий эксплуатации, а в правильном распределении ролей между источниками. Наиболее эффективная схема определяется реальным профилем потребления, стоимостью топлива и электроэнергии, требованиями к надежности и тем, насколько полно объект способен использовать вырабатываемое тепло.

Грамотно спроектированная энергосистема позволяет рассматривать генератор не просто как оборудование, которое включается при исчезновении напряжения. ДГУ может стать резервным, пиковым или постоянным источником, элементом гибридного комплекса и при соответствующем оснащении — источником полезной тепловой энергии. А когенерация и тригенерация позволяют использовать потенциал топлива значительно полнее, если электрическая, тепловая и холодильная нагрузки объекта действительно совпадают по времени.

Автор статьи - Сергей Костин

Закончил Томский политехнический университет, факультет электротехники и энергетики. Специализация: силовые и автономные генераторы, прототипирование, аварийные энергосистемы. Стал автором запатентованной системы стабилизации напряжения для автономных источников питания

Поделиться материалом