Производство электроэнергии и тепла с использованием ПГУ с внутрицикловой газификацией твердого топлива единичной мощностью 200-400 МВт с КПД до 50 %
Актуальность работы
Высокоэкономичные ПГУ привлекательно использовать для преобразования теплоты сгорания угля в электрическую энергию. Напрямую сжечь уголь в камере сгорания ГТУ невозможно. В настоящее время разрабатываются системы с интегрированием в энергетический цикл газификации угля и глубокой очисткой полученного с помощью газификации искусственного газа перед сжиганием в ГТУ.
Такие ПГУ мощностью 200-300 МВт построены и уже 10-15 лет эксплуатируются за границей.
Возможности повышения эффективности ПГУ с газификацией заключаются в совершенствовании процессов (мембранное разделение воздуха, высокотемпературная сероочистка, малоэмиссионное сжигание синтез-газа без разбавления его азотом или паром и др.) и оборудования (более мощные и экономичные ГТУ, увеличение межремонтных компаний газификатора и высокотемпературных теплообменников и т.д.).
Существенное упрощение и повышение экономичности ПГУ с газификацией возможно при использовании воздушного дутья, сужающего, конечно, возможности получения побочных химических продуктов. По наиболее оптимистическим оценкам возможно повышение их КПД до 50-52 %, которое оправдывает дальнейшие разработки таких ПГУ.
Мощность действующих в российской энергетике ТЭЦ, использующих в качестве топлива уголь, составляет более 20 млн. кВт, в том числе с долей угля более 50 % - свыше 16 млн. кВт.
С учетом прогнозируемых цен на природный газ и энергетический уголь целесообразно техническое перевооружение ТЭЦ, с повышением экономичности и уменьшением негативного воздействия на окружающую среду путем интегрированной с энергопроизводством газификации угля.
В перспективе, к моменту окончания отработки технологии на опытно-промышленной установке (ориентировочно после 2015 г.) в стране могут появиться более совершенные ГТУ с более высокими показателями.
Общая электрическая мощность вводимых ПГУ может составить 25 млн. кВт. В результате электрическая мощность ТЭЦ возрастет на 9 млн. кВт, причем вся электроэнергия новых ПГУ будет вырабатываться с более высоким КПД, чем на внешних угольных электростанциях. С учетом экономики и технических ограничений (размеры площадок, выдача мощности, угольные склады и т.д.) не на всех ТЭЦ удастся реализовать ПГУ в полном объеме. Однако и при меньших масштабах техническое перевооружение ТЭЦ по парогазовой технологии будет выгодным.
Имеющийся в настоящее время в нашей стране научно-технический задел получен на стендах и заключается в исследовании процессов газификации, очистки и сжигании синтетического газа.
Чтобы уменьшить риски, возникающие при переносе результатов исследований на крупное оборудование, целесообразно отработать его конструкции на прототипе небольшой мощности. В качестве такого прототипа разработана ПГУ на базе современной ГТУ мощностью 16 МВт (рисунок), газификационное оборудование которой работает при тех же давлениях и температурах, что и в больших парогазовых установках.
ГТУ-16 ПЭР после реконструкции для интеграции с системой газификации угля сохраняет возможность нормальной работы на природном газе с теми же экономическими и эксплуатационными показателями, что и стандартные ГТУ этого типа.
Преимущества по сравнению с зарубежными технологиями:
меньшие потери при газификации угля позволяют при характерных для отечественных ТЭЦ единичных мощностях энергоустановок получить существенно более высокие, чем на паровых энергоблоках, КПД на кондиционных режимах и при пониженных тепловых нагрузках при приемлемых инвестиционных затратах.
Цели и задачи технологии
Целью технологии является повышение экономичности угольных ТЭЦ и снижение их воздействия на окружающую среду до перспективного уровня.
Сооружение опытно-промышленной установки возможно в течение 5 лет после начала финансирования проекта:
2011 – разработка и утверждение ТЭО проекта;
2011-2012 – разработка рабочей документации, размещения заказов на заводах-изготовителях;
2012-2014 – изготовление и поставка оборудования;
2014-2015 – монтаж, пусконаладочные работы, сдача в эксплуатацию.
В 2017-2018 гг. может быть заказано оборудование для полноразмерной ПГУ мощностью около 300 МВт. Начинать с неё целесообразно, поскольку опыт использования газовых турбин типа ГТЭ-160 в ПГУ с газификацией угля и нефтяных остатков уже имеется за рубежом.
К этому же времени целесообразно выполнить и согласовать проекты установки ПГУ с газификацией угля мощностью 200 и 300 МВт на 2-3 конкретных объектах.
Стоимость и ввод в действие головной ПГУ возможны в 2019-2020 гг.
На газоугольных ТЭЦ со значительной долей природного газа в топливном балансе целесообразна опережающая установка ПГУ на газе, которая в дальнейшем может быть интегрирована в комплекс с газификацией угля. Всё необходимое для этого должно быть предусмотрено в начальном проекте.