Альтернативное топливо

Другое альтернативное топливо

Рациональное использование энергии является важнейшей составной частью неизменной энергетической политики для многих электростанций

ВЕРНЕР ЯНИК, ЙОЗЕФ ЛАУЭР - По мере роста населения нашей планеты растёт и спрос на энергию. Долгосрочными последствиями этого спроса будет снижение поставок ископаемого топлива, которое в настоящее время является основным источником энергии в мире. Тем не менее, ископаемое топливо на сегодняшний день также «виновато» в большей части выбросов CO2, которые оказывают сильнейшее воздействие на изменение глобального климата. Поэтому, пока остаётся стабильная уверенность в производстве энергии на основе ископаемого топлива, этот заколдованный круг будет сохраняться. Конечно, давно было известно, что выход из этого затруднительного положения - это возобновляемые источники энергии. Тем не менее, хотя и наблюдается быстрый прогресс в замене тепловых электростанций возобновляемыми источниками энергии, многие проблемы всё ещё требуют своего решения прежде, чем возобновляемые источники смогут внести заметный вклад в общую энергетическую копилку человечества. К сожалению, время, отведённое нам на поиски возобновляемых источников энергии или на осуществление прорыва в ядерной энергетике, заканчивается. Параллельно с этой работой должны быть предприняты действия, направленные на защиту планеты и сохранение её богатств и биосферы для будущих поколений; этого можно достичь с помощью применения уже разработанных методов рационального использования энергии и технологий.

Большинство производимой сегодня электрической энергии основано на сгорании ископаемого топлива. По сути, угольное топливо обеспечивает свыше 40 процентов поставок электричества во всём мире, делая выработку электричества единственным поистине масштабным и наиболее быстрорастущим источником выбросов CO2. Темп роста производства возобновляемой энергии достаточно высок, и соотношение между использованием энергии и уровнем выбросов может быть значительно снижено с помощью применения возобновляемых источников энергии. К сожалению, доля возобновляемой энергии в общем объёме всё ещё слишком мала; продолжаются исследования возможностей существенного увеличения объёма возобновляемой энергии.
1 Сравнение роста спроса на первичные энергоресурсы и электроэнергию

Человечество не может позволить себе роскошь зря тратить время, и поэтому параллельно должны проводиться и другие усовершенствования, если мы хотим оптимизировать энергопотребление и минимизировать негативные последствия выброса парниковых газов в атмосферу.

В цепочке производства и потребления электроэнергии теряется до 80%, в основном во время выработки.

Проекты, разработанные Международным Энергетическим Агентством (IEA) показывают, что значительный потенциал снижения выбросов CO2 в течение ближайших 20 лет кроется в более рациональном использовании энергии в большей степени, чем в любых других возможностях, вместе взятых. Применение энергосберегающих технологий, методик и практик может немедленно повлиять на (т. е. снизить) соотношение между экономическим ростом и энергопотреблением. В области производства энергии, в частности, на тепловых электростанциях, технологии и методики, требуемые для достижения этих целей, уже находятся в арсенале концерна АББ.
Энергетические проблемы сегодняшнего дня
Во всех регионах мира спрос на электрическую энергию растёт в два раза быстрее, чем спрос на первичную энергию рис. 1. Эта тенденция особенно примечательна в развивающихся экономиках Ближнего Востока, Индии и Китая, где спрос на электроэнергию, как ожидается, составит от 140 до 261 процента по сравнению с 89 и 116 процентами для первичной энергии.
Тем не менее, удовлетворение спроса на деле может нарушить баланс между производством и потреблением электрической энергии. Следовательно, глобальная цель энергоэффективности должна состоять в производстве из имеющегося ископаемого топлива максимально возможного количества электрической энергии при одновременном снижении её потребления.
Экономия каждого барреля нефти, необходимого для производства электроэнергии, может быть классифицирована как «дополнительное альтернативное топливо» для использования в других целях.
Рационализация использования энергии - другое альтернативное топливо
Цепочка производства и потребления электроэнергии обычно содержит потери, основные из числа которых проиллюстрированы на рис. 2. Это доказывает, что на пути от первичных источников энергии, таких как газ или нефть, до промышленного пользователя или жилой квартиры, теряется приблизительно 80 процентов энергии. Большинство этих потерь приходится на процесс выработки энергии электростанциями главным образом из-за основных термодинамических свойств непосредственно самого процесса. Возьмём для примера обычную работающую на угле электростанцию, которая может произвести 500 МВт электрической энергии брутто. Станция была построена приблизительно 25 лет назад с типовой эффективностью 34 процента с удельным расходом тепла 10,2 БТЕ на кВт-ч1. Даже при том, что станция была изначально спроектирована для работы с базовой нагрузкой, этот принцип с годами изменился, чтобы гарантировать способность станции к удовлетворению более гибких требований со стороны сегодняшних электросетей, то есть, годовой коэффициент использования был снижен приблизительно до 70 процентов с учётом большой доли работы в режиме частичной нагрузки от 50 до 90 процентов.
Эта практика стала более или менее общепринятой во многих из числа сегодняшних электростанций, и у неё изначально имелся потенциал для производства «альтернативного топлива», т.е. энергоэффективности.
2 Потери до 80 процентов энергии могут происходить по всей энергетической цепочке

3 Исследование с целью выявления возможностей, проведённое концерном АББ, обеспечило всестороннюю оценку широкого спектра аспектов управления энергией
Но прежде, чем любая электростанция начнёт инвестировать капитал в энергосберегающие технологии, придётся рассмотреть три фундаментальных вопроса:

1. У кого есть «ноу-хау» и технологии внедрения рентабельных процессов с низким энергопотреблением?
2. Экономия какого типа может быть получена?
3. Как можно всего этого достичь?

На первые два вопроса можно ответить одной фразой: процессы и технологии, разработанные АББ, дают возможность повысить эффективность использования энергии на 8-10 процентов. Если взглянуть на эту ситуацию с другой стороны, объём сэкономленного топлива и средств (в расчёте за год) на взятой за образец уже упоминавшейся выше электростанции на 500 МВт составляют:

1. Первичное энергопотребление: 1,4 млрд. кг (3 млрд. фунтов)
2. Дополнительная подача энергии в сеть: 21,25 МВт-ч
3. Сэкономленная энергия: 22,5 млн. кВт-ч
4. Снижение выбросов CO2: 260 000 тонн
5. Эквивалентное дополнительное альтернативное топливо: 340 миллионов фунтов (что достаточно примерно для заправки 850 автомобилей в течение одного года!)

В плане экономической осуществимости методов и технологий рационализации энергопотребления, опыт АББ показал, что для достижения этих целей вполне хватает среднего периода окупаемости от двух до трёх лет.
Методология рационализации энергопотребления, разработанная концерном АББ
Методология концерна АББ по рационализации энергопотребления включает три стадии:

1. Стадия 1: Идентификация возможности
2. Стадия 2: Генеральный план

Стадия 3: Внедрение Соответствующие инструменты и методы, используемые в этой методологии, были разработаны с помощью опыта, полученного в ходе работы в широком и разнообразном спектре производства энергии и процессов потребления на многих станциях наших заказчиков в течение нескольких лет. Каждый шаг, предусмотренный в методологии рационализации энергопотребления, направлен на предоставление именно такой информации, которая необходима для того, чтобы дать возможность эксплуатантам электростанций возможность уверенно двигаться вперёд и, в конечном счёте, завершить программу             внесения усовершенствований, способных обеспечить фактическую и стабильную экономию энергии.

Технология и управление
Идентификация возможных улучшений с помощью
управления процессом, изменений оборудования или
альтернативных энергосберегающих технологий, как
правило, касающихся следующих энергосистем:

1. оборудование с огневым подогревом (газотурбины, печи, нагреватели и т.д.)
2. Паровые котлы, турбины и системы
3. Производство электроэнергии и оборудование
4. Крупные насосные, вентиляторные и двигательные системы
5. Электрические системы - высоковольтные и местные низко/средневольтные потребители
6. Сжатый воздух и газ промышленного применения
7. Отопление, вентиляция и кондиционирование (HVAC)
8. Промышленные морозильники и холодильники

Идентификация возможностей
Целью первой стадии является оценка эффективности использования энергии, направленная на определение конкретных возможностей осуществления усовершенствований, подтверждая, как, где и для чего используется энергия; определение участков неэффективного использования; сравнение текущих характеристик с зарекомендовавшими себя передовыми промышленными практиками. Широкий диапазон аспектов управления энергией в общих чертах обрисован в рис. 3.
На типичной работающей на угле электростанции, похожей на уже упоминавшуюся станцию 25-летней давности (т.е. выработка 500 МВт электроэнергии брутто, эффективность станции 34 процента, удельный расход тепла 10,2 БТЕ на кВтч, годовой коэффициент использования приблизительно 70 процентов), аспекты, которые сформировали бы отправные точки исследования по идентификации возможностей, даны в рис. 4.

Рабочие процессы и практики
Оценка рабочих процессов и практик, имеющих отношение к рационализации использования энергии во всех местных процессах и к работе вспомогательных систем с помощью всестороннего рассмотрения в сравнении с передовыми практиками, включая:

1. Энергетическую стратегию и политику
2. Способы управления энергией
3. Капитальные инвестиции
4. Информационные технологии
5. Оперативное руководство
6. Оперативное планирование и эксплуатационные характеристики
7. Обучение и развитие
8. Практики и стратегии в области обслуживания
9. Мотивацию персонала

Проекты IEA показывают, что более рациональное использование энергии имеет больший потенциал для ограничения выбросов CO2 в течение следующих 20 лет, чем все другие варианты, вместе взятые.

Примечание
Британская тепловая единица (БТЕ) является традиционной единицей измерения энергии, равной примерно1055 килоджоулям; она составляет приблизительно объём энергии, необходимой для нагрева 454 грамм воды на
0,556°C.

1. Элементы исследования по идентификации возможностей для работающей на угле построенной 25 лет назад электростанции на 500 МВт с эффективностью 34 процента

 

Электрическое оборудование станции

1. Двигатели и приводы (насосы и вентиляторы)
2. Трансформаторы
3. Распределительные устройства
4. Полевые устройства
5. Система сжатого воздуха

Система (системы) управления энергией

1. Учёт, мониторинг и контроль энергии
2. Тщательный анализ КПЭ и постоянные оценки рабочих характеристик
3. Интеграция в рамках политики управления энергией

Оборудование панели управления

1. Система приёма данных
2. Аварийные системы
3. Оборудование собственных нужд

Общая тепловая мощность станции

1. Возможности дальнейшей оптимизации

Характеристики и управление паротурбины

1. Термодинамические характеристики
2. Характеристики испарителя (при наличии)
3. Оптимизация управления отбором/ противодавлением пара
4. Управление турбиной - в качестве отдельного агрегата и общее управление мощностями для оптимальной тепловой мощности

Характеристики и управление газотурбины (ГТ)

1. Термодинамические характеристики
2. профилактическое обслуживание ГТ
3. Ухудшение характеристик
4. Управление ГТ - в качестве отдельного агрегата и общее управление мощностями для оптимальной тепловой мощности

Характеристики и управление котлом

1. Термодинамические характеристики
2. Состояние питательной воды
3. Управление котлом - в качестве отдельного агрегата и общее управление котлами для оптимальной тепловой мощности
4. Системы распределения пара
5. Меры, определённые для совершенствования энергопотребления на угольной электростанции
6. Оптимизация доставки угля
7. Совершенствование управления потоками в вытяжных и нагнетательных вентиляторах
8. Совершенствование управления насосом питательной воды для котла
9. Внедрение высокоэффективных двигателей и приводов
10. Оптимизированное управление турбинами
11. Передовое управление температурой пара
12. Стабилизация расхода теплоты и оптимизация сгорания
13. Снижение избыточного кислорода для сгорания в котле
14. Усовершенствованное управление давлением и уровнем питательной воды
15. Совершенствование электроэнергетической установки (ступенчатое повышение напряжения генераторов и трансформаторы собственных нужд)
16. Снижение числа протечек
17. Снижение потерь тепла
18. Тепловая оптимизация работы воздухоохладителя

1. График окупаемости инвестиций в идентификацию возможностей

Оценив каждый из этих аспектов, специалисты АББ смогли бы описать характер и масштаб возможностей экономии энергии, и дать ясные рекомендации о том, какие дальнейшие шаги надо предпринять для реализации дополнительных потенциальных выгод. После завершения процесса оценки эффективности потребления энергии на основе исчерпывающего набора идентифицированных проектных возможностей, наиболее
Участок электростанции А1 Рассматриваемый проект
ID101 PXXQ (Dys шасси)

1. Установка привода VSD на 1 x насос ID102                   PXXW (Dys обмотка возбуждения)
2. Установка привода VSD на 1 x насос ID103                   PXX Управление давлением
3. Давление в системе насоса

ID104 PXX Система насоса

1. Установка привода VSD на 1 x насос

ID105 Насосы PXX, PXY, PXz
ID106 Установка привода VSD на 1 x насос ID108 ' VSD на каждой из указанных выше насосных систем 3.2.1
ID107 PXX Система насоса

1. Установка привода VSD на 1 x насос ID109 SX Башня охлаждения
2. Снизить «переохлаждение» - поднять температуру циркулирующей воды

ID110 SX Башня охлаждения

1. Установка привода VSD на вентиляторы

многообещающие из их числа воплощаются в жизнь.

Расчёт стоимости инвестиций
Другой способ определения того, какие отдельные меры должны приниматься - это использование графика окупаемости, на котором представлен качественный краткий обзор идентифицированных возможностей экономии энергии по отношению к ожидаемой экономии энергии и вероятной стоимости инвестиций рис. 5, или, говоря другими словами, на графике окупаемости визуально представлена базовая интерпретация окупаемости реализации идентифицированной возможности. Такая графическая оценка помогает быстро определить, какие меры (как правило, расположенные выше оранжевой линии) обладают потенциалом хорошей окупаемости инвестиций.
В примере с электростанцией, работающей на угле, меры, окончательно идентифицированные как стоящие капиталовложений в рационализацию энергопотребления, и которые являются вполне типичными для подобных примеров, приведены на рис. 6.
В их число входят не только чисто технические меры, которые повысят эффективность энергопотребления электростанции;                                      совершенствование производственного процесса как на уровне руководства станции, так и на уровне операторов также окажет существенное воздействие. Примеры потенциальных участков рационализации можно найти во многих производственных процессах электростанции:

1. Ручное отключение ненужных в данный момент устройств
2. Повышенная локализация частоты отклонения параметров изоляции
3. Разработка эффективной политики по замене освещения
4. Введение политики по замене устройств на основе оценки стоимости срока службы (LCA)
5. Разработка политики по профилактическому обслуживанию
6. Внедрение целевой программы эффективного пользования энергией.

Генеральный план

1. Оценка стоимости энергии с применением трёхэтапной методологии АББ

1. Определённые производственные участки электростанции потребляют большую долю всей потребляемой энергии

На этом этапе возможности, идентифицированные на стадии оценки, перерабатываются в подробный план внедрения. Генеральный план представляет собой набор проектов усовершенствований, каждый из которых имеет осязаемые и поддающиеся расчёту преимущества. Генеральный план в основном разрабатывается концерном АББ совместно с заказчиком, и в конце этапа разрабатывается чёткая «дорожная карта», включающая подробные проектные спецификации, чтобы позволить осуществить максимально экономичное внедрение мер по экономии энергии. Некоторые из самых быстровыполнимых и простых мер могут быть уже осуществлены заказчиком в течение этой стадии без помощи со стороны АББ. Тогда как многие возможности могут быть реализованы с помощью ключевых технологий АББ, те из них, которые не основаны на указанных технологиях, могут быть реализованы третьими сторонами.
Внедрение
Внедрение в большинстве случаев выполняется совместно силами АББ и заказчика, или, в зависимости от проекта, только АББ с соответствующими партнёрами или другими производителями оригинального оборудования.
Оценка успехов
Все осуществлённые методы усовершенствования эффективности использования энергии будут совершенно бесполезны, если не будут отмечаться постоянные ощутимые эффекты. Следовательно, представляется существенным внедрение надлежащих инструментов для регистрации и демонстрации достигнутых усовершенствований на всех соответствующих участках станции. Эта информация необходима в отношении всех осуществлённых мер, как для технологий, управления, мониторинга и определения экономических показателей ТЭЦ, так и для рабочих режимов и практик.
Успехи, в особенности для работающих на угле электростанций, сильно зависят от эксплуатационного режима станции; у станций, которыми управляют в установившемся режиме, есть лишь небольшой потенциал для оптимизации, в то время как те станции, для которых характерен режим работы с частичной нагрузкой, идеально подходят для проведения работ по идентификации возможностей рационализации использования энергии рис. 7.
В примере со станцией на 500 МВт, приведённом в данной статье, можно достичь повышения тепловой мощности на 8 процентов. Можно также добиться снижения выбросов парниковых газов на 8 процентов по отношению к увеличившейся выходной мощности станции. Этот показатель распределяется более или менее равномерно между различными участками станции, в зависимости от влияния каждого из числа таких участков на общую паразитную нагрузку станции рис. 8.
Эти результаты могут быть достигнуты благодаря усилиям и находчивости специалистов АББ в поисках наилучшего возможного решения рационализации потребления энергии электростанциями.
Вернер Яник

Во всех регионах мира спрос на электрическую энергию растёт в два раза быстрее, чем спрос на первичную энергию. Эта тенденция особенно примечательна в развивающихся экономиках Ближнего Востока, Индии и Китая.

АББ, отдел производства электроэнергии,
Мангейм, Германия werner.janik@de.abb.com
Йозеф Лауэр
АББ, отдел автоматизации производства,
Монреаль, Канада joseph.lauer@ca.abb.com
Заглавный рисунок
Даже при том, что темп роста доли возобновляемой энергии и без того достаточно высок, продолжаются исследования для более эффективного использования больших объёмов возобновляемой энергии.

Источник: AББ