В конце августа 1994 года на московской ТЭЦ-21, снабжающей теплом и электроэнергией северные районы столицы, торжественно ввели в эксплуатацию первую в стране энергетическую установку, которая для производства электроэнергии не требует сжигания топлива и поэтому совершенно безвредна для окружающей среды. Установка состоит из двух энергоагрегатов мощностью по 5 мегаватт, способных ежегодно вырабатывать до 80 млн. кВт.ч дешевой электроэнергии. Чтобы получать такое ее количество с использованием традиционной паровой турбины, требуется сжигать до 30 млн. кубометров газа.
Со времени описанного события прошло уже свыше 16 лет. Однако упомянутых бестопливных электростанций пока лишь несколько в энергосистеме страны. Почему же не выстраивается длинная очередь стремящихся приобрести этот топливосберегающий и экологически чистый источник электроэнергии? Да к тому же относительно дешевый, окупающийся за два-три года, что делает его весьма привлекательным для энергоснабжения отдельных предприятий и населенных пунктов.
Электроэнергия из газовой трубы Призыв известного сатирика к балеринам, прозвучавший лет сорок назад, крутить для общей пользы еще и «динаму», не привел тогда к массовому индивидуальному электрическому производству. Ведь служивших Терпсихоре ногами оказалось в стране не так уж много, да и топлива, причем дешевого, в те времена хватало с избытком. Так что проблема его сбережения не была актуальной. Иное дело сейчас.
Надо сказать, что утилизация бросовой энергии занимала умы не только сатириков, но и ученых. Как известно, для перекачки природного газа по трубопроводам на большие расстояния его сжимают компрессорами, увеличивая давление в транспортной магистрали. Иначе говоря, газу придают немалую энергию, которая расходуется на его перемещение. Давление в магистральных газопроводах поддерживается в 50—70 атмосфер, для чего примерно через каждые 200 км в газопровод врезаны компрессорные станции, компенсирующие утрачиваемую в пути энергию с тем, чтобы проталкивать газ дальше.
Но для потребителей такое огромное давление неприемлемо. К примеру, в быту оно разнесло бы конфорки газовых плит. Поэтому в местах потребления газа от магистрали сделаны отводы на станции распределения, где давление газа сбрасывается сначала до 6—12 атмосфер, а далее — на газораспределительных пунктах (принадлежат крупным потребителям и муниципальным предприятиям сбыта) оно понижается до одной, максимум трех атмосфер. А что значит сбросить давление? Это через специальное клапанное (дроссельное) устройство, напоминающее обычный водопроводный кран, газ из магистрали пропустить в трубу, питающую потребителей. При этом газ расширяется, и давление его падает. Таким образом, огромное количество энергии, затраченное на сжатие газа, безвозвратно теряется, так как «стравливается» в атмосферу. Как на помойку.
А если газ, используя его бросовое давление, заставить крутить еще и «динаму»? Такую идею высказали в 40-х годах прошлого столетия, когда только начали строить протяженные газопроводы, академики Миллионщиков и Капица. Но для ее воплощения в жизнь понадобилось несколько десятилетий.
Детандер-генератор из «Криокора» Как же бросовую энергию, стравливаемую в атмосферу, направить на пользу дела? Поступают очень просто: газ из магистрального трубопровода вместо дросселирующего устройства подают в специальную машину, так называемый детандер. Это трехступенчатая турбина, в принципе по конструкции мало чем отличающаяся от обычных газовых и паровых турбин. Газ входит в нее под высоким давлением, расширяется там и выходит с низким давлением. Когда газ расширяется, его температура понижается, так как он отдает при этом тепловую энергию. Согласно первому закону термодинамики, если кто помнит школьный курс физики.
Естественно, за счет изменения энергии газа совершается работа: воздействуя при расширении на сопловые лопатки турбины, газ заставляет вращаться ее вал. Новая конструкция лопаток позволяет при изменении давления газа поддерживать стабильным его расход в турбине и тем самым стабилизировать ее выходную мощность. Вал турбины связан с валом электрогенератора, чем и образуется детандер-генераторный агрегат (ДГА).
Таким образом, энергия сжатого газа, прежде выбрасываемая в атмосферу, теперь преобразуется в электрическую энергию. Газ же низкого давления из турбины направляется потребителю. Но чтобы при его расширении детандер не обледеневал (температура газа понижается на 60—70°С), газ перед поступлением в турбину пропускают через теплообменник, в котором он нагревается теплом отработанного теплоносителя, например подогретой водой или мокрым паром ТЭЦ. Этот подогрев одновременно дополнительно увеличивает энергию газа, из-за чего возрастают выполняемая им работа в турбине, а, следовательно, ее мощность и кпд.
Одновременно компенсируется значительная часть энергии, затрачиваемая на прокачку «голубого топлива» по газопроводам.
Изготовлен детандер-генераторный агрегат в компании «Криокор». Упомянутая выше установка, сооруженная на московской ТЭЦ-21, состоит из двух ДГА общей мощностью 10 МВт и работает с перепадом давления от 12 до 1 атмосферы.
В «Криокоре» отработана также схема комплексного агрегата с использованием газотурбинной установки (ГТУ), работающей на одном валу параллельно с детандером. Их режимы подбирают такими, чтобы развиваемые ими механические мощности были примерно равны. Для этого в ГТУ сжигают 1—2% поступающего из магистрали газа, а остальной идет в детандер.
Такая схема позволяет вдвое увеличить мощность электрогенератора, а, следовательно, и выработку им электроэнергии. При этом, как и в первой из схем, на входе в детандер осуществляется предварительно подогрев газа в теплообменнике, для чего используется, т. е. утилизируется, выхлопной газ ГТУ, температура которого достигает 300—400°С.
В итоге возрастают мощность и кпд всего агрегата. Такая схема энергоутилизационного комплекса предназначена для использования в местах, лишенных бросового тепла, в том числе на распределительных станциях с высоким перепадом давления газа. ДГА можно использовать и в комплексе с парогазовой установкой.
Конечно же, детандер-генераторные агрегаты не могут составить конкуренции крупным электростанциям, но в пересчете на киловатт мощности они требуют гораздо (в 2—4 раза) меньших капитальных затрат — в зависимости от мощности ДГА примерно до 450 долларов. Их можно достаточно быстро, за несколько месяцев, размещать на территориях уже действующих тепловых станций, окупаются они за 2,5—3 года, и они экологически чисты.
Чтобы получить киловатт-час от детандер-генератора, на подогрев газа тратится примерно 70 г условного топлива, в то время как для выработки такого же количества электроэнергии на ТЭЦ сжигается до 300 г. Но тепло, используемое в детандере, отбирается у пара, который предварительно уже поработал в паровой турбине, благодаря чему была произведена электроэнергия. Тем самым увеличивается кпд ТЭЦ.
Если кпд тепловых турбинных установок не превышает 40%, самых лучших парогазовых установок (газотурбинные двигатели в сочетании с паровой турбиной) — 50, то кпд детандер-генераторного агрегата достигает 75%, а себестоимость вырабатываемой им электроэнергии существенно ниже, чем на тепловых станциях.
Системный эффект от включения детандер-генераторного агрегата в комплекс с тепловой электростанцией был доказан научными и экспериментальными исследованиями, проведенными на ТЭЦ-21 Мосэнерго. Их организовали руководитель компании «Криокор» Александр Степанец и директор ТЭЦ Юрий Гуськов. К этому времени в «Криокоре» был создан ряд турбодетандеров различной мощности – на 2,5 и 6 МВт, и с различным давлением газа на входе, их запатентовали в нескольких странах, включая США, и они получили международное признание, о чем свидетельствуют многочисленные дипломы и медали различных выставок.
Началось сооружение энергокомплексов на базе ДГА на нескольких объектах ОАО «Газпром» и тепловых станциях некоторых региональных энергосистем, а также Украины и Белоруссии. В Белоруссии на Новолукомльской ГРЭС уже работает первая там такая установка. Изготавливается оборудование для Рязанской ГРЭС и Новочебоксарской ТЭЦ-3. А в прошлом году на ТЭЦ-23 Мосэнерго были включены в сеть два таких агрегата мощностью 12 МВт.
Грозит ли нам детандеризация всей страны? Следует отметить, турбодетандеры могут работать только в тех местах, где из магистральных трубопроводов отбирается газ и сбрасывается его давление. Причем мощность подобных установок обусловливается перепадом сбрасываемого давления, а также расходом газа в местах отбора, и поэтому ограничена пределами от 2,5 до 30 МВт. Ведь при постоянстве перепада давления газа мощность детандера прямо зависит от расхода газа потребителями, а лишний девать некуда.
По оценкам председателя совета директоров компании «Криокор» Александра Степанца турбодетандеры можно установить более чем на 600 газораспределительных станциях и пунктах газовых сетей страны. Их суммарная электрическая мощность превысит 2750 МВт, они смогут производить около 22 млрд. кВт.ч в год, что позволит ежегодно экономить примерно 6 млрд. кубометров голубого топлива.
Только на тепловых электростанциях «Мосэнерго», исходя из объема потребляемого ими газа, может быть установлено около 20 ДГА общей мощностью свыше 105 МВт. Они способны будут ежегодно вырабатывать около 800 млн. кВт.ч, что превысит один процент электроэнергии, ныне производимой всеми станциями «Мосэнерго». При этом сэкономится свыше 150 тысяч тонн условного топлива, составляющих около одного процента от нынешнего потребления. А так как такое количество топлива не будет сожжено, то в городскую среду не будет ежегодно попадать около 400 тонн вредных веществ.
Казалось бы, выгоды при весьма малых затратах налицо. Но громадное количество энергии, затрачиваемое на трубопроводную транспортировку газа, по-прежнему стравливается в атмосферу. Дело в том, что, как отмечалось, до недавнего времени ничто не побуждало экономить относительно дешевое «голубое топливо», в том числе за счет применения детандерных установок на электростанциях.
Нужда заставит
Нарастающий дефицит в поставках электростанциям газа и его подорожание, а также прогнозируемое увеличение в стране дефицита электрических мощностей несколько изменили отношение к детандерным установкам. Ведь то количество электроэнергии, которое можно выработать за счет стравливания давления из газопроводов не в атмосферу, а в турбодетандеры, позволит, как отмечалось, экономить ежегодно примерно 6 млрд. кубометров газа. А это почти 3,5% его прошлогоднего экспорта, и стоило такое количество в конце прошлого года около 2 млрд. долларов. Но помимо выигрыша от экономии топлива, внедрение детандерных установок позволит сэкономить также часть капитальных затрат, необходимых сегодня на обновление генерирующих мощностей.
Потенциальная мощность, которую можно создать в стране с помощью ДГА, близка, как отмечалось, к 2750 МВт, и обойдется их строительство примерно в 850 млн. долларов. Иначе говоря, затраты окажутся меньше стоимости газа, сэкономленного за год благодаря будущим ДГА. Если использовать традиционные газовые или паровые турбины, то на создание таких мощностей потребуется сумма примерно втрое большая.
Однако в бывшем РАО «ЕЭС» вследствие масштабности производства электроэнергии эффект «детандеризации» оказывался относительно небольшим. Поэтому к нескольким процентам экономии там относились свысока. Нынче «лёд тронулся». В частности, в генерирующей компании «Мосэнерго» на ТЭЦ-23, как отмечалось, построены два ДГА по 6 МВт и намечено ввести в Москве ещё 18 таких установок.
Весьма выгодным представляется массовое внедрение турбодетандерных установок и в «Газпроме». Их использование позволит полностью удовлетворить потребности компании в электроэнергии, а это около 16 млрд. кВт.ч в год.
Утилизация в детандерах всего потенциала ныне стравливаемого из газовых магистралей в атмосферу давления может, как отмечалось, обернуться прямой дополнительной ежегодной прибылью от экспорта сэкономленного на электростанциях газа, выручка за который превысит 1 млрд. долларов. Чтобы их заполучить, «Газпром» мог бы профинансировать строительство ДГА на своих газораспределительных станциях, а избыточную электроэнергию продавать на сторону. В этом деле могли бы принять участие и другие добытчики газа.
Учитывая рост тарифов на электроэнергию, эффективным окажется «точечное» внедрение детандер-генераторных установок для электропитания отдельных предприятий, а также малых городов и поселков. Там они дадут не единичные относительные проценты экономии, как в энергосистемах или на отдельных электростанциях, а значительно больше. Причем наиболее благоприятные условия для этого имеются на предприятиях, использующих в больших количествах природный газ в качестве сырья, так как на их территориях обычно расположены газораспределительные станции.
Конечно же, собственный источник не всегда позволит полностью избавиться от внешнего электроснабжения. К тому же необходимо резервирование. Но собственная дешевая электроэнергия, если она даже не полностью заменит покупную, в значительной мере позволит «разбавить» тариф покупной. Тем самым окажется возможным увеличить рентабельность предприятий.
Думается, само государство с последующей выгодой для бюджета могло бы поспособствовать финансированию строительства предприятиями собственных источников дешевой электроэнергии, в том числе и детандер-генераторных. Ведь после их окупаемости дополнительная прибыль, которая возникнет благодаря снижению энергозатрат, позволит увеличить налогооблагаемую базу предприятия, если эту прибыль использовать для расширенного воспроизводства. О какой помощи в финансировании строительства может идти речь?
Во-первых, на эти цели можно разрешить предприятию использовать инвестиционную компоненту в тарифе на электроэнергию, исключив ее из оплаты предприятия.
Во-вторых, отсрочить на год-два выплату всех налогов, связанных со строительством установки.
В-третьих, приравнять строительство детандерных установок к мерам по защите окружающей среды с обязательным выделением некоторых средств из региональных экологических фондов на это строительство.
Построить собственные ДГА там, где это возможно, окажется весьма выгодно и местным властям. Ведь снабжая дешевой «детандерной» электроэнергией «бюджетников» и население, можно будет сократить расходы местных бюджетов, в том числе за счет уменьшения дотаций малоимущим. При этом сократятся и расходы предприятий на так называемое перекрестное субсидирование населения, что позволит дополнительно увеличить их прибыль, а, следовательно, налогооблагаемую базу.
Свои ДГА местные власти смогут передать в эксплуатацию расположенным на их территории ТЭЦ или ГРЭС, а оплату за это производить зачетом им местных налогов. Причем в оплате следует учесть и часть прибыли, которую получит тепловая станция от повышения ее КПД при эксплуатации детандерной установки.
Не исключено, что правительство и власти на местах изыщут еще какие-то возможности, стимулирующие внедрение детандер-генераторных установок. Во всяком случае, так хотелось бы думать. Ведь реанимация и модернизация реального сектора экономики, а, следовательно, расширение налогооблагаемой базы, окажутся невозможными без внедрения ресурсо- и энергосберегающих технологий, в том числе в производстве электроэнергии.
Поэтому при нынешнем дефиците дешевых кредитных ресурсов немногочисленные фирмы, такие, как «Криокор», занимающиеся подобными технологиями, должны быть обязательно поддержаны государством. Так это делается во всех нормальных странах. А пока «Криокор» сам, на свой страх и риск, путем банковских заимствований кредитует строительство своих установок в той же генерирующей компании «Мосэнерго», которая принадлежит теперь «бедному» газовому монополисту.
энергосбережение, энергоэффективность, детандер
