Расчет газопоршневой генерации, когенерационного тепла и потребности в газе
Энергетический центр комплекса объединяет внешнюю электрическую сеть, газопоршневые установки, систему утилизации тепла, резервно-пиковую котельную, тепловые накопители, дизельный генератор и автоматическое управление нагрузками.
Газопоршневая установка одновременно производит электричество и тепло. Электричество поступает на внутренние шины комплекса, а тепло двигателя и выхлопных газов через теплообменники направляется на горячее водоснабжение, отопление, вентиляцию и бассейны.
Для предпроектного расчета принимается газопоршневой модуль класса 250 киловатт. Это значение должно означать чистую продолжительную электрическую мощность на общих шинах после вычета собственных нужд установки.
Производитель должен гарантировать мощность с учетом высоты площадки, температуры воздуха и фактического состава газа. Номинальная мощность двигателя в стандартных условиях может отличаться от мощности, доступной на объекте.
Базовая максимальная электрическая нагрузка полного комплекса составляет 280–304 киловатта. Заявленная мощность внешней сети равна 250 киловаттам. При совместной работе с сетью требуемая мощность газопоршневой генерации для покрытия базового дефицита определяется следующим образом:
PГПУ.сеть = 304 − 250 = 54 кВт.
Мощность 54 кВт — арифметический дефицит базы, а не подтверждённый рабочий режим двигателя 250 кВт. Возможность длительной работы на такой нагрузке, её расход топлива и целесообразность запуска проверяются по характеристикам выбранной ГПУ.
Для покрытия дефицита достаточно одной работающей установки класса 250 киловатт. Общая мощность сети и одной ГПУ составит:
Pдост = 250 + 250 = 500 кВт.
Резерв относительно верхней базовой нагрузки равен:
Pрез = 500 − 304 = 196 кВт.
Этот резерв может быть использован для насосов, водоподготовки, очистных сооружений, вентиляции, бассейнов, медицинских помещений и других потребителей. Если их одновременная нагрузка превысит 196 киловатт, второй газопоршневой модуль станет рабочим и перестанет выполнять функцию резерва.
Для полного комплекса при совместной работе с сетью предварительно предусматриваются одна рабочая и одна резервная ГПУ. Если внешняя сеть отключится, одной установкой невозможно покрыть базовую нагрузку 304 киловатта. Поэтому возможность автономного питания всего комплекса требует другой конфигурации.
Количество одновременно работающих установок для автономного режима определяется следующим образом:
NГПУ.авт = округление вверх [304 ÷ 250] = 2 установки.
Две работающие машины обеспечивают 500 киловатт. Чтобы после отказа одной установки сохранить две работающие машины, требуется третий резервный модуль. Предварительная автономная конфигурация полного комплекса состоит из двух рабочих и одной резервной ГПУ.
Полная электрическая нагрузка пока не включает все инженерные и дополнительные функции. Поэтому площадка энергоцентра, газовая система, электрические шины и автоматика должны допускать подключение четвертого модуля либо использование установок большей единичной мощности.
Базовая нагрузка первой очереди составляет 140–152 киловатта и предварительно покрывается внешней сетью. После добавления общей инфраструктуры может возникнуть необходимость в одной работающей ГПУ. Для автономной работы первой очереди предусматриваются одна рабочая и одна резервная установка.
Количество установленных модулей определяет располагаемую мощность, но не годовую выработку. Газопоршневая установка не обязана постоянно работать на полной нагрузке. Ее выработка определяется почасовым балансом:
Eсеть + EГПУ = Eкомплекса.
Для полного комплекса:
Eсеть + EГПУ = 1 349 040–1 464 672 кВт·ч в год.
Для первой очереди:
Eсеть.1 + EГПУ.1 = 674 520–732 336 кВт·ч в год.
Если часть электричества покупается из сети, годовая выработка ГПУ уменьшается. Если газопоршневая установка производит больше энергии, чем объект способен потребить, должна быть предусмотрена разрешенная выдача в сеть либо автоматическое ограничение мощности.
Для расчета тепловой выработки принимается сценарное соотношение 1,14 киловатт-часа полезного тепла на один киловатт-час произведенного электричества:
Eког.пот = 1,14 × EГПУ.
Фактически использованное тепло не может превышать потенциальную выработку:
Eког.исп ≤ Eког.пот.
Остаточная годовая нагрузка котельной определяется формулой:
Eкот = Eтепл − Eког.исп.
Если газопоршневые установки условно производят весь годовой объем электричества полного комплекса, нижняя граница потенциального когенерационного тепла составляет:
Eког.min = 1 349 040 × 1,14 ≈ 1 537 906 кВт·ч.
Верхняя граница:
Eког.max = 1 464 672 × 1,14 ≈ 1 669 726 кВт·ч.
После округления потенциальная когенерационная выработка составляет 1,538–1,670 гигаватт-часа в год.
При полном полезном использовании этого тепла остаточная нагрузка котельной равна:
Eкот.min = Eтепл.min − Eког.min ≈ 9,96430323 − 1,53790560 ≈ 8,426 ГВт·ч.
Eкот.max = Eтепл.max − Eког.max ≈ 12,04440751 − 1,66972608 ≈ 10,375 ГВт·ч.
Даже при максимальной годовой выработке газопоршневые установки покрывают только около 13,9–15,4 процента расчетного годового теплопотребления. Поэтому котельная остается основным источником отопления и пикового горячего водоснабжения.
Для первой очереди при условном производстве всего расчетного объема электричества потенциальная когенерационная выработка составляет:
Eког.1.min = 674 520 × 1,14 ≈ 768 953 кВт·ч.
Eког.1.max = 732 336 × 1,14 ≈ 834 863 кВт·ч.
После округления получаем 0,769–0,835 гигаватт-часа тепла в год.
Фактически используемое тепло определяется не годовой суммой, а совпадением электрической и тепловой нагрузки в каждом часу. Если установка работает летом, но горячая вода и бассейны не способны принять ее тепло, часть энергии придется сбрасывать. Такой объем не создает экономии.
Почасовая тепловая мощность определяется следующим образом:
Qког.пот.ч = 1,14 × PГПУ.ч.
Остаточная нагрузка котельной:
Qкот.ост.ч = Qтепл.ч − Qког.исп.ч.
До получения гарантированных характеристик выбранных установок когенерационное тепло не признается резервом котельной. Контрольная мощность котельной полного комплекса сохраняется на уровне не менее 5,01 мегаватта, а первой очереди — не менее 2,51 мегаватта.
На переходном этапе газопоршневые установки и котельная работают на СУГ. Для расчета принимается удельный расход ГПУ 0,358 литра жидкой фазы на один киловатт-час электрической выработки:
VСУГ.ГПУ = 0,358 × EГПУ.
Полезная тепловая отдача котельной принимается равной 6,17 киловатт-часа на один литр СУГ. Расход котельной определяется по формуле:
VСУГ.кот = (Eтепл − Eког.исп) ÷ 6,17.
Общий расход топлива включает ГПУ, котельную, кухню, собственные нужды и дополнительные потребители:
VСУГ.общ = VСУГ.ГПУ + VСУГ.кот + Vкух + Vсоб + Vобяз + Vдоп.
Если весь годовой объем электричества полного комплекса поступает из внешней сети, газопоршневая генерация отсутствует, а все тепло производится котельной. Базовый расход СУГ составляет 1,61–1,95 миллиона литров в год.
Если весь расчетный объем электричества производят ГПУ, годовой расход топлива генераторами равен:
VСУГ.ГПУ.min = 1 349 040 × 0,358 ≈ 482 956 л.
VСУГ.ГПУ.max = 1 464 672 × 0,358 ≈ 524 353 л.
При полном использовании когенерационного тепла остаточный расход котельной составляет приблизительно 1,37–1,68 миллиона литров. Совокупный базовый расход ГПУ и котельной получается около 1,85–2,21 миллиона литров СУГ в год.
Расход кухни, собственных нужд, бассейнов и дополнительных объектов в этот диапазон не включен. Поэтому фактическое годовое потребление будет выше.
Для первой очереди при условной выработке всего годового объема электричества расход СУГ газопоршневыми установками составит:
VСУГ.ГПУ.1.min = 674 520 × 0,358 ≈ 241 478 л.
VСУГ.ГПУ.1.max = 732 336 × 0,358 ≈ 262 176 л.
Общий расход первой очереди можно определить только после утверждения ее годового теплопотребления и размеров общего ядра.
Испарители рассчитываются не по годовому объему топлива, а по максимальному часовому расходу наиболее холодного периода. Расчетная формула имеет вид:
VСУГ.ч = 0,358 × PГПУ.ч + (Qтепл.ч − Qког.исп.ч) ÷ 6,17 + Vкух.ч + Vсоб.ч + Vобяз.ч + Vдоп.ч.
Для пересчета литров жидкой фазы в массовую производительность принимается плотность СУГ 0,522–0,555 килограмма на литр и резерв 15 процентов:
Gисп = VСУГ.ч × ρСУГ × 1,15.
При совместной работе полного комплекса с внешней сетью газопоршневая установка должна покрыть базовый дефицит 54 киловатта. При максимальной тепловой нагрузке 4,35 мегаватта и расчетной нагрузке кухни суммарный расход составляет около 766,8 литра СУГ в час.
Здесь сохранён сценарный часовой расход исходной концепции. Отдельные исходные нагрузки кухни и минимально допустимая загрузка двигателя для этого режима не раскрыты. Поэтому 766,8 л/ч и дальнейшие режимные значения не являются подтверждённой закупочной производительностью: расчёт необходимо повторить по технологическому заданию кухни и расходной характеристике ГПУ.
Необходимая производительность испарительной системы равна:
Gисп.min = 766,8 × 0,522 × 1,15 ≈ 460 кг/ч.
Gисп.max = 766,8 × 0,555 × 1,15 ≈ 489 кг/ч.
Предварительно предусматривается один рабочий испаритель класса 500 килограммов в час и второй резервный. Запас по производительности относительно верхней расчетной границы невелик, поэтому паспортные 500 килограммов должны быть гарантированы при минимальной зимней температуре и минимальном рабочем уровне топлива.
При автономном максимуме полного комплекса принимается электрическая выработка ГПУ 304 киловатта. Суммарный расход топлива генераторов, котельной и кухни составляет около 810,1 литра в час.
С учетом плотности и 15-процентного резерва необходимая производительность испарителей составляет 486–517 килограммов в час. Один аппарат класса 500 килограммов в час уже не обеспечивает расчетную верхнюю границу. Поэтому предварительно требуются два рабочих и один резервный испаритель.
Для первой очереди при работе от внешней сети без ГПУ расчетный часовой расход составляет около 379,5 литра. Требуемая производительность с запасом равна 228–242 килограммам в час.
При автономной электрической мощности 152 киловатта расход первой очереди составляет около 405,9 литра СУГ в час. Требуемая производительность равна 244–259 килограммам в час. В обоих режимах предварительно предусматриваются один рабочий и один резервный испаритель класса 500 килограммов в час.
Резервуарный парк также рассчитывается по максимальному зимнему расходу, а не по среднегодовому потреблению. В качестве единого модуля принимается резервуар номинальным объемом 50 кубических метров.
При предварительно принятом заполнении 85 процентов полезная вместимость одного резервуара составляет:
Vпол.1 = 50 × 0,85 = 42,5 м³ = 42 500 л.
Вместимость 42 500 л означает объём жидкой фазы при принятом заполнении 85%, до вычета неснижаемого и недоступного остатка. Приведённые ниже пределы суточного расхода рассчитаны без такого вычета и служат только верхними арифметическими ориентирами; для подбора парка остаток и аварийный запас задаются отдельно.
Для логистического расчета принимается партия поставки 28 500 литров и трехсуточный резерв. Требуемая полезная вместимость определяется формулой:
Vтреб = 3 × VСУГ.сут.max + 28 500.
Количество резервуаров:
N50 = округление вверх [Vтреб ÷ 42 500].
Два резервуара обеспечивают полезный объем 85 000 литров. После резервирования свободного места для очередной партии 28 500 литров остается 56 500 литров. Этого достаточно для трех суток, если максимальный суточный расход не превышает:
Vсут.max = 56 500 ÷ 3 ≈ 18 833 л/сутки.
Три резервуара обеспечивают полезный объем 127 500 литров. После вычета партии поставки для трехсуточного резерва остается 99 000 литров. Допустимый максимальный расход равен:
Vсут.max = 99 000 ÷ 3 = 33 000 л/сутки.
Четыре резервуара обеспечивают 170 000 литров полезного объема. Для трехсуточного резерва остается 141 500 литров:
Vсут.max = 141 500 ÷ 3 ≈ 47 167 л/сутки.
Если генеральным планом предусматривается возможность установки пяти резервуаров, их полезная вместимость составит 212 500 литров. После вычета очередной партии останется 184 000 литров, что соответствует максимальному трехсуточному расходу около 61 333 литров в сутки.
Количество резервуаров нельзя утверждать до расчета наиболее холодных суток. Дополнительно учитываются минимальный остаток, объем автоцистерны, срок доставки, зимнее состояние дорог, возможность заправки без остановки комплекса и требования безопасности. Проектирование резервуарных и испарительных установок выполняется по действующей редакции СП 62.13330 «Газораспределительные системы (https://docs.cntd.ru/document/1200084535)».
После подключения природного газа расчет выполняется по той же логике. Для ГПУ принимается расход 0,32 кубического метра газа на один киловатт-час электрической выработки:
Vгаз.ГПУ = 0,32 × EГПУ.
Полезная тепловая отдача котельной принимается равной 8,13 киловатт-часа на кубический метр:
Vгаз.кот = (Eтепл − Eког.исп) ÷ 8,13.
Полный расход природного газа определяется формулой:
Vгаз.общ = Vгаз.ГПУ + Vгаз.кот + Vкух + Vсоб + Vобяз + Vдоп.
Если электричество полностью поступает из внешней сети, а все тепло производится котельной, базовый годовой расход природного газа составляет около 1,23–1,48 миллиона кубических метров.
Если газопоршневые установки производят весь расчетный годовой объем электричества, их расход составляет:
Vгаз.ГПУ.min = 1 349 040 × 0,32 ≈ 431 693 м³.
Vгаз.ГПУ.max = 1 464 672 × 0,32 ≈ 468 695 м³.
При полном использовании когенерационного тепла котельная дополнительно расходует около 1,04–1,28 миллиона кубических метров. Совокупный базовый расход ГПУ и котельной составляет приблизительно 1,47–1,74 миллиона кубических метров природного газа в год.
Для первой очереди при условном производстве всего расчетного электричества расход природного газа газопоршневыми установками составляет:
Vгаз.ГПУ.1.min = 674 520 × 0,32 ≈ 215 846 м³.
Vгаз.ГПУ.1.max = 732 336 × 0,32 ≈ 234 348 м³.
Годовой объем газа нельзя использовать для заказа пропускной способности подключения. Технические условия выдаются с учетом максимального часового расхода.
Для полного комплекса суммарный базовый расход газопоршневых установок, котельной и кухни составляет 587,9 кубического метра в час при совместной работе с внешней электрической сетью. При автономном максимуме он возрастает до 632,8 кубического метра в час.
С 15-процентным запасом контрольная мощность подключения равна:
VТУ.сеть = 587,9 × 1,15 ≈ 676,1 м³/ч.
После округления требуется не менее 680 кубических метров в час плюс нерассчитанные нагрузки.
Для автономного режима:
VТУ.авт = 632,8 × 1,15 ≈ 727,7 м³/ч.
После округления требуется не менее 730 кубических метров в час плюс собственные, обязательные и дополнительные потребители.
Для первой очереди базовый максимум составляет 289,7 кубического метра в час при совместной работе с сетью и 317 кубических метров в час при автономном режиме. С 15-процентным запасом необходимо проверить подключение соответственно не менее чем на 335 и 365 кубических метров в час плюс нерассчитанные нагрузки.
Газопоршневую установку нельзя автоматически считать пригодной для работы на СУГ и природном газе. Производитель должен подтвердить допустимый состав каждого топлива, мощность, расход, настройки, перечень заменяемых деталей и сохранение гарантии.
Газопоршневые установки и котельная зависят от одного газового хозяйства. Прекращение подачи газа способно одновременно остановить производство электричества и тепла. Поэтому критические потребители должны иметь независимое питание от дизельного генератора и источников бесперебойного питания.
Окончательное решение принимается после почасового моделирования. Оно должно показать выработку каждой ГПУ, покупку электричества из сети, используемое и сбрасываемое тепло, остаточную работу котельной, расход топлива, максимальный зимний отбор и поведение системы при отказе одного модуля.