Как система оптимизации режимов ТЭЦ помогает увеличению маржинальной прибыли ТЭЦ «ТГК-1»

По прогнозу Международного энергетического агентства, который сделан в декабрьском докладе 2022 года, мощность возобновляемых источников энергии в мире вырастет на 75% в 2022–2027 годах. При всех бесспорных достоинствах «зеленой» энергии у нее есть существенный недостаток — нестабильная выработка. Решить эту проблему можно с помощью промышленных систем накопления энергии. О наиболее перспективных технологиях, существующих на мировом рынке накопителей, читателям «Энергии Северо-Запада» рассказывает эксперт — к.т.н., заведующий лабораторией литий-ионных технологий ФТИ им. Иоффе Василий Жданов.

По информации глобальной базы данных Sandia Lab, которая собирает статистику о подключенных к сети хранилищах энергии, 97% накопления и хранения электроэнергии в мире обеспечивают гидроаккумулирующие электростанции. В оставшиеся 3% входят в основном накопители на сжатом воздухе, маховики, тепловые, а также электрохимические накопители: свинцово-кислотные, никель-кадмиевые, литий-ионные, натрий-серные, бром-цинковые, ванадиевые проточные, никель-металлгидридные батареи и др.

Наиболее проверенные и давно известные хранилища энергии — гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС). Избыточная энергия используется для перекачки воды в верхний резервуар. Когда необходимо, воду сбрасывают в нижний резервуар, вырабатывая электроэнергию. Технология позволяет накапливать большое количество энергии, но для строительства ГАЭС требуется подходящее место с перепадом высот.

Первую установку построили еще в 1882 году в Швейцарии. С тех пор количество ГАЭС, по данным Sandia Lab, выросло более чем в 300 раз и по-прежнему увеличивается. Так, в конце 2022 года в Китае введена в эксплуатацию крупнейшая в мире гидроаккумулирующая электростанция мощностью 3,6 ГВт.

По прогнозу исследовательской компании BloombergNEF, в 2023 году ГАЭС привлекут больше инвестиций, чем другие технологии долговременного хранения.

Одно из самых небольших по количеству (15 единиц согласно базе данных Sandia Lab), но крупных по мощности хранилищ энергии — накопители на сжатом воздухе. Избыточную энергию используют для сжатия воздуха, который закачивают в резервуары (обычно это соляные пещеры) и хранят в них. В период пикового спроса сжатый воздух выпускается через турбину и вырабатывает ток. Преимущество решения — в хранении большого количества энергии, однако для строительства таких накопителей, как и для ГАЭС, требуется подходящее место с подземными кавернами. Недостаток можно обойти, создавая искусственные резервуары, но это увеличит стоимость проекта.

Первая в мире установка для аккумулирования энергии на сжатом воздухе появилась в 1978 году в Германии. Сегодня технологию активно внедряет Китай. Проект мощностью 100 МВт был подключен к национальной энергосистеме в Чжанцзякоу в провинции Хэнань в сентябре 2022 года. Тогда же государственное предприятие China Energy Engineering Corp заявило, что инвестирует 313 млн долларов США в строительство хранилища энергии на сжатом воздухе мощностью 350 МВт в соляной пещере в провинции Шаньдун. Ожидается, что годовая мощность станции составит 1 млрд кВт⋅ч.

Один из видов промышленных накопителей — маховичные. Маховик или его перспективное исполнение, супермаховик, который вращается с высокой скоростью, соединен с генератором, конвертирующим энергию вращающейся массы в электрическую и обратно. Маховичные накопители могут работать в широком диапазоне температур, служат более 20 лет, при коротких (менее часа) циклах зарядки и разрядки обеспечивают эффективность хранения энергии до 95%. Недостатки обусловлены конструктивными особенностями. Маховик на весу поддерживают магнитные подшипники. С помощью постоянных магнитов сложно обеспечить равномерное магнитное поле по всему диаметру вращения, что приводит к колебаниям. При использовании же электромагнитных подшипников, чтобы удерживать вес маховика в подвешенном состоянии, требуется большой расход энергии.

В 2011 году компания Beacon Power открыла кластер из 200 маховиков в Стефентауне, штат Нью-Йорк, мощностью 5 МВт·ч. Аналогичная система мощностью 20 МВт разработки той же компании появилась в Хазл-Тауншип, штат Пенсильвания, в 2014 году.

Для промышленного хранения электроэнергии используются также тепловые системы накопления. Тепло аккумулируют с помощью разных технологий: хранят в песке (например, в 2022 году в Финляндии появился «песочный аккумулятор» с тепловой мощностью в 100 кВт), раскаленных камнях (с 2022 года в Италии функционирует «каменный» накопитель, способный хранить до 24 МВт·ч тепловой энергии около пяти часов).

Один из наиболее широко используемых мегаваттных тепловых накопителей — накопители на расплавленной соли. Они вносят существенный вклад в общий баланс мощности, хотя количество их невелико (по статистике за 2020 год — 35 единиц). Технология используется в Дубае, в солнечном парке имени Мохаммеда ибн Рашида Аль Мактума — одной из крупнейших в мире сети солнечных электростанций. В ноябре 2022 года датская компания Hyme Energy ApS объявила, что приступает к созданию хранилища тепловой энергии на расплавленной соли на острове Борнхольм в Балтийском море. Строительство объекта мощностью 1 МВт планируется закончить в 2024 году.

Широкое применение в системах накопления электрической энергии нашли литий-ионные аккумуляторные батареи. На их долю приходятся наибольшие суммарные мощности и энергоёмкости по сравнению с другими типами батарей.

Общий принцип работы электрохимических батарей можно описать так: в процессе заряда электроэнергия преобразуется в химическую, а во время разряда происходит обратная реакция и высвобождение энергии.

Спрос на литий-ионные батареи в качестве высокоэнергоемких накопителей вырос в 2010-х годах в связи с увеличением производства электромобилей и развитием ВИЭ-генерации. По сравнению с упомянутыми выше методами аккумуляторные накопители относительно малы — их можно построить практически в любом месте. Литий-ионные аккумуляторы быстро заряжаются, обеспечивают высокую плотность накапливаемой энергии, выдерживают до 10 тыс. циклов заряда/разряда. Из недостатков следует упомянуть относительно низкий срок службы (5 — 8 лет), высокую пожароопасность, необходимость поддерживать особый температурный режим: при охлаждении или перегреве аккумулятор отдает меньший заряд.

Один из наиболее крупных литий-ионных «аккумуляторов» был создан в 2017 году в штате Южная Австралия. Его мощность составляет 100 МВт, емкость — 120 МВт·ч. «Батарея» помогает сохранять энергию, вырабатываемую ветряной станцией.

В России также развивают производство литий-ионных батарей. В качестве примера можно привести «гигафабрику», строящуюся Госкорпорацией Росатом в городе Неман Калининградской области. По сообщению пресс-службы «Росатома», завод обеспечит потребности отечественных производителей электротранспорта в тяговых литий-ионных батареях, а электросетевой комплекс — в стационарных системах накопления энергии. Первые аккумуляторы сойдут с конвейера в 2025 году.

Один из часто задаваемых вопросов: хватит ли лития на все потребности? Месторождения литийсодержащей руды обнаружены на всех континентах. Самыми большими запасами обладают Боливия (21 млн т), Аргентина (19,3 млн т), Чили (9,6 млн т), Австралия (6,4 млн т), Китай (5,1 млн т). В России крупное месторождение литиевых руд находится в Мурманской области.

На вопрос, какая из технологий наиболее перспективна, можно ответить, что ставка делается на все технологии накопителей. Они не конкуренты, а дополняют друг друга на мировом рынке. Какую систему промышленного хранения использовать, зависит от задачи, стоимости строительства и цены ватт-часа. Если речь идет о дата-центре, в здании которого нужно поставить накопитель с высокой удельной мощностью, имеет смысл выбрать литий-ионные аккумуляторы. Если требуется обеспечить национальные энергосистемы мега- и гигаваттами маневренной мощности, возможно, следует рассмотреть ГАЭС или технологии накопления на сжатом воздухе.

Существует и другой сценарий: создавать гибридные системы хранения. Например, в Нидерландах в августе 2020 года введена в эксплуатацию система накопления энергии, состоящая из литий-ионных аккумуляторов производства швейцарской компании Leclanché и шести маховиков, созданных голландским предприятием S4 Energy. Разработчики считают, что сочетание этих двух технологий обеспечивает явное преимущество для дальнейшей интеграции возобновляемых источников энергии в энергосистему.

Можно ожидать, что в 2023 году количество систем накопления электроэнергии и их энергоемкость будут только расти, а в будущем установки, в которых технологии альтернативной энергетики объединены с промышленными хранилищами, станут обычным явлением для любой страны.

Распускать и собирать поезда, закреплять вагоны, руководить маневрами и самому выполнять работы. Хоть днем, хоть ночью и в стужу, и в зной — вот она, настоящая рабочая романтика! Герои нашей рубрики — сотрудники топливно-транспортного цеха Автовской ТЭЦ — составитель поездов Владимир Капралов и машинист тепловоза Олег Ефремов.

Железная дорога — историческое наследие Автовской ТЭЦ, которое осталось со времени, когда станция работала на мазуте. И сегодня это важная транспортная магистраль: по ней на ТЭЦ доставляют цемент и другие необходимые грузы контрагентам. Сейчас ж/д пути особенно востребованы: на Автовской ТЭЦ идет масштабная модернизация, и большое количество нового оборудования привозят на станцию именно по железной дороге.

Кислороду тут не место
Что человеку хорошо, то котлу — смерть. Речь о кислороде. Шутки шутками, но кислород и свободная углекислота, содержащиеся в воде, могли бы сильно укоротить жизнь котлоагрегатов. Поэтому на помощь приходит такая важная деталь, как деаэратор

Монтаж деаэратора можно увидеть на ЭС-2 Центральной ТЭЦ, где идет строительство новой водогрейной котельной. Это редкая возможность разглядеть его «в деталях». Ведь, как правило, деаэратор находится в каждой котельной многие годы уже в «собранном» виде и не привлекает к себе внимания.

Почему он так необходим? Водогрейные котлы состоят большей частью из стальных элементов. Основным теплоносителем для систем отопления служит обычная вода. Она содержит излишки кислорода, а также углекислого газа — до 13 мг/кг. Эти примеси являются для стальных деталей агрессивной средой и приводят к коррозии металла и ржавчине. Это существенно сокращает сроки эксплуатации оборудования.

Деаэраторы созданы для того, чтобы решить эту проблему и удалить из воды лишние «пузырьки». После прохождения через деаэратор в воде содержится практически несущественное количество активных газов — менее 20 мкг/кг.

По принципу действия деаэраторы бывают двух видов. К первому относятся атмосферные деаэраторы, способные работать как на воде, так и на пару. Вторые – вакуумные, обслуживающие исключительно паровые агрегаты. Деаэратор, устанавливаемый в новой котельной на ЭС-2, — атмосферный. Он состоит из деаэрационной колонки, деаэрационного бака, охладителя выпара, предохранительного устройства для защиты от аварийного повышения давления, регулирующих клапанов расхода и давления.

Воду дробят, пропускают, кипятят
Как работает деаэратор? Если сильно упростить, то внутри устройства вода подвергается кипячению с помощью перегретой до 150 градусов воды. Происходит переход растворенного газа в пар. При этом одного только кипячения для полной дегазации недостаточно: должны быть созданы специальные условия для перехода газов из жидкости в паровое пространство. Эти условия достигаются дроблением воды на тонкие струи и при барботаже, то есть пропускании пара через тонкие слои воды.

Поэтому в деаэраторе применена двухступенчатая схема дегазации: первая ступень — струйная, вторая — барботажная.

Очищаемая жидкость через штуцеры — специальные отрезки трубы — подается в колонку сверху, перегретая вода, наоборот, подается снизу. На первой из ступеней вода через дырчатые тарелки мелкими струйками стекает вниз. Перегретая вода нагревает струи до температуры, близкой к температуре насыщения, то есть максимально высокой, при которой вода еще остается в жидком состоянии. Здесь же из нее удаляется основная масса газов и конденсируется большая часть пара. На второй ступени в работу вступает барботажная тарелка — устройство, где пар проходит сквозь тонкий слой воды. Пар увлекает за собой воду вверх, она нагревается до температуры насыщения в 102–104 градуса (проще говоря, вскипает) и отдает остатки растворенных в ней газов.

Из колонки уже практически полностью очищенная от газов жидкость стекает в бак-аккумулятор, где за счет отстоя из нее выделяются мельчайшие пузырьки. Теперь подготовленная вода будет использована для подпитки теплосети. А оставшаяся парогазовая смесь — выпар — отведена из верхней зоны колонки.

Деаэратор — надежное устройство с долгим сроком службы — не менее 30 лет. Он не требует постоянного ремонта, по инструкции его необходимо осматривать не реже, чем раз в четыре года, а гидравлические испытания проводить не реже, чем раз в 12 лет. Для защиты от опасного повышения давления и уровня воды в баке у деаэраторов есть комбинированное предохранительное устройство — это три гидрозатвора 4,25 м высотой и три охладителя выпара.

Как и любой механизм, деаэратор хоть и работает автоматически, но требует внимательности и серьезного к себе отношения. Устройство должно функционировать непрерывно, периодическая работа не допускается. Пуск и останов (в случае капремонта или аварии) должны производиться вручную. Необходимо следить за уровнем воды в баке (он не должен отклоняться от номинального больше чем на +-100 мм), поддерживать рабочее давление внутри установки. Сотрудники раз в смену контролируют расход выпара, обязательно делают пробу деаэрированной воды и определяют, действительно ли в ней нет кислорода и свободной углекислоты.

Энергетики — люди увлеченные. Причем не только своей профессией, но и самыми необычными видами досуга и творчества. В этом номере сотрудники «ТГК-1» рассказывают о своих ярких и необычных хобби.

Знаете, что нужно, чтобы долгая северная зима пролетела быстро и весело? У энергетиков «ТГК-1» есть проверенный годами рецепт. Вот его основные ингредиенты: лыжные гонки — раз, катание на коньках — два, спортивные традиции и праздники — три.

Уже 13-й сезон подряд «ТГК-1» проводит в Мурманской области соревнования по лыжным гонкам. Участие в них принимают воспитанники детских спортивных школ от 6 до 16 лет. За годы проведения турнир стал самым массовым в данной дисциплине в регионе и полюбился юным спортсменам, которые каждый год ждут старт Кубка.

Главная причина такого интереса — программа турнира. Во-первых, Кубок включает четыре этапа. Они проходят в дисциплинах, которые редко проводятся на других соревнованиях: командные спринты, командная эстафета. Во-вторых, по итогам этапов объявляются абсолютные чемпионы как в личном зачете — на финале называют имена восьми лучших лыжников сезона, так и в командном — сильнейшие сборные городов и поселков увозят домой Кубки «ТГК-1».

В этом году наконец-то после коронавируса Кубок проходит в полном формате — все четыре этапа в разных городах области. Открытие состоялось в Кандалакше и собрало рекордное число участников — 320 лыжников из 19 городов и поселков Мурманской области и Карелии.

Второй этап был в Апатитах, где на лыжне в командных спринтах состязались 113 команд. При такой конкуренции эмоции на дистанции кипели! Более того, в этом этапе приняли участие сильнейшие лыжники-юноши области — турнир стал контрольным, проверочным стартом для них перед Первенством России.

Третий этап состоялся в Мурманске 26 февраля, а финал пройдет 2 апреля в Апатитах. Традиционно на закрытии турнира состоится и эстафета почетных гостей: главы городов, сами энергетики, тренеры спортивных школ тоже выйдут на лыжню.

«ТГК-1» организует турнир при поддержке Федерации лыжного спорта Мурманской области. Каждый этап помогают проводить администрации городов, спортивные школы и комплексы.

Проект, который ПАО «ТГК-1» реализует совместно с КРОМО «Молодёжные инициативы» и Ресурсным центром добровольчества Карелии, уже давно стал доброй традицией нашей компании.

Самый большой уличный каток столицы Карелии, расположенный в центре города, вновь стал местом притяжения для сотрудников Филиала «Карельский» и тысяч петрозаводчан. Лед пользовался большой популярностью у детей, молодежи и взрослых как в будни, так и в праздники на протяжении всех двух месяцев. Кроме того, каждые выходные с конца января в парке была организована большая арт-площадка с развлечениями для всей семьи.

Здесь состоялись выступления фигуристов ДЮСШ № 6, мастер-классы по катанию на коньках, квесты, викторины, танцевальные флешмобы от Городского корпуса волонтеров, работали «Доброе кафе» и тематическая фотозона. Жители получили возможность приятно провести время со своими родными и друзьями, приобщиться к здоровому образу жизни, а волонтеры региона – реализовать свои творческие проекты.

Друзья!

Редакции важно ваше мнение, и мы ценим обратную связь от вас. Предлагаем поделиться с нами идеями для новых рубрик или темами статей, которые кажутся вам интересными. Для этого заполните, пожалуйста, форму ниже. Среди читателей, которые выступят с предложениями до 17-го марта 2023 года, мы с помощью генератора случайных чисел разыграем три сувенира с корпоративной символикой «ТГК-1».

Примите участие в создании газеты «Энергия Северо-Запада» и получите приз!