Ключевые слова: гибридная мини-ТЭЦ, попутный нефтяной газ (ПНГ), солнечный подогрев воздуха, рекуперация тепла, газотурбинная установка.
Рост глобального спроса на энергию, необходимость сокращения выбросов парниковых газов и актуальность энергоэффективных решений для удаленных объектов нефтегазовой промышленности обусловили повышенный интерес к маломасштабным гибридным энергетическим установкам. Особую актуальность приобретают технологии, сочетающие использование традиционных углеводородных ресурсов с возобновляемыми источниками энергии, особенно в регионах с высоким уровнем солнечной инсоляции. Ирак, обладая значительными запасами попутного нефтяного газа (ПНГ) и благоприятными климатическими условиями, представляет собой перспективную платформу для внедрения гибридных мини-ТЭС, способных обеспечить локальное энергоснабжение нефтяных объектов с высокой топливной и экологической эффективностью [1, 14]. В традиционных газотурбинных установках (ГТУ) малой мощности существенная часть тепла теряется с выхлопными газами, а неравномерность нагрузки и климатические особенности могут приводить к снижению КПД и увеличению расхода топлива. Интеграция солнечного подогрева воздуха перед компрессором, а также использование регенерации тепла выхлопных газов позволяют существенно улучшить энергетические показатели установки. Такие подходы обеспечивают дополнительную термодинамическую эффективность без увеличения расхода топлива, снижая тем самым эксплуатационные издержки и уровень загрязнения окружающей среды [2, 15]. Полученные результаты демонстрируют значительный потенциал предложенной системы, особенно в контексте интеграции возобновляемых источников энергии. Для дальнейшего развития технологии авторы рекомендуют сосредоточиться на оптимизации работы теплового насоса, снижении температурных перепадов в теплообменниках и уменьшении капитальных затрат. Данная работа представляет существенный вклад в развитие гибридных энергетических систем нового поколения.
Литературный обзор
В работе [3, 16] была исследована гибридная ТЭС, полученные результаты показали, что если подключается солнечная система, то снизится расход топлива на 30 %. Автор работы пришел к выводу о том, что наибольший экзегетический КПД на уровне 33 % имеют блоки 6, 20 и 25 МВт, что свидетельствует о возможности эффективного совмещения котельного и турбинного оборудования данной мощности, а также комплектования технологических схем мини-ТЭС.
В обзорной статье Алфаяад А.Г.Х. [4] был проведен анализ применения ПНГ для ГТУ. В работе представлены мнения различных авторов, которые доказали, что одним из методов увеличения КПД МГТУ является использование цикла с рекуперацией. При проведении расчетов тепловых схем МГТУ необходимо найти оптимальную величину степени повышения давления в компрессоре (СПДК). Обычно этот диапазон СПДК включает в себя оптимальную степень повышения давления как по полезной работе, так и по КПД МГТУ. Выбор диапазона изменения СПДК зависит от схемы МГТУ. На рис. 1 показана зависимость действительного КПД цикла идеального МГТУ от СПДК. Эта зависимость характеризует наибольшие значения КПД в идеальном МГТУ. В одновальных МГТУ СПДК, которые приходятся на одну ступень, обычно не превышают 6–7. Теплоемкость и другие характеристики рабочего тела приняты постоянными во всей области расчета и не зависят от температуры рабочего тела. Priambudi et al. [5]. В работе представлено комплексное исследование по оптимизации комбинированной выработки тепла и электроэнергии (CHP) с использованием модели оптимального потока мощности на основе термодинамического подхода. Основное внимание уделено использованию (ПНГ) и влажного газа в качестве альтернативного топлива для газовых турбин. Авторы разработали двухэтапную модель оптимизации на основе смешанного целочисленного нелинейного программирования (MINLP), которая учитывает термодинамические характеристики оборудования при различных топливных смесях. Результаты показывают, что использование ПНГ позволяет снизить затраты на топливо на 20–30 %, несмотря на его более низкую теплотворную способность. Особый интерес представляет выявленная зависимость между спросом на пар и потерями в сети: при высоком спросе на пар потери достигают 9,45 МВт, тогда как при низком спросе снижаются до 5,78 МВт. Подтверждают возможность эффективной интеграции низкокачественного газа в энергосистемы при сохранении надежности и экономической эффективности [6]. В работе проведено комплексное исследование эффективности, экономической целесообразности и экологических преимуществ солнечных нагревательных систем для отопления жилых зданий в условиях холодного климата (Варшава, Польша). Основное внимание уделено сравнению двух технологий – солнечных тепловых коллекторов (СТК) и фотоэлектрических панелей (ФЭП) [7]. В данной работе проведено комплексное численное моделирование процессов горения попутного нефтяного газа в камере сгорания микрогазотурбинной установки. Основное внимание уделено сравнительному анализу двух схем организации процесса со ступенчатой и непрерывной подачей воздуха [8]. Авторы разработали инновационную систему STC-SOFC-MGT-KC, которая интегрирует три ключевых компонента: процесс солнечного парового риформинга метана (СMСР) для производства обогащенного водородом синтез-газа, твердооксидный топливный элемент (SOFC) в сочетании с микротурбиной (MGT) для генерации электроэнергии и цикл Калина (KC) для рекуперации низкопотенциального тепла [9]. Авторы разработали три конфигурации гибридных систем, сочетающих солнечные панели, гидрокинетические турбины, микрогазотурбины и подключение к сети.
В работе Lin et al. [10, 12] представлено комплексное исследование гибридной системы комбинированного производства тепла и электроэнергии на основе технологии хранения сжатого воздуха (НЭСВ) с интеграцией солнечных коллекторов (СКС) и теплового насоса. Авторами доказано, что ключевым фактором повышения эффективности таких систем является применение каскадного использования тепловой энергии с рекуперацией. При моделировании тепловых схем особое внимание уделено оптимизации рабочих параметров, включая давление заряда/разряда (15/14,8 МПа) и распределение теплового потока (оптимальное соотношение 0,4 для теплообменников).
Результаты исследования демонстрируют, что максимальный КПД системы (29,7 % для SPE, 85,1 % для SENE) достигается при минимальном перепаде между давлениями заряда и разряда, максимально допустимом распределении теплового потока и пониженных температурах предварительного нагрева воды. Экзегетический анализ выявил основные источники потерь: солнечные коллекторы (29 %), турбины (20 %) и теплообменники (15–26 %). Авторы подчеркивают характерные для реальных установок ограничения по максимальному давлению в хранилище (до 15 МПа) и температурному напору в теплообменниках (не более 10 °C).
В работе [11, 13] представлено исследование гибридной системы комбинированного производства тепла и электроэнергии (ТЭЦ) на основе сжатого воздуха (НЭСВ), интегрированной с солнечными коллекторами (СКС) и тепловым насосом. Авторами проведен комплексный анализ системы, включая термодинамическое моделирование, энергетический, экзегетический и экономический расчеты, а также параметрическую оптимизацию.
Материалы и методы
В исследовании использованы данные о составе попутного нефтяного газа месторождения Rumaila (Ирак) и параметрах газотурбинной установки (1,85 МВт, КПД 35 %) для разработки гибридной мини-ТЭС с солнечным подогревом воздуха и рекуперацией тепла. Методы включали термодинамические расчеты расхода топлива и регенерации тепла, сравнение трех рабочих режимов (базовый, с рекуперацией, с комбинированной системой), а также оценку экономической эффективности и экологического эффекта.
Решение поставленной задачи базировалось на анализе термодинамических процессов, характерных для работы ГТУ, с применением ряда математических методов, включая уравнение теплового баланса камеры сгорания, расчет энергообмена в регенераторе (теплообменнике), моделирование изменения коэффициента полезного действия (КПД) в зависимости от температурных и энергетических параметров, вычисление объемных выбросов CO₂ и годовой экономии топлива, а также проведение параметрической оптимизации в рамках энергетического баланса установки. Численная реализация всех расчетных процедур выполнена в программной среде MATLAB, где были разработаны специализированные пользовательские скрипты для оценки энергетических характеристик, определения расхода топлива, теплопередачи в элементах системы и экономической эффективности гибридной схемы.
Результаты
ПНГ – важный источник топлива для ГТУ малой мощности. Его состав оказывает значительное влияние на параметры горения, теплотворную способность топлива и эффективность всей энергетической системы. В данной части проводится анализ состава ПНГ месторождения Rumaila, приводятся значения объемного содержания компонентов, а также их теплотворные характеристики, которые являются основой для расчетов топливопотребления и термодинамической эффективности мини-ТЭС.
Эффективность (ГТУ) напрямую зависит от ее коэффициента полезного действия (КПД) и теплотворной способности используемого топлива. В этом разделе проводится расчет объемного расхода топлива для мини-ТЭС мощностью 1,85 МВт на основе ранее определенной теплотворной способности ПНГ месторождения Rumaila (44,83 МДж/м³).
Основные параметры, необходимые для расчета: мощность ГТУ – 1,85 МВт = 1,85 × 10⁶ Вт; КПД ГТУ – 35 % (0,35); теплотворная способность ПНГ Rumaila – 44,83 МДж/м³.
Объемный расход газа рассчитывается по формуле:
где: V˙газ – расход ПНГ, м³/с; PГТУ – мощность газотурбинной установки, Вт; ηГТУ – КПД газотурбинной установки; Qn – нижняя теплотворная способность газа, Дж/м³.
Расчеты показывают, что для обеспечения работы ГТУ мощностью 1,85 МВт с КПД 35 % потребуется 424,46 м³ газа в час. Этот показатель является ключевым при проектировании системы транспортировки и хранения топлива.
Важно отметить, что расход топлива зависит от стабильности состава газа. Например, если доля пропана и бутана увеличится, то теплотворная способность смеси возрастет, что уменьшит требуемый объемный расход топлива. Напротив, повышение концентрации инертных газов (CO₂, N₂) снизит энергоэффективность, что приведет к увеличению расхода газа.
Также этот показатель напрямую влияет на выбросы CO₂, которые рассчитываются в следующем разделе.
где: Qреген – переданное тепло, кВт; cp – удельная теплоемкость воздуха (1,005 кДж/(кг·K)); mвозд – массовый расход воздуха (10,5 кг/с); Tвых – температура выхлопных газов (500 °C); Tвход – температура воздуха перед компрессором.
Результаты расчета передаваемой энергии, полученные по формуле (2), представлены в таблице 3.
Экономия топлива рассчитывается по формуле
где: Qтопливо – полная тепловая мощность топлива (5285,71 кВт); Qреген – переданное тепло регенератором.
Оптимизация ГТУ не только снижает расход топлива, но и значительно уменьшает выбросы углекислого газа (CO₂). В данном разделе проводится анализ сокращения выбросов CO₂ при использовании регенерации тепла и солнечного подогрева воздуха, а также рассчитывается годовая экономия топлива и финансовые выгоды от уменьшения потребления ПНГ.
Основные параметры для расчета:
Фактор выбросов CO₂ – 2,35 кг CO₂/м³ ПНГ; исходный расход топлива (без регенерации) – 424,46 м³/ч; оптимизированный расход топлива (с регенерацией при 200 °C) – 170,24 м³/ч; цена ПНГ – 0,1 $/м³; количество часов работы в году – 8,760 ч (непрерывный режим); формула для расчета выбросов CO₂:
=
Годовое снижение выбросов CO₂:
Таким образом, внедрение регенерации тепла позволит сократить выбросы CO₂ на более чем 5,236 тонны в год, что делает гибридную мини-ТЭС экологически эффективным решением.
Экономический анализ
Годовая экономия топлива рассчитывается по формуле:
годовая экономия топлива = (базовый расход − оптимизированный расход) × 24 × 365.
На графике представлена зависимость годовой экономии ПНГ от уровня технологической оптимизации газотурбинной установки.
Снижение выбросов CO₂ на 5,236 тонны в год существенно улучшает экологические показатели работы мини-ТЭС, обеспечивая соответствие международным требованиям по сокращению выбросов парниковых газов. Годовая экономия топлива, превышающая 2,2 млн м³, подтверждает высокую эффективность регенерации тепла, а экономия более 222 900 долл. доказывает экономическую целесообразность использования регенерации и солнечного подогрева воздуха, позволяя существенно сократить эксплуатационные затраты. Дополнительно следует рассмотреть возможность продажи излишков сэкономленного ПНГ или его переработки в другие полезные энергетические ресурсы.
Использование солнечного подогрева воздуха перед компрессором в газотурбинной установке ГТУ позволяет дополнительно снизить расход топлива, повысить энергоэффективность установки и уменьшить выбросы CO₂. В этом разделе проводится сравнение работы ГТУ без солнечного подогрева воздуха и с солнечным подогревом, а также рассчитывается его влияние на основные эксплуатационные параметры системы.
Основные анализируемые параметры: коэффициент полезного действия (КПД) ГТУ; расход топлива; выбросы CO₂; экономическая эффективность.
Выбросы CO₂ рассчитываются по формуле:
CO2выбросы = Расход топлива × Фактор выбросов CO₂
Годовое снижение выбросов CO₂:
Данный график демонстрирует, насколько эффективно применение солнечного подогрева воздуха и регенерации тепла снижает экологическую нагрузку, в частности – выбросы углекислого газа.
При обычной работе ГТУ, без термодинамической оптимизации, выбросы CO₂ достигают 997,48 кг/ч, что соответствует высокому уровню загрязнения атмосферы. При использовании солнечного подогрева воздуха до 200 °C и утилизации тепла выхлопных газов, выбросы CO₂ снижаются до 400,06 кг/ч, что эквивалентно сокращению на 597,42 кг/ч или 59,89 %.
Кривая на графике построена с учетом сглаженного перехода, отражающего плавное внедрение гибридных решений в систему. Это подчеркивает, что экологический эффект усиливается по мере повышения уровня интеграции солнечной энергии и тепловой рекуперации.
Таким образом, график подтверждает, что переход к гибридной схеме является не только экономически целесообразным, но и экологически ответственным шагом.
КПД ГТУ рассчитывается по формуле:
Использование солнечного подогрева увеличивает КПД с 5 до 10 %, что приводит к существенному снижению расхода топлива.
На графике показано, как интеграция солнечного подогрева воздуха способствует значительному повышению коэффициента полезного действия (КПД) газотурбинной установки.
Начальный КПД, при работе без подогрева, составляет 5 %, что является типичным для компактных ГТУ. С применением солнечного подогрева воздуха до 200 °C и регенерации тепла КПД увеличивается до 10 %, что демонстрирует прирост эффективности почти на 10 %. Рост КПД связан с тем, что подогретый воздух требует меньшего количества тепла от топлива для достижения необходимой температуры горения, что и приводит к более полному использованию энергии газа. Кривая на графике плавно отражает ускоренный рост КПД по мере внедрения гибридных технологий, подчеркивая технологическую эффективность комбинированной схемы.
Экономия топлива определяется по формуле:
Экономия топлива = Расход без подогрева − Расход с подогревом
Годовая экономия топлива:
На графике наглядно показано, как внедрение солнечного подогрева воздуха в систему ГТУ приводит к значительному снижению расхода попутного нефтяного газа.
Расход топлива без подогрева составляет 424,46 м³/ч, что отражает типичный режим работы установки при стандартной температуре воздуха на входе компрессора. При нагревании воздуха солнечной энергией до 200 °C, расход газа уменьшается до 170,24 м³/ч, что эквивалентно экономии более 59 %. Такая экономия достигается за счет снижения энергии, необходимой для сжатия воздуха, а также повышения термодинамической эффективности цикла. Этот эффект особенно важен для условий Ирака, где высокая солнечная радиация позволяет использовать гелиосистему на протяжении большей части года.
Годовая финансовая выгода рассчитывается по формуле:
Годовая экономия = Годовая экономия топлива × Цена ПНГ
Экономия средств составляет 222,850 долл. в год
На графике отражается совокупная экономия средств ($) при эксплуатации мини-ТЭС с использованием солнечного подогрева воздуха и регенерации тепла в течение 10 лет.
Использование солнечного подогрева воздуха позволяет повысить КПД газотурбинной установки с 5 до 10 %, значительно увеличивая ее эффективность. При этом выбросы CO₂ сокращаются на 5,236 тонны в год, что соответствует снижению парниковых газов на 59,89 %. Годовая экономия топлива достигает 2,228,520 м³, что приводит к уменьшению затрат на 222,850 $ в год. Применение солнечного подогрева в сочетании с регенерацией тепла делает установку не только более экономически выгодной, но и экологически устойчивой.
На основе проведенных расчетов и анализа эффективности, разработана итоговая концепция гибридной мини-ТЭС, работающей на ПНГ с интеграцией солнечного подогрева воздуха и регенерации тепла. Основная цель системы – повышение КПД ГТУ и снижение выбросов CO₂ при минимизации расхода топлива. В данной части представлена структурная схема гибридной мини-ТЭС, описаны ключевые компоненты системы и их функции, а также сформулированы основные принципы работы установки. ГТУ представляет собой основной источник генерации электроэнергии, работающий на ПНГ месторождения Rumaila с теплотворной способностью 44,83 МДж/м³. Номинальная электрическая мощность установки составляет 1,85 МВт.
Для эффективной работы ГТУ предусмотрена система подготовки и подачи ПНГ, включающая газовый фильтр для удаления механических примесей, регулятор давления для стабилизации подачи газа и теплообменник для предварительного подогрева топлива при необходимости.
Воздушный компрессор обеспечивает сжатие атмосферного воздуха перед его подачей в камеру сгорания. В его конструкции предусмотрена система солнечного подогрева воздуха, позволяющая повысить температуру воздуха перед сжатием и тем самым повысить эффективность работы ГТУ.
Камера сгорания смешивает ПНГ и сжатый воздух, формируя топливную смесь, которая сгорает при температуре 900–1200 °C. Образующаяся тепловая энергия преобразуется газовой турбиной в механическую энергию, приводящую в действие электрогенератор, который вырабатывает электричество с параметрами, соответствующими стандартам сети (например, 400 В, 50 Гц).
Для повышения энергоэффективности ГТУ предусмотрена система регенерации тепла (рекуператор), использующая тепло выхлопных газов для предварительного нагрева воздуха перед компрессором. Оптимальная температура подогрева воздуха перед компрессором составляет 200 °C.
Дополнительно применяется солнечный подогрев воздуха, который включает солнечные коллекторы, нагревающие воздух перед компрессором. Это обеспечивает дополнительный нагрев воздуха до 200 °C, что позволяет снизить расход ПНГ и повысить топливную экономичность установки.
Система отвода выхлопных газов обеспечивает контроль и очистку выбросов CO₂, а также предусматривает возможность рекуперации дополнительного тепла для промышленных нужд.
Работа всей установки контролируется системой управления, которая регулирует параметры работы ГТУ, процессы регенерации и солнечного подогрева воздуха. Автоматизированная система управления также отвечает за подачу топлива и регулировку температуры воздуха, обеспечивая оптимальные условия эксплуатации установки.
Процесс работы гибридной энергетической установки представляет собой последовательность взаимосвязанных технологических этапов:
Подача и подготовка попутного нефтяного газа начинается с его поступления в систему подготовки, где происходит очистка от механических примесей и стабилизация давления. После обработки газ с заданными параметрами подается в камеру сгорания. Параллельно осуществляется собор и подготовка воздуха. Атмосферный воздух всасывается компрессором, при этом перед процессом сжатия он предварительно подогревается солнечными коллекторами до температуры 200 °C, что значительно снижает энергозатраты на компрессию. Дополнительный подогрев сжатого воздуха может осуществляться в рекуператоре за счет тепла выхлопных газов. В камере сгорания происходит смешивание подготовленного ПНГ с подогретым сжатым воздухом и последующее горение топливной смеси при высоких температурах 900–1200 °C. Образующиеся в результате горения высокотемпературные газы направляются в газовую турбину, где происходит их расширение. При этом часть энергии идет на привод электрогенератора, вырабатывающего электроэнергию, а часть – на обеспечение работы компрессора.
Важным этапом работы системы является рекуперация тепла. Выхлопные газы с температурой около 500 °C проходят через теплообменник-рекуператор, где передают часть тепловой энергии воздуху, направляемому на сжатие. Это позволяет существенно снизить потребление топлива. После теплообмена очищенные газы либо выбрасываются в атмосферу, либо могут быть использованы в различных промышленных процессах для дополнительного теплоснабжения.
Сочетание ГТУ, регенерации тепла и солнечного подогрева воздуха обеспечивает значительное снижение расхода топлива, достигая экономии до 59,89 %. Нагрев воздуха до 200 °C позволяет уменьшить потребление попутного нефтяного газа на 254,22 м³/ч, что существенно снижает эксплуатационные затраты. Годовая экономия топлива составляет 2,23 млн м³, а финансовая выгода достигает 222,850 долл. в год, что подтверждает высокую экономическую эффективность проекта. Одновременно снижение выбросов CO₂ на 5,236 тонн/год улучшает экологические показатели установки, соответствуя международным требованиям по сокращению парниковых газов Дополнительная возможность рекуперации тепла выхлопных газов повышает гибкость системы, позволяя адаптировать ее для различных промышленных применений, включая технологические процессы, требующие дополнительного теплового обеспечения.
Заключение
Внедрение солнечного подогрева воздуха перед компрессором позволяет повысить его температуру до 200 °C, что способствует снижению расхода топлива и увеличению КПД газотурбинной установки. Дополнительно регенерация тепла выхлопных газов обеспечивает предварительный подогрев воздуха перед камерой сгорания, что сокращает тепловые потери и повышает эффективность сгорания топлива.
Снижение расхода ПНГ и экономическая эффективность
Без применения оптимизационных технологий расход топлива составлял 424,46 м³/ч, однако после внедрения солнечного подогрева и регенерации он снизился до 170,24 м³/ч. Это привело к годовой экономии топлива в 2,23 млн м³, что, в свою очередь, позволило снизить эксплуатационные затраты на 222,850 долл. в год.
Внедрение гибридной системы значительно уменьшило выбросы углекислого газа на 5,236 тонн/год, что эквивалентно сокращению выбросов на 59,89 %. Это делает мини-ТЭС экологически устойчивым решением, соответствующим современным требованиям по снижению углеродного следа.
КПД стандартной газотурбинной установки без дополнительных технологий составлял 5 %. Благодаря внедрению регенерации тепла и солнечного подогрева удалось увеличить этот показатель до 10 %, что значительно снижает удельные энергозатраты и повышает общую эффективность системы.
Литература
1. Аль-Маамари, Х.М.С. и др. (2017). «Возобновляемые источники энергии в странах Персидского залива: ресурсы и потенциал». Источники энергии, часть В: экономика, планирование и политика, 12 (1), 1-9.
2. Solar-hybrid gas turbine systems
3. Исследование гибридной ТЭС с солнечной интеграцией
4. Алфаяад А.Г.Х. Кемалов Р.А., Валиев Д.З. Оценка эффективности применения газотурбинной установки простого цикла в системе энергоснабжения // Tatarstan UpExPro 2022: сборник научных трудов по материалам VI Международной молодежной научной конференции (г. Казань, 14–17 апреля 2022 г.) / Казанский (Приволжский) федеральный ун-т; под ред. М. А. Варфоломеева и др. – Казань: Бук, 2022. – 386 с. – Текст: электронный.
5. Алфаяад А.Г.Х., Валиев Д.З., Кемалов Р.А., Кемалов А.Ф. Применение газотурбинной установки для утилизации попутного нефтяного газа с различным углеводородным составом // Технологии нефти и газа. 2023, № 5 (148).
8. Aljashaami, B. A., Salih, S. A., Alwan, N. T., Qasim, M. A., Majeed, M. H., Mola, A. H., Velkin, V. I., Shcheklein, S. E., & Lobocki, L. (2023). Analysis of Technical Efficiency, Economic Feasibility, and Environmental Impacts of using Solar Heating Installations for Buildings. International Journal of Renewable Energy Research, 13 (2), 539–550.
12. Hybrid CAES-Solar-Thermal System for Cogeneration: Performance Analysis and Optimization
14. А.В. Семенов, А.В. Кошкарев. Оценка энерго- и ресурсосберегающего эффекта при внедрении гибридных объектов малой распределенной генерации в Республике Вьетнам // Вестник Иркутского государственного технического университета. – 2017. – № 11 (126). – С. 123–130.
15. А.В. Кошкарев, А.В. Семенов. Извлечение высококипящих компонентов из попутного нефтяного газа южного Ирака. // Техносфера. – 2018. – № 2. – С. 45–50.
16. А.В. Семенов, А.В. Кошкарев. Строительство мини-ТЭС на базе ГТУ Rolls-Royce // Промышленные и отопительные котельные и мини-ТЭЦ. – 2021. – № 1 (64). – С. 6–7.
17. А.В. Семенов, А.В. Кошкарев. Промышленные и отопительные котельные и мини-ТЭЦ. // Аква-Терм. – 2014. – № 1 (18). – С. 22–24.
