Когенерация в Украине

КОГЕНЕРАЦИЯ В УКРАИНЕ

...наш опыт строительства газовых электростанций на базе газопоршневых мини-ТЭЦ*
карта сайта | контакты
О нас Оборудование GE JENBACHER Проектирование и сервис Аналитика Коммерческая информация
 

Справка по поиску


Главная / Аналитика / Особенности применения в различных отраслях / Енергозабезпечення підприємств харчової промисловості

Енергозабезпечення підприємств харчової промисловості

Енергозабезпечення підприємств харчової промисловості
за допомогою власних когенераційних електростанцій (міні-ТЕЦ)
на прикладі молокопереробних підприємств

 Передумови впровадження когенерації на молокопереробних підприємствах

Молокопереробні підприємства розташовані практично по всій території України, що обумовлено наявністю відповідної сировинної бази. В останні роки відбувся період бурхливого росту обсягів виробництва й об'єднання молочних підприємств у холдингові структури. У конкурентній боротьбі за споживача на перший план поряд з необхідністю технічної реконструкції, впровадженням європейських стандартів контролю якості, розробкою нових видів продуктів, вийшли проблеми зниження собівартості продукції й у першу чергу – економія палива, електроенергії, води, поліпшення очищення стічних вод. Найважливіша задача сьогодні - це серйозна реконструкція виробництва, заснована на новітніх технологіях і процесах, що пропонують істотні можливості економії енергії.

 

Мал.1. Власна міні-ТЕЦ

Електроенергію, за звичай, одержують від мереж енергопостачальних компаній, а теплова енергія - виробляється власними котельнями. Практично відсутня на даний момент конкуренція серед генеруючих компаній, призводить до відсутності мотивації в скороченні витрат при виробництві електроенергії. Фактичними монополістами є і енергопостачальні компанії. Такий стан викликає постійний ріст цін на енергоносії для кінцевих споживачів і негативно позначається на собівартості продукції.
Для молочної промисловості характерно те, що електрична і теплова енергія споживаються одночасно. При цьому до 60 % електроенергії йде на виробництво холоду. Питоме споживання енергії (кількість використаної енергії на виробництво однієї тонни переробленого молока) відрізняється в значній мірі серед різних підприємств і залежить від асортименту продукції, завантаженості підприємства, ефективності і технічного стану устаткування. У виробничих витратах молокозаводів витрати на енергоресурси в Україні складають 10%, а в країнах-членах ЄС тільки 0,8-2%. Для істотного зниження енергоємності і, відповідно, собівартості молочної продукції необхідна альтернативна більш ефективна технологія енергопостачання.
В даний час найефективнішою технологією виробництва електричної і теплової енергії з органічного палива є когенерація і тригенерація. Когенераційні установки на базі газопоршневих двигунів мають найвищу на сьогоднішній день ефективність перетворення енергії палива в електрику. Наприклад, для сучасних установок виробництва General Electric Jenbacher (світовий лідер у виробництві газопоршневих двигунів і електростанцій на їхній базі), електричний ККД складає 43%, а з урахуванням утилізації тепла коефіцієнт використання палива досягає 90%. Це дозволяє мати мінімальну паливну складову в собівартості виробленої електроенергії і, таким чином, кінцевої продукції, що виробляє підприємство.
Суть нового підходу до енергозабезпечення молокопереробних підприємств – використання когенераційних технологій і технологій тригенерації для власного комбінованого виробництва дешевої електроенергії і теплової енергії при спалюванні природного газу з максимальною ефективністю в когенераційних газопоршневих установках, а також перетворення теплової енергії в холодоносій для використання в технологічних виробничих процесах молокозаводу.

 


Мал. 2. Схема енергозабезпечення підприємства за допомогою тригенераційного комплексу

На молочних підприємствах холод використовується в технологічних процесах виробництва та зберігання сировини і продукції. Технічні особливості абсорбційних чиллерів дозволяють одержувати лід-воду з температурою 5-10 оС, тому для камер схову продукції доцільно використовувати компресійну холодильну техніку, а потреби в холоді (льоду-воді) технологічних процесів можна забезпечити абсорбційними чиллерами, що працюють у комплексі з когенераційними модулями.
Застосування для молочних підприємств тригенераційних комплексів у складі власних міні-ТЕЦ і абсорбційних холодильних машин вирішить відомі сьогоднішні проблеми, привівши електро-, тепло- і холодопостачання до сучасного технічного рівня, знизить витрати на енергоресурси, забезпечить незалежність виробництва від зовнішніх мереж енергопостачальних компаній.
Конкретні і незаперечні конкурентні переваги власної когенераційної електростанції:

  •  Більш ефективне використання дорогого палива (загальний коефіцієнт використання палива в установках досягає 90%).
  • Можливість одержання дешевої електроенергії для споживачів молокозаводу.
  • Одержання необхідної кількості дешевого теплоносія для технології тригенерації.
  • Зниження рівня викидів шкідливих речовин і парникових газів.
  • Впровадження передової високоефективної технології тригенерації в технологічний цикл підприємств.

Традиційне електропостачання молокопереробних підприємств здійснюється від мережі обленерго по 33,7 коп/кВт.год (без ПДВ) - тариф 2-класу (напруга нижче 35 кВ). На власній ТЕЦ на базі модуля GE Jenbacher типу JMC-420 електричною потужністю 1,4 МВт (і стільки ж теплової), витрати складають до 18 коп. на 1 кВт.год виробленої електроенергії і ще 1 кВт.год теплової енергії без додаткових витрат – при сьогоднішній ціні газу. З урахуванням заміщення тепла від існуючої котельні тепловою енергією від когенераційних модулів: собівартість електроенергії 11 коп/кВт.год, а собівартість тепла – до 80 грн/Гкал.
При зростанні ціни газу наприклад до 260$, собівартість вироблення електроенергії на власній ТЕЦ, з урахуванням виробництва тепла, складе 16,7 коп/кВт.год, що все рівно набагато вигідніше, чим купувати за існуючими тарифами. Але зростання ціни на газ пройде на тлі росту ціни і на електроенергію. Є багато об'єктивних факторів для росту ціни на електроенергію: той самий ріст цін на паливо, у т.ч. природний газ, вугілля і ядерне паливо, необхідність відновлення розподільних мереж і потужностей, що генерують, ріст заробітної плати персоналу по всій енергетичній галузі (від шахтарів до обслуговуючого персоналу теплових електростанцій і розподільних мереж) і т.д.
Завдяки такій економії витрат простий строк окупності проекту по будівництву власної ТЕЦ складає 3 роки при правильному виборі устаткування для генерації, і режимів його роботи.
Впровадження когенерації можна проводити паралельно з впровадженням 3-х зонного обліку. Тоді Власник одержує можливість додатково знизити витрати на енергопостачання, одержуючи електроенергію від мереж енергопостачаючої компанії по дешевому нічному тарифу, а в періоди дорогої пікової і напівпікової електроенергії виробляти електроенергію на власній когенераційній електростанції.
На початку 2007 року діє такий коефіцієнт до одноставочного тарифу в період нічного навантаження (7 годин) k = 0.25. Таким чином, ціна електроенергії в нічний період буде дешевше собівартості її виробництва в когенераційні установці. Відключаючи когенераційні установки на нічний період Власник може знизити витрати на енергопостачання ще на 10-30% (у порівнянні з постійною роботою когенераційної станції). За такою схемою працює більшість маневрених електростанцій у Європі.
Одною з найважливіших переваг упровадження когенерації є підвищення надійності енергопостачання. Ціна надійного електропостачання досить висока: відсутність, або раптове відключення енергопостачання несе за собою недоодержання прибутку, а можливо збитки і втрату ділової репутації. Аварійні відключення можуть стати причиною виходу з ладу дорогого устаткування, втрат сировини і псування продукції.
У випадку наявності власної ТЕЦ споживач застрахований від перебоїв у централізованому енергопостачанні, виникаючих або внаслідок зносу основних фондів енергопостачальних компаній, або інших непередбачених причин. Крім цього, усуваються організаційні, фінансові і технічні проблеми при реконструкції і росту потужностей підприємств, оскільки не потрібна прокладка нових ліній електропередач, будівництво нових трансформаторних підстанцій, перекладка теплотрас. Крім того, Власник захищений від монопольного підвищення тарифів на енергопостачання.

Особливості конструкції, вибору та інсталяції когенераційних установок

Когенераційні модульні установки добре вписуються в існуючу інфраструктуру підприємства. Можливі два варіанти розміщення:
1) Відкрите виконання для встановлення в існуючій котельні, або в окремій будівлі.
2) Виконання у всепогодному, шумозахисному контейнері комплектного постачання відкрито на фундаментах біля будівлі існуючої котельні. Когенераційний агрегат у контейнерному виконанні являє собою цілком змонтований виробником функціональний модуль, до складу якого входить як основне устаткування, так і такі допоміжні системи як: мастильне господарство, вентиляція, пожежна і газова сигналізації. Такий контейнерний модуль може бути в стислий термін встановлений і, після підключення інженерних комунікацій, запущений в експлуатацію.
Когенераційний модуль являє собою агрегат, до складу якого входять:
1. Чотиритактний газовий двигун з іскровим запалюванням, турбонаддувом газоповітряної суміші, оснащений спеціальною системою керування.
2. Електрогенератор.
3. Теплообмінники: 1-ої ступіні газоповітряної суміші, мастила, водяної сорочки двигуна, теплова потужність яких використовується для підігріву теплоносія (води). Подальший підігрів теплоносія виробляється в теплообміннику вихлопних газів. У теплообміннику 2-ї ступіні газоповітряної суміші відбирається низькопотенційне тепло, що викидається в атмосферу за допомогою вентиляторного охолоджувача.
Джерелом теплопостачання є агрегати (модулі), що передбачають вироблення теплової енергії у виді гарячої води 90/70 °С, або пари.
Вироблена вода з температурою 90 °С використовується абсорбційними холодильними машинами для виробництва холоду (лід-води).
При зниженні споживання гарячої води абсорбційними холодильними машинами, зайве тепло утилізується системою аварійного охолодження мережної води. Система аварійного охолодження забезпечує нормальну роботу агрегатів при повній відсутності приєднаного навантаження теплопостачання.

 

Мал.3 Схема холодопостачання на базі абсорбційної холодильної машини

 На молокопереробному підприємстві використання когенерації дозволить значно зменшити витрати на електропостачання, скоротити витрати газу на котельні в наслідок використання власної міні-ТЕЦ для виробництва гарячої води на промивання устаткування і технологічних трубопроводів, а також опалення.
Крім того, знижуються обсяги споживання власної електроенергії на виробництво холоду (лід-води) для технологічних потреб. Завдяки використанню абсорбційних чиллерів підвищується холодопродуктивність холодильної установки при зниженні споживання електричної енергії. При цьому використовуються холодоагенти R-134a, R-718 (вода), без застосування аміаку в системі.

В Україні вже існує перший досвід впровадження когенераційних установок, розроблено ряд проектів із використанням тригенерації для українських молокозаводів та сиркомбінатів. Вочевидь, що при реалізації проектів когенерації на українських підприємствах у майбутньому ставку потрібно робити на вибір когенераційного обладнання, що має максимальну ефективність. Економічно доцільно застосовувати устаткування, що характеризується мінімальною витратою палива, при цьому, у першу чергу, з високою ефективністю виробляє електричну енергію, як самий дорогий продукт, тобто має максимальний електричний коефіцієнт корисної дії (ККД). При цьому теплова енергія виробляється шляхом утилізації тепла від працюючого устаткування під час виробництва електроенергії. Електричний ККД сучасних когенераційних установок досягає 43 %, при цьому на кожен 1 кВт*год. отриманої електроенергії виробляється 1 кВт*год. теплової енергії, що ефективно використовується.

 

Використання тепла вихлопних газів газопоршневих двигунів в процесах сушіння

Ще одним важливішим напрямком застосування когенераційних установок на підприємствах харчової промисловості є використання тепла вихлопних газів газопоршневих двигунів в процесах сушіння. Наприклад, на молокопереробних підприємствах, тепло вихлопних газів з успіхом можна використати для сушіння сконцентрованого незбираного молока, сконцентрованого знежиреного молока, замінників незбираного молока зі змістом жиру 30%, а також сконцентрованої підсирної сироватки – як альтернативу для парових систем з теплообмінниками пар-повітря.
Цеха сушіння споживають у середньому 60 % усієї пари, що виробляється котельнею на підприємстві, причому тиск пари, як правило, необхідно підтримувати на рівні 11-12 кгс/см2 (1,1-1,2 МПа). Як правило, цехи сушіння знаходяться на значній відстані від котелень, а на багатьох підприємствах ще й незадовільний стан ізоляції паропроводів, що призводить до втрат. Оснащення цехів сушіння молока когенераційними установками дозволить істотно розвантажити існуючі котельні.
Теплова потужність, яку можна одержати від вихлопного газу залежить від встановленої потужності когенераційного модуля, наприклад: 0,44 МВт – від модуля в 1 МВт встановленої потужності, 1,4 МВт – від модуля 3 МВт. Температура вихлопних газів газопоршневого двигуна досягає 500 оС. Обсяг вихлопного газу: 4491 нм3/годину (модуль 1 МВт), 13666 нм3/годину (модуль 3 МВт). Як сушильний агент застосовується повітря. Його підігрів може бути здійснений шляхом подачі повітря в сушильну камеру через підігрівач повітря, за рахунок утилізації тепла продуктів згоряння, що відходять. Підігрівач повітря розташовують по ходу руху продуктів згоряння. Звичайно для потреб сушіння підігрівачі повітря розраховуються на задану продуктивність по гарячому повітрю з температурою 200 оС.
Використання когенерації вигідно й у випадку, якщо в цехах сушіння замість парових калориферів вже були встановлені газові теплогенератори. Когенераційний модуль крім такого ж продукту, як і в теплогенератора, – гарячого повітря, забезпечує виробництво ще більш дорогого продукту – електроенергії. 

 

Очищення стічних вод підприємств харчової промисловості
з виробленням біогазу та отриманням електричної і теплової енергії (на прикладі молокопереробних підприємств)

 В останні роки в Україні спостерігається процес технічного переозброєння підприємств харчової промисловості, зокрема молокопереробних підприємств. У першу чергу це стосується процесів виробництва: закуповуються нові технологічні лінії, розробляються і запускаються у виробництво нові продукти (творожно-сиркова продукція, молочні десерти, йогурти, і т.п.). Зміна технології спричиняє зміну якості стічних вод, що утворюються.

 

Мал.4. Біогазова станція на сточних водах

Все більша увага приділяється раціональному споживанню свіжої води. Зниження її споживання призводить до того, що стічні води молокозаводів стають більш концентрованими при зменшенні їхньої загальної кількості. Для багатьох підприємств відповідне очищення стічних вод представляє серйозну проблему.
Це відбувається на тлі зростаючого тиску на підприємства з боку водоканалів і контролюючих органів. Усе частіше перед підприємствами встають проблеми пошуку ефективних, надійних в експлуатації, гарантуючих стабільну і високу якість очищення очисних споруд, а в багатьох випадках – реконструкція і розширення вже наявних. Ріст вартості паливно-енергетичних ресурсів змушує українських виробників замислитися і про такі джерела зниження собівартості молочної продукції, як раціональне використання енергоресурсів, ефективне розпорядження відходами виробництва, одним із яких є стічні води.
Багато підприємств намагаються відтягти момент, коли прийдеться зайнятися очисними спорудами, вважаючи це високозатратними заходами, що не принесе ні якої користі безпосередньо виробникові молочної продукції. Рішення цієї проблеми – вибір найбільш ефективної, енергозберігаючої технології очищення стічних вод молокопереробних підприємств з одержанням біогазу і подальшої його утилізації в когенераційних установках з одержанням електроенергії і теплової енергії.
Крім того, на молокопереробних підприємствах утворюється велика кількість сиворотки, з утилізацією якої багато підприємств мають серйозні проблеми. Ця сиворотка може з успіхом використовуватися для виробництва біогазу.
Склад та властивості молочної сиворотки залежить від основного продукту, що виробляється (творог, сир, казеїн), особливостей технології та обладнання, що використовується в процесі виробництва. Склад підсирної сиворотки залежить від виду сиру та його жирності, творожної – від способу виробництва творогу та його жирності, а казеїнової – від виду казеїну, що виробляється. При виробництві білкових концентратів, наприклад казенна, з обезжиреного молока в готовий продукт переходять головним чином казеїнові фракції білків молока, а в творожну сиворотку – інші компоненти. 

Основні показники молочної сиворотки.

Показник
Підсирна
сиворотка
Творожна
сиворотка
Казеїнова
сиворотка
Склад сухих речовин %,
в тому числі:
4,5-7,2
4,2-7,4
4,5-7,5
лактози
3,9-4,9
3,2-5,1
3,5-5,2
білку
0,5-1,1
0,5-1,4
0,5-1,5
мінеральних речовин
0,3-0,8
0,3-0,8
0,3-0,9
молочного жиру
0,05-0,5
0,05-0,4
0,02-0,1
Питома вага, кг/м3
1018-1027
1019-1026
1020-1025

 
Метанове бродіння використовується як попередня стадія очищення концентрованих стоків з наступним аеробним доочищенням. При цьому утвориться велика кількість біогазу, зі змістом метану до 80 %.
Вода, очищена із застосуванням анаеробного методу, направляється на існуюче аеробне доочищення в аеротенк, де досягається необхідний ступінь її очищення.
Метанреактори дозволяють одержувати на виході стічну воду з БПК – 100-300 мг ПРО2/л, вихід біогазу складає 0,6 л/кг ХПК. Ступінь очищення по ХПК, БПК досягає 80-95%, по зважених речовинах більш 85%.
При концентрації забруднень на вході (по ХПК) 2000 – 20000 мг/л потужність реактора досягає (по ХПК) 10-40 кг/м3/добу, час перебування стічної води в реакторі 20-30 ч. Процес метаноутворення практично відразу відображується на зміні навантаження на реактор, при пікових навантаженнях на очисні споруди і після короткочасних перерв у подачі стічної води.
Витрати електроенергії на 1 кг вилучених забруднень (по ХПК) для анаеробно-аеробного процесу складають 0,2-0,4 кВт-год./кг ХПК, що також у десять і більш разів нижче показників, типових для аеробних процесів. При цьому кількість утвореного надлишкового мулу (сума анаеробного й аеробного) складає 0,14-0,18 кг/кг ХПК (по абсолютно сухих речовинах), що в 2-3 рази менше, ніж у випадку використання тільки аеробного процесу.
Як показав досвід молочних заводів, застосування сучасних анаеробних реакторів для очищення стічних вод дозволяє вирішити відразу кілька проблем: забезпечити високу продуктивність очисних споруд, підвищити якість очищення стічної води, різко зменшити кількість надлишкового мулу і за рахунок використання виробленого біогазу знизити споживання покупного газу. При цьому локальні установки для видалення жиру і зважених речовин зі стічної води не потрібні. Навпаки, концентровані забруднення – жири, білки, вуглеводи повинні бути спрямовані безпосередньо і без втрат на біологічне очищення і піддані біоконверсії для одержання максимальної кількості біогазу.

Приклади молокопереробних підприємств, де впроваджені технології одержання біогазу

Молокозавод MILCHWERKE DONAUALB (Німеччина).
Переробка - 490-500 т. молока в добу. Асортимент продукції містить в собі різні види сирів і масла. Кислотна казеїнова сироватка проходить ультрафільтрацію. Концентрат з високим вмістом білка використовується повторно. Розчин, що складається з лактози, солі і води (94%), раніше згущався у відстійнику до змісту сухої речовини (35%), після чого він скидався в каналізацію.
За новою технологією концентрат попередньо підігрівається і подається в два анаеробних ректора, обсягом 2000 м3, у яких виробляється біогаз. Швидкість подачі складає 250-300 м3/день із тривалістю витримки 10-12 днів. Зміст метану в одержуваному газі складає близько 65% з теплотворною здатністю приблизно 6,6 кВт*год./м3. Кількості виробленого біогазу вистачає на використання його як паливо для установки комбінованого вироблення теплової й електричної енергії потужністю 500 кВт.
Осад являє собою нешкідливу речовину, придатну для використання як добриво. Стоки, що пройшли попереднє очищення, направляються на водоочисну установку для подальшого очищення.
Загальні капіталовкладення на цю установку одержання біогазу складають до 3 млн. євро, включаючи вартість модульної установки комбінованого вироблення теплової й електричної енергії. Річна економія: електроенергія 3600000 кВт*год, води 15000 м3. Строк окупності 3-4 роки. При цьому, вироблена енергія дозволить окупити витрати на когенераційну установку.

Молокопереробне підприємство Наабталер Мільхверк Бехтель ОХГ (м. Шварценфельд, Німеччина).
Кількість стічних вод, що утворюються при виробництві сирів і молочних продуктів: до 1100 м3 на добу. Обсяг метанреактора 900 м3, вихід біогазу 2000 м3 на добу.

Молокопереробний завод "Ehrmann", Москва,

Молокопереробне підприємство "Norrmejerier", Швеція (проект по переробці сироватки з метою одержання біогазу).

Технології GE Jenbacher дають можливість використання біогазу, газу стічних вод, газу сміттєвих полігонів, піролізного, синтез-газу і інших особливих газів для одержання електроенергії і теплової енергії. Постійне удосконалювання двигунів GE Jenbacher і спеціалізація на використання особливих газів забезпечують можливість застосування газів з низькою теплотою згоряння.

Іванько А.О., керівник проектів НПП «СИНАПС» (травень 2007 р.) ivanko@sinapse.ua

 

 





     
  ©  ЧНПП "СИНАПС". Все права защищены.
©  Разработка сайта  Студия РОМАрт 2006
03055 Киев, В.Василевской 7, ЧНПП "СИНАПС", т/ф +38 (044)238-09-67
ссылка на e-mail,  корпоративный сайт:  http://sinapse.ua
 
  *публикуемые материалы (кроме форума) отражают точку зрения компании "СИНАПС". Мы отвечаем за объективность и достоверность всей информации.
Перепечатка материалов только с разрешения редакции, ссылка на
ресурс о когенерации www.cogeneration.com.ua обязательна.