Современный климат на нашей планете формировался в течение многих миллионов лет. Однако за последние десятилетия человечество в результате своей деятельности серьезнейшим образом повлияло на условия своего собственного существования на планете. Техническая революция, увеличение объемов добычи и сжигания угля, нефти и газа привели к резкому увеличению выбросов в атмосферу углекислого газа и других парниковых газов, которые накапливались в ее верхних слоях, поглощая инфракрасное излучение, постепенно увеличивали температуру в отдельных частях земного шара. Поэтому одной из проблем устойчивого развития человечества является вопрос эмиссии парниковых газов, постоянный рост которых может привести к необратимым последствиям на планете.
Основным источником парниковых газов является энергетика, а конкретно, процесс сжигания топлива.
Комбинированное производство тепла и электроэнергии (когенерация) рассматривается, как важнейшее мероприятие климатической политики. Для внедрения мероприятий по энергосбережению и экологической безопасности предусматривается использование мини-ТЭЦ с различными видами двигателей.
Основными достоинствами мини-ТЭЦ являются низкая стоимость вырабатываемой электроэнергии, тепла и холода, возможность быстрого строительства, быстрая окупаемость, низкий расход топлива, длительный ресурс эксплуатации оборудования, экологическая безопасность.
В данной работе были рассмотрены мини-ТЭЦ с дизельными, газопоршневыми и газотурбинными двигателями. В качестве топлива используется дизельное топливо, природный газ и биогаз.
Расчет парниковых газов был выполнен в соответствии с методикой «Пересмотренные Руководящие принципы национальных инвентаризаций парниковых газов МГЭИК», которые включают методологии по сжиганию топлива, индустриальным процессам, сельскохозяйственным почвам, изменению землепользования и лесному хозяйству, отходам. При расчете учитывались следующие парниковые газы: углекислый газ, закись азота и метан.
Дизельные электростанции
В данной работе были проведены исследования влияния мини-ТЭЦ с дизельными двигателями мощностью от 10 до 1000 кВт различных российских заводов-производителей (Челябинский тракторный завод, Алтайский моторный завод, Уральский дизель-моторный завод) на парниковый эффект.
Исходными данными для расчета являлись паспортные данные двигателя, расход дизельного топлива. Паспортные данные дизельных двигателей приведены в табл. 1. Результаты расчета эмиссии парниковых газов представлены в табл. 2 и на рисунке.
Таблица 1
Паспортные данные дизельного двигателя
|
Производитель двигателей |
Модель двигателя |
Мощность, кВт |
Частота вращения, об/мин |
Расход топлива, т/год |
|
Челябинский тракторный завод |
В2Ч8,2/7,8 |
10,3 |
1500 |
23,1 |
|
Алтайский моторный завод |
А-41-31 |
33 |
1500 |
63,8 |
|
А-41-33 |
55 |
1500 |
105,8 |
|
|
Д-440-33 |
73 |
1500 |
140,2 |
|
|
Уральский дизель-моторный завод |
У1Д6-С5 |
139,7 |
1500 |
215,1 |
|
И2-С6 |
315 |
1500 |
630,7 |
|
|
6ДМ-21С |
700 |
1500 |
1089,0 |
|
|
8ДМ-21С |
1080 |
1500 |
1724,0 |
Таблица 2
Сводная таблица по эмиссии парниковых газов
|
Мощность, кВт |
Эмиссия парниковых газов, т/год |
Эмиссия парниковых газов в пересчете на СО2экв, т СО2/год |
Эмиссия парниковых газов в пересчете на СО2экв |
||||
|
СО2 |
N2О |
СН4 |
СО2 |
N2О |
СН4 |
т СО2/год |
|
|
10,3 |
73,4 |
0,001 |
0,002 |
73,4 |
0,2 |
0,04 |
74 |
|
33 |
172,5 |
0,002 |
0,006 |
172,5 |
0,5 |
0,12 |
173 |
|
55 |
302,7 |
0,003 |
0,009 |
302,7 |
0,9 |
0,19 |
304 |
|
73 |
423,1 |
0,004 |
0,012 |
423,1 |
1,1 |
0,25 |
424 |
|
139,7 |
682,9 |
0,006 |
0,019 |
682,9 |
1,7 |
0,39 |
685 |
|
315 |
2002,5 |
0,016 |
0,055 |
2002,5 |
5,1 |
1,15 |
2009 |
|
700 |
3457,6 |
0,028 |
0,094 |
3457,6 |
8,8 |
1,98 |
3468 |
|
1080 |
5473,7 |
0,045 |
0,149 |
5473,7 |
13,9 |
3,14 |
5491 |
Валовые выбросы парниковых газов в СО2-экв в зависимости от мощности дизельных, газопоршневых и газотурбинных двигателей
Газопоршневые электростанции
Расчеты выбросов парниковых газов были выполнены для мини-ТЭЦ с газопоршневыми двигателями Caterpillar мощностью от 70 до 1350 кВт.
Исходными данными для расчета являлись объем сжигаемого топлива, который указан в паспортных данных двигателей. Исходные данные для расчета приведены в табл. 3.
Результаты расчета эмиссии парниковых газов от мини-ТЭЦ с газопоршневыми двигателями представлены в табл. 4. На рисунке показаны графические зависимости выбросов парниковых газов от мощности двигателя.
Таблица 3
Паспортные данные мини-ТЭЦ с газопоршневыми двигателями Caterpillar
|
Модель |
Мощность номинальная, кВт |
Частота вращения, об/мин |
Расход газа на 100 %-й нагрузке, м3/ч |
Расход газа, тыс м3/год |
|
G3306 NA |
70 |
1500 |
27,3 |
239 |
|
G3306 ТА |
125 |
1500 |
42,3 |
371 |
|
G3406 |
211 |
1500 |
64 |
561 |
|
G3408 |
285 |
1500 |
86 |
753 |
|
G3412 |
424 |
1500 |
121 |
1060 |
|
G3508 |
650 |
1500 |
160 |
1402 |
|
G3512 |
809 |
1500 |
219 |
1918 |
|
G3516 |
1350 |
1500 |
290 |
2540 |
Таблица 4
Сводная таблица по выбросам парниковых газов для мини-ТЭЦ
|
Мощность номинальная, кВт |
Эмиссия парниковых газов, т/год |
Эмиссия парниковых газов в пересчете на СО2 экв, т СО2/год |
Валовые выбросы, т СО2 |
||||
|
СО2 |
N2O |
СН4 |
СО2 |
N2O |
СН4 |
||
|
70 |
440,0 |
0,001 |
0,040 |
440,0 |
0,2 |
0,85 |
441 |
|
125 |
681,8 |
0,001 |
0,062 |
681,8 |
0,4 |
1,31 |
683 |
|
211 |
1031,5 |
0,002 |
0,094 |
1031,5 |
0,6 |
1,98 |
1034 |
|
285 |
1386,1 |
0,003 |
0,127 |
1386,1 |
0,8 |
2,67 |
1390 |
|
424 |
1950,2 |
0,004 |
0,179 |
1950,2 |
1,1 |
3,75 |
1955 |
|
650 |
2578,7 |
0,005 |
0,236 |
2578,7 |
1,5 |
4,96 |
2585 |
|
809 |
3529,7 |
0,006 |
0,323 |
3529,7 |
2,0 |
6,79 |
3538 |
|
1350 |
4674,0 |
0,009 |
0,428 |
4674,0 |
2,7 |
8,99 |
4686 |
Газотурбинные электростанции
Расчеты выбросов парниковых газов были выполнены для мини-ТЭЦ с газотурбинными двигателями Kawasaki Heavy Industries Ltd. мощностью от 200 до 1600 кВт. Исходными данными для расчета являлся объем сжигаемого топлива, который указан в паспортных данных двигателей.
Исходные данные для расчета приведены в табл. 5.
Таблица 5
Паспортные данные мини-ТЭЦ с газотурбинными двигателями Kawasaki
|
Модель |
Мощность номинальная, кВт |
Расход газа на 100 %-й нагрузке, кг/ч |
Расход газа тыс. м3/год |
|
S1A-02 |
200 |
120 |
1541 |
|
S1T-02 |
400 |
190 |
2440 |
|
S2A-O1 |
600 |
218 |
2800 |
|
M1A-01 |
1100 |
390 |
5009 |
|
M1A-13CC |
1300 |
440 |
5652 |
Результаты расчета эмиссии парниковых газов от мини-ТЭЦ с газотурбинными двигателями представлены в табл. 6. На рисунке показаны графические зависимости выбросов парниковых газов от мощности двигателя.
Биогазовые установки
Расчеты выбросов парниковых газов были выполнены для мини-ТЭЦ с газопоршневыми двигателями Caterpillar, работающими на биотопливе, которое получают из навоза. Исходными данными для расчета являлся объем сжигаемого топлива, который указан в паспортных данных двигателей.
Был выполнен расчет следующих парниковых газов:
• СО2, N2O, СН4, которые образуются в процессе сжигания биотоплива,
• СО2, который является составной частью биогаза и без превращений выбрасывается в атмосферу.
Результаты расчета приведены в табл. 7 и на рисунке.
Таблица 6
Сводная таблица по выбросам парниковых газов для мини-ТЭЦ с газотурбинными двигателями Kawasaki
|
Мощность номинальная, кВт |
Эмиссия парниковых газов, т/год |
Эмиссия парниковых газов в пересчете на СО2экв, т СО2/год |
Валовые выбросы, т СО2 |
||||
|
СО2 |
N2O |
СН4 |
СО2 |
N2O |
СН4 |
||
|
200 |
2836 |
0,0052 |
0,26 |
2836 |
1,6 |
5,5 |
2843 |
|
400 |
4490 |
0,0082 |
0,41 |
4490 |
2,6 |
8,6 |
4501 |
|
600 |
5152 |
0,0094 |
0,47 |
5152 |
2,9 |
9,9 |
5165 |
|
1100 |
9217 |
0,0169 |
0,84 |
9217 |
5,2 |
17,7 |
9240 |
|
1300 |
10398 |
0,0191 |
0,95 |
10398 |
5,9 |
20,0 |
10424 |
Таблица 7
Эмиссия парниковых газов при сжигании биогаза на мини-ТЭЦ с газопоршневыми двигателями
|
Мощность номинальная, кВт |
Эмиссия парниковых газов, т/год |
Эмиссия парниковых газов в пересчете на СО2экв, т СО2/год |
Эмиссия парниковых газов при сжигании биогаза в пересчете на СО2экв, т СО2/год |
Эмиссия СО2 из биогаза, т |
Валовые выбросы, т СО2 |
||||
|
СО2 |
N2О |
СН4 |
СО2 |
N2О |
СН4 |
||||
|
95 |
414,2 |
0,001 |
0,038 |
414,2 |
0,2 |
0,80 |
415 |
135,9 |
551 |
|
189 |
828,3 |
0,002 |
0,076 |
828,3 |
0,5 |
1,59 |
830 |
271,8 |
1102 |
|
378 |
1656,7 |
0,003 |
0,152 |
1656,7 |
0,9 |
3,19 |
1661 |
543,6 |
2204 |
|
583 |
2556,0 |
0,005 |
0,234 |
2556,0 |
1,5 |
4,92 |
2562 |
838,7 |
3401 |
|
756 |
3313,3 |
0,067 |
0,364 |
3313,3 |
20,8 |
8,01 |
3342 |
1087,2 |
4429 |
|
945 |
4141,7 |
0,008 |
0,379 |
4141,7 |
2,4 |
7,97 |
4152 |
2048,9 |
6200 |
Проведенные исследования показали:
• дизельные, газопоршневые и газотурбинные установки являются источником парниковых газов;
• эмиссия парниковых газов дизельных, газопоршневых и газотурбинных двигателей практически прямо пропорциональна их мощности;
• газотурбинные двигатели при одинаковой мощности выбрасывают парниковых газов больше, чем остальные двигатели;
• газопоршневые установки на биогазе выбрасывают парниковых газов больше, чем при работе на природном газе из-за различного состава газа.
Рецензенты:
Михаленко М.Г., д.т.н., профессор, декан ИФХФ, Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева (НГТУ), г. Нижний Новгород;
Лоскутов А.Б., д.т.н., профессор, зав. кафедрой «Электроснабжение и электроэнергетика» (ЭСиЭ), Волжская государственная академия водного транспорта (ВГАВТ), г. Нижний Новгород.
Работа поступила в редакцию 18.03.2012