Современные тренды создания собственных источников генерации в металлургической промышленности на базе газотурбинных технологий компании «СИМЕНС»

О.В. Фрайфельд, ведущий менеджер по сбыту «Промышленные электростанции» компания «Сименс»

Характеристика современной металлургической промышленности

В условиях современной и быстроразвивающейся мировой и локальной экономики, отрасли которой, подстраиваясь под рыночные условия, вынуждены внедрять современные технологические решения как в основное производство, так и во вспомогательное. К вспомогательным производствам, как правило, относится вся производственная инфраструктура предприятия, направленная в первую очередь на надежное функционирование основной технологии. В данной статье мы рассмотрим современные мировые тренды в энергообеспечении предприятий черной и цветной металлургии, которые в свою очередь формируют полноценный металлургический комплекс экономики страны.

Почему вопрос энергообеспечения предприятия ставится на первое место? Рассмотрим общемировую характеристику удельного энергопотребления металлургическим комплексом (рис. 1).

Рис. 1 Удельная энергоемкость по отраслям промышленности (по данным U.S. Energy Information Administration / U.S. Department of Energy, 2016, published by Mr. A.L. Naidu)

Рис. 1 Удельная энергоемкость по отраслям промышленности (по данным U.S. Energy Information Administration / U.S. Department of Energy, 2016, published by Mr. A.L. Naidu)

Среди всех видов отраслей промышленности предприятия металлургического комплекса по добыче сырья и его обогащению входят в число предприятий с самыми высокими удельными энергетическими затратами на единицу валового внутреннего продукта.

Горнодобывающая промышленность самая энергоемкая в мире, ее оцениваемое энергопотребление составляет 5% мирового потребления энергии. Большая часть производств работает по графику день и ночь, обеспечивая тем самым относительно базовое потребление энергии, но с требованиями гибкости в рамках потребляемого объема энергии. Каждый тип добычи и переработки сырья имеет свою специфику технологического процесса, и каждое месторождение имеет специфику в потреблении энергии.

Помимо надежного обеспечения функционирования основного производства необходимо создание нормативных условий труда персоналу, неуклонное соблюдение нормативных требований экологической безопасности (шум и выбросы NOx и CO), в связи с чем энергообеспечение в числе всех затрат в производстве конечной продукции компании имеет большой удельный вес, и в зависимости от отрасли, к которой принадлежит предприятие, может варьироваться в диапазоне от 10 до 40%. В таком случае повышение эффективности энергообеспечения играет ключевую роль в оптимизации себестоимости продукции и повышении ее маржинальности. Данная статья даст ответ об оптимальном, надежном и эффективном решении для энергообеспечения предприятий металлургического комплекса.

Основные критерии выбора конфигурации технологии выработки энергии

Профиль нагрузки и соотношение электрической и тепловой энергии в энергопотреблении на разных стадиях передела сырья и получения готовой или промежуточной продукции могут существенно меняться. Рассматривая стадию первичной добычи сырья, можно выделить, что в соотношении потребления электрической и тепловой энергии доминирует первая, а типовыми источниками энергоснабжения могут быть – внешняя сеть, ГПУ или теплоэлектростанция на базе газотурбинных установок (далее ГТУ-ТЭС), угольная ПСУ, ВИЭ или ИБП могут рассматриваться как перспективные. На этапе переработки (обогащения) руды соотношение потребления электро- и теплоэнергии зависит от технологического процесса, источниками могут быть – внешняя сеть, ГЭС, парогазовая установка (далее ПГУ), ГТУ-ТЭС. На стадиях финального производства, таких как – производство стали, холодный / горячий прокат, соотношение в потреблении определяется технологическим процессом. Источниками энергии могут быть – ПГУ, ГТУ-ТЭС, ПСУ.

Рис. 2 График потребностей потребителя: Power – производство энергии; Heat – производство тепла; Flexibility – операционная гибкость; Heat extraction in SC/CC – Производство тепловой энергии в когенерации или комбини/ рованном цикле; CHP and electric efficiency – комбинированная выработка тепловой и электрической энергии и электрический КПД; Powertoheat ration – соотношение выработки электри/ ческой и тепловой энергии; Wind/PV – ветрогенерация и реше/ ния для хранения энергии; Combined cycle GT – комбинирован/ ный цикл на базе ГТУ; Simple cycle GT – простой цикл на базе ГТУ с когенерационной выработкой тепловой энергии; Steam turbines – паросиловой цикл на базе ПТУ; Boiler – энергетиче/ ские котлы для выработки тепловой энергии; Availability of heat – доступность выработки тепловой энергии; Flexibility of heat generation – гибкость регулирования выработки тепловой энергии; Inertia – динамическая стабильность генерации элек/ трической энергии; Reactive power – реактивная электрическая мощность; Turn down / PP availability – возможность разгрузки и операционная доступность генерации электрической энергии; Startup time – время пуска; Load change rate – характер изме/ нения выработки электрической энергии; Base load – базовая нагрузка; Intermediate load – полупиковая нагрузка; Peaker – пиковая нагрузка; Grid support / Residual load – поддержка сети или остаточная нагрузка; Ancillary service – технологические услуги

Рис. 2 График потребностей потребителя: Power – производство энергии; Heat – производство тепла; Flexibility – операционная гибкость; Heat extraction in SC/CC – Производство тепловой энергии в когенерации или комбини/ рованном цикле; CHP and electric efficiency – комбинированная выработка тепловой и электрической энергии и электрический КПД; Powertoheat ration – соотношение выработки электри/ ческой и тепловой энергии; Wind/PV – ветрогенерация и реше/ ния для хранения энергии; Combined cycle GT – комбинирован/ ный цикл на базе ГТУ; Simple cycle GT – простой цикл на базе ГТУ с когенерационной выработкой тепловой энергии; Steam turbines – паросиловой цикл на базе ПТУ; Boiler – энергетиче/ ские котлы для выработки тепловой энергии; Availability of heat – доступность выработки тепловой энергии; Flexibility of heat generation – гибкость регулирования выработки тепловой энергии; Inertia – динамическая стабильность генерации элек/ трической энергии; Reactive power – реактивная электрическая мощность; Turn down / PP availability – возможность разгрузки и операционная доступность генерации электрической энергии; Startup time – время пуска; Load change rate – характер изме/ нения выработки электрической энергии; Base load – базовая нагрузка; Intermediate load – полупиковая нагрузка; Peaker – пиковая нагрузка; Grid support / Residual load – поддержка сети или остаточная нагрузка; Ancillary service – технологические услуги

Для формирования требований к конфигурированию технической концепции собственного источника энергии обратимся к графику (рис. 2) базовых потребностей.

I Тепловая и электрическая энергия:

1. Выработка тепловой энергии в простом или комбинированном цикле;

2. КПД электрический и общий ТЭС;

3. Соотношение тепловой и электрической энергии:

- менее чем 1 : 1 – ветроэнергетика;

- комбинированный цикл на базе ГТУ;

- более чем 1 : 1 – простой цикл на базе ГТУ;

- паросиловая установка с паровой турбиной;

- тепловая котельная.

II Тепловая энергия и гибкость:

1. Доступная тепловая энергия;

2. Гибкость генерации тепловой энергии.

III Электрическая энергия и гибкость:

1. Инерция;

2. Реактивная мощность;

3. Возможность разгрузки / доступность электростанции;

4. Время пуска;

5. Характер изменения нагрузки – базовая нагрузка / полупиковая нагрузка / пиковая нагрузка / поддержка сети или остаточная нагрузка / технологические услуги.

Принимая во внимание перспективы развития мировой генерации до 2030–2040 гг., ее основой будет оставаться, с увеличением установленной мощности, газовая генерация. На сегодняшний день генерация на базе газотурбинной технологии является самым эффективным и экологически чистым способом из доступных для преобразования химической энергии природного газа (топливный газ) в электрическую и тепловую энергию, и уровнем КПД 60% – электрического и 95% – всей станции. Опыт компании «Сименс» в области разработки и производства ГТУ промышленного типа и строительства ТЭС на их базе насчитывает более ста лет. Промышленные ГТУ были спроектированы с учетом всех требований заказчиков – промышленных предприятий.

Применение технологий распределенной генерации электроэнергии с комбинированной выработкой тепловой энергии позволяет отказаться от инвестирования в многокилометровые линии электропередач, минимизировав расстояние между источником энергии и объектом, ее потребляющим, достичь серьезной экономии средств, покрыв отопление промышленных предприятий и объектов инфраструктуры за счет утилизации тепла. Стандартная ТЭС на базе ГТУ «Сименс» может быть построена в любом месте, где есть доступ к источнику топлива или возможность оперативного его подвода.

Рис. 3 Номенклатурный ряд промышленных и авиапроизводных ГТУ «Сименс»

Рис. 3 Номенклатурный ряд промышленных и авиапроизводных ГТУ «Сименс»

Номенклатурный ряд промышленных ГТУ «Сименс» представлен на рис. 3, включает ГТУ единичной номинальной электрической мощности от 5 до 62 МВт.

Рис. 4 Газогенератор промышленной одновальной ГТУ SGT>800
Рис. 4 Газогенератор промышленной одновальной ГТУ SGT-800

На сегодняшний день ГТУ SGT-800 (рис. 4) представлена на рынке в трех версиях – 49,9, 54, 57 МВт.

Рис. 5 Комплектный блок ГТУ SGT-800

Рис. 5 Комплектный блок ГТУ SGT-800

SGT-800 является промышленной ГТУ, изначально спроектированной для промышленной генерации, которая идеально подходит для комбинированного производства электрической и тепловой энергии. SGT-800 обладает следующими эксплуатационными преимуществами для эксплуатирующих организаций:

1. Электрический КПД в простом цикле – до 41,1%, что в среднем выше на 3–4% КПД ГТУ меньшей мощности, благодаря более высокому значению КПД достигается экономический эффект на экономии топливного газа;

2. Газогенератор укомплектован камерой сгорания с горелками по технологии DLE (сухое подавление выбросов), что позволяет снизить уровни выбросов NOx (окислы азота) и CO более чем в 2,5 раза по сравнению с установленными нормативными документами. Камера сгорания оснащена пассивной системой демпфирования виброгорения при переходных режимах в резком изменении нагрузки потребителей;

3. ГТУ имеет хорошие динамические характеристики благодаря одновальной конструкции и обеспечивает устойчивую работу генератора при значительных колебаниях присоединенной нагрузки потребителей;

4. Промышленная конструкция ГТУ обеспечивает длительный межремонтный ресурс эксплуатации и является оптимальной с точки зрения организации сервисных работ, которые проводятся на месте эксплуатации;

Рис. 6 Стандартный блок ПГУ на базе двух SGT-800Рис. 6 Стандартный блок ПГУ на базе двух SGT-800

В промышленной газовой турбине SGT-800 надежность и прочность конструкции сочетаются с высоким КПД и низким уровнем выбросов.

Основные особенности газовой турбины:

• Простая и надежная двухтопливная установка, оснащенная системой сухого подавления выбросов.

• Превосходные показатели готовности и надежности.

• Высокий электрический КПД, лишь минимально снижающийся с ростом наработки.

• Простое непосредственное соединение с котлом-утилизатором, благодаря отбору мощности на стороне компрессора.

• Устойчивость при сбросах нагрузки (заброс частоты составляет < 5 %).

• Низкое давление подачи газового топлива.

• Продолжительные межсервисные интервалы и долгий срок службы.

Характеристики комбинированного цикла на базе ГТУ SGT-800

 

Ключевые слова: СИМЕНС, источники генерации, промышленные электростанции, энергообеспечение предприятий

Журнал "Горная Промышленность"№5 (147) 2019, стр.42