Перспективы комбинированного производства электроэнергии, тепла и холода – актуальное направление в энергетике в условиях цифровой трансформации

Введение. Одна из стратегических линий развития мировой энергетики – это явная ориентация на малую энергетику, в частности, на альтернативные источники энергии. Тригенерация – это процесс организации выработки одновременно трех энергий: электричества, тепла и холода является более выгодной по сравнению с когенерацией [1-5,710], поскольку дает возможность эффективно использовать утилизированное тепло не только зимой для отопления, но и летом для кондиционирования помещений или для технологических нужд. Для этого используются тригенераторные абсорбционные бромистолитиевые холодильные установки. Такой подход позволяет использовать генерирующую установку круглый год, тем самым не снижая высокий КПД энергетической установки в летний период, когда потребность в вырабатываемом тепле снижается. Таким образом, если это тепло направить в абсорбционную машину, то отпадет надобность в работе системы принудительного охлаждения мини-ТЭЦ, на которую расходуется часть производимой электроэнергии и будет получена охлажденная вода для системы кондиционирования. Следовательно, совместное использование газопоршневых мини-ТЭЦ и абсорбционных холодильных машин значительно повышает эффективность использо-вания мини-ТЭЦ. Кроме того, в качестве электрической нагрузки к мини-ТЭЦ могут быть подключены обычные компрессорные холодильные установки, которые позволят получать промышленный холод. Анализ различных технологических схем тригенерации. С широким проникновением электроэнергии в быт возникла потребность в холоде, получаемом из электричества в кондиционерах. Удобство современных кондиционеров заключается также в том, что они могут работать как кондиционер летом и как отопительный прибор (тепловой насос) при отрицательных температурах окружающего воздуха, эффективность которого, однако, снижается с понижением температуры. Можно предположить, что современные кондиционеры могут работать как тепловой насос только при температуре окружающего воздуха выше –100 °C. Следует отметить, что удельные капитальные затраты на получение 1 кВт электроэнергии в 10–15 раз выше, чем на получение 1 кВт тепловой энергии. Большой интерес представляет создание холодильных машин, использующих тепловую энергию для производства холода. К ним, в частности, относятся абсорбционные бромисто-литиевые холодильные машины (АБХМ) [2]. В ряде случаев при снятии тепловой нагрузки в период положительных температур у потребителя возрастает потребность в холоде для кондиционирования помещений. С точки зрения наиболее эффективного использования оптимальной является установка с тригенерацией, которая вырабатывает электроэнергию круглогодично в соответствии с потребностями потребителя, тепло для горячего водоснабжения и отопления по графику отопительного сезона и холод в соответствии с потребностями в кондиционировании помещения по обратному графику тепловой нагрузки. Принципиальная тепловая схема предлагаемой ПГУ, разработанной Объединенным институтом высоких температур РАН, модифицированной для работы в системе тригенерации, оптимизированной для комбинированной выработки электроэнергии, тепла и холода, представлена ниже на рис. 1. Основные преимущества предлагаемой технологии:  На базе существующего отечественного авиационного двигателя АЛ-31 мощностью 20 МВт может быть создана парогазовая установка с впрыском пара электрической мощностью порядка 80–100 МВт, как за счёт повышения степени сжатия газотурбинного агрегата, так и за счёт впрыска пара в газовый тракт. “Фан ва технологиялар тараққиёти” Илмий–техникавий журнал №6/2025 151 Машиностроение и энергетика “Развитие науки и технологий” Научно–технический журнал №6/2025 152 Машинасозлик ва энергетика Результаты сравнительного технико-экономического анализа. Для энергоснабжения определенной замкнутой территории рассматриваются три альтернативных варианта:  парогазовая установка бинарного цикла для выработки электроэнергии для собственных нужд и холода с использованием традиционных электрических кондиционеров, а для нужд отопления и горячего водоснабжения – строительство отопительной котельной;  строительство ПГУ-ТЭЦ на базе перспективных парогазовых установок для выработки электроэнергии и тепла для нужд теплоснабжения и получения холода с использованием систем АБХМ с установкой дополнительной пиковой котельной для покрытия максимальных тепловых нагрузок;  строительство оригинальной, специально спроектированной парогазовой установки с впрыском пара для комбинированной выработки электроэнергии и тепла для нужд теплоснабжения и холода с использованием систем АБХМ. Для более корректного определения капитальных и эксплуатационных затрат при выборе типа ПГУ бинарного цикла использовались существующие установки. Использовалось дробное количество установок для покрытия требуемых потребностей. В таблице 1 приведены основные данные сравниваемых альтернатив. Таблица 1 Основные данные сравниваемых альтернатив. СГИ ИВТ РАН + котельная + АБХМ Электрическая мощность, МВт - на общие нужды 220,0 220,0 220,0 - на производство холода 40,8 - Всего 260,8 220,0 220,0 Тепловая мощность, МДж/с - в зимний максимум на нужды отопления и горячего водоснабжения 400,0 400,0 400,0 - в летний максимум, всего 96,0 273,0 273,0 в т.ч. на нужды горячего водоснабжения 96,0 96,0 96,0 в т.ч. на производство холода 177,0 177,0 Основная мощность, МВт - установленная мощность 230 230 70 - полезная мощность в номин. режиме 221,0 212,5 70,1 - полезная мощность в летний период 206,9 200,8 61,8 Условный расчет кол. энергоустановок 1,261 1,096 3,560 Тепловая мощность основных энергоустановок, МДж/с - одной установки 0 160,5 87,5 - суммарно, по всем энергоустановкам 0 175,8 311,5 Мощность котельной установки, МДж/с 400,0 224,2 88,5 Условный расчет количества 3,439 1,927 0,761 водяных скважин 405,4 329,9 49,1 26,4 ПГУ + котельная + АБХМ Рассмотренные варианты ПГУ + котельная + кондиционеры 305,7 253,6 10,9 41,3 364,8 296,1 27,5 41,3 “Фан ва технологиялар тараққиёти” Илмий–техникавий журнал №6/2025 153 Машиностроение и энергетика Таким образом, годовая экономия энергоресурсов в этом случае должна составить до 24% по сравнению с Парогазовой установкой - Теплоэлектроцентралью (ПГУ-ТЭЦ) на базе зарубежной газотурбинной установки (ГТУ) и до 38% по сравнению с вариантом раздельного производства электроэнергии на базе перспективной БПЛ КПИ 92% и холода с помощью современных электротрехцикловых кондиционеров. Предлагаемая к внедрению ПКУ ОИВТ РАН является экологически чистой, т.к. выбросы углекислого газа на 1 кВт·ч вырабатываемой электроэнергии снижаются более чем на 20-30% [2]. Решения Wärtsilä для централизованного холодоснабжения и электроснабжения. Высокая эффективность Wärtsilä на когенерационных электростанциях обеспечивает значительную экономию затрат на топливо по сравнению с другими технологиями [4,7,11]. Wärtsilä предлагает проекты, обеспечивающие максимальную эффективность и наилучшие эксплуатационные характеристики. Автоматизированная система управления не только контролирует все внутренние процессы на самой ТЭС, но и интегрируется в существующие системы с учетом всех необходимых уведомлений и связей, которые эксплуатирует станция. “Развитие науки и технологий” Научно–технический журнал №6/2025 154 Машинасозлик ва энергетика Мощность (общая) 43–30% Керамика 23,0% Холодная вода (общая) = 0,4–0,7 кВт на тонну холода Тепло 31% Расход топлива 100% Тепло на холодильник 31% (Коэффициент охлаждения = 1) Электроэнергия 46% Электроэнергия на холодильную установку 0–10% (Коэффициент охлаждения = 5) Общий коэффициент полезного действия 77,0% Вспомогательное оборудование 1–3%. “Фан ва технологиялар тараққиёти” Илмий–техникавий журнал №6/2025 155 Машиностроение и энергетика “Развитие науки и технологий” Научно–технический журнал №6/2025 156