В Україні дедалі частіше використовуються газопоршневі установки. Частина таких установок була поставлена як резервне або аварійне джерело електроенергії. Частина придбана на вторинному ринку. Частина встановлюється підприємствами для зменшення залежності від зовнішнього електропостачання.

У багатьох випадках такі установки працюють у мінімальній комплектації:
двигун, генератор, базова автоматика, система охолодження та димовідведення.

Тобто підприємство отримує власну електроенергію, але не використовує повний енергетичний потенціал палива.

З інженерної точки зору це означає, що газопоршнева установка працює фактично як газова електростанція, а не як повноцінна когенераційна установка.

Різниця суттєва.

Газопоршнева установка без утилізації тепла виробляє тільки електроенергію. Когенераційна установка має виробляти і електроенергію, і корисне тепло.

Саме для цього застосовується утилізатор відхідних газів or котел-утилізатор для КГУ.

Що таке утилізатор відхідних газів для КГУ

Утилізатор відхідних газів — це теплообмінне обладнання, яке встановлюється в тракті відведення гарячих вихлопних газів газопоршневої установки.

Його завдання — відібрати частину теплової енергії відхідних газів і передати її теплоносію.

Залежно від потреб підприємства це може бути:

• вода для системи опалення;
• вода для гарячого водопостачання;
• теплоносій для технологічного процесу;
• пара для виробничих потреб;
• контур попереднього підігріву;
• допоміжний тепловий контур котельні.

Тобто утилізатор не “виробляє енергію з нічого”. Він повертає в корисну роботу ту теплоту, яка без нього просто викидається в атмосферу разом із відхідними газами.

Чому КГУ без утилізатора працює не на повну ефективність

Електричний ККД газопоршневих установок зазвичай знаходиться в межах 30–40%. Це означає, що лише частина енергії природного газу перетворюється на електроенергію.

Інша частина енергії переходить у тепло:

• з відхідними газами;
• через систему охолодження двигуна;
• через мастильну систему;
• через інші теплові втрати.

Якщо це тепло не використовується, підприємство фактично спалює газ, отримує електроенергію, а значну частину енергії палива просто втрачає.

Для резервного режиму роботи це може бути прийнятно. Якщо установка працює лише кілька годин на місяць, економіка утилізації тепла майже відсутня.

Але якщо ГПУ або КГУ працює регулярно, наприклад щодня по кілька годин, ситуація змінюється. Тоді втрати тепла стають не теоретичною проблемою, а прямими експлуатаційними витратами.

Приклад розрахунку для КГУ електричною потужністю 1 МВт

Розглянемо умовну модель для газопоршневої установки електричною потужністю 1 МВт.

Вихідні дані:

Показник	Значення
Електрична потужність установки	1 МВт
Ціна природного газу	30 грн/м³
Нижча теплота згоряння природного газу	9,5 кВт·год/м³
Електричний ККД ГПУ	35%
Орієнтовна корисна теплова потужність від утилізатора	600–800 кВт
Розрахункове середнє значення теплової потужності	700 кВт

Щоб отримати 1 000 кВт електричної потужності при електричному ККД 35%, установка повинна спожити відповідну кількість паливної енергії:

1 000 кВт / 0,35 = 2 857 кВт паливної енергії

За теплоти згоряння газу 9,5 кВт·год/м³ витрата газу становитиме:

2 857 / 9,5 = 301 м³/год

При ціні газу 30 грн/м³ вартість палива становитиме:

301 м³/год × 30 грн/м³ = 9 030 грн/год

Отже, тільки паливна складова собівартості електроенергії:

9 030 грн/год / 1 000 кВт·год = 9,03 грн/кВт·год

Це лише газ. Без урахування:

• сервісного обслуговування;
• мастила;
• ремонту;
• амортизації;
• витрат на персонал;
• допоміжного обладнання;
• простоїв;
• запасних частин.

Тобто реальна собівартість електроенергії буде вищою.

Скільки тепла можна отримати від утилізатора відхідних газів

Для газопоршневої установки потужністю 1 МВт реалістично розглядати отримання від утилізатора приблизно 600–800 кВт корисної теплової потужності.

Точне значення залежить від:

• типу та моделі газопоршневого двигуна;
• температури відхідних газів;
• витрати відхідних газів;
• допустимого охолодження газів;
• температурного графіка теплоносія;
• гідравлічної схеми;
• режиму роботи установки;
• наявності реального теплового споживача;
• обмежень виробника ГПУ;
• вимог до димовідведення та автоматики безпеки.

Для обережної оцінки приймемо середнє значення: 700 кВт теплової потужності.

Якщо підприємство не використовує це тепло від КГУ, його доведеться виробляти іншим способом. Найчастіше – в існуючій газовій котельні.

Орієнтовний еквівалент економії природного газу для теплової потужності 700 кВт становить близько 80 м³/год.

При ціні газу 30 грн/м³ це: 80 м³/год × 30 грн/м³ = 2 400 грн/год

Тобто кожна година реального використання тепла від утилізатора може зменшувати витрати підприємства приблизно на 2 400 грн.

Окупність утилізатора, якщо тепло використовується тільки в опалювальний сезон

Часте запитання: чи має сенс утилізатор відхідних газів, якщо підприємство використовує тепло тільки взимку?

Відповідь: має сенс рахувати.

Розглянемо обережну сезонну модель.

Вихідні дані:

Показник	Значення
КГУ працює	12 год/добу
Тривалість опалювального періоду	120 днів
Потенційна економія при використанні тепла	2 400 грн/год
Реальне використання доступного тепла	60%
Орієнтовна вартість утилізатора з проєктною документацією	1,6–1,9 млн грн

Розрахунок сезонної економії:

2 400 грн/год × 12 год/добу × 120 днів × 0,6 = 2 073 600 грн

Тобто навіть якщо тепло використовується тільки в опалювальний сезон і не на 100%, а лише на рівні 60% доступного потенціалу, сезонна економія може становити близько 2 млн грн.

Якщо орієнтовна вартість утилізатора для КГУ 1 МВт з повним пакетом проєктної документації становить 1,6–1,9 млн грн, то строк окупності такого рішення може вкладатися в один опалювальний сезон.

Це не означає, що на кожному підприємстві буде саме такий результат. Але це означає, що економічний потенціал достатньо значний, щоб його принаймні перевірити розрахунком.

Що буде, якщо підприємство використовує тепло цілий рік

Якщо підприємство має не тільки опалювальне навантаження, а й технологічні потреби в теплі, економіка утилізатора може бути значно кращою.

Це актуально для підприємств, де тепло потрібне для:

• сушіння продукції;
• технологічної гарячої води;
• підігріву сировини;
• миття та санітарної обробки;
• харчового виробництва;
• аграрної переробки;
• елеваторів;
• тепличних господарств;
• деревообробки;
• виробництва пари;
• підтримання температури в технологічних контурах.

У таких випадках утилізатор відхідних газів може працювати не лише в опалювальний сезон, а значну частину року.

Саме тут економіка може покращуватися в рази.

Чому “я бачив у знайомого, і все працює” — слабка основа для вибору енергетичного рішення

На практиці підприємства часто ухвалюють рішення щодо власної генерації за принципом:

“У знайомого стоїть ГПУ, працює нормально”.

Проблема в тому, що “працює” і “оптимально працює саме для вашого об’єкта” — це різні речі.

Для одного підприємства достатньо резервної ГПУ без утилізатора, бо установка працює рідко і тільки як аварійне джерело електроенергії.

Для іншого підприємства така сама ГПУ без утилізатора може щодня створювати значні втрати, бо поряд працює газова котельня, яка окремо виробляє тепло, тоді як тепло від ГПУ просто викидається.

Для третього підприємства взагалі може бути доцільнішою інша конфігурація: парова турбіна, газова турбіна, котел-утилізатор, комбінована теплова схема або інше енергетичне рішення.

Саме тому вибір обладнання має починатися не з назви машини, а з енергетичної моделі підприємства.

Потрібно відповісти на базові питання:

• яка електрична потужність потрібна;
• чи потрібне тепло;
• чи потрібна пара;
• який тиск і температура пари потрібні;
• чи є цілорічне теплове навантаження;
• який графік роботи підприємства;
• чи є діюча котельня;
• який температурний графік системи теплопостачання;
• чи можна інтегрувати нове обладнання в існуючу схему;
• який очікуваний строк окупності.

Без цього є ризик купити рішення, яке формально працює, але не дає максимальної ефективності.

Водогрійний або паровий утилізатор: що обрати

Утилізатори відхідних газів для КГУ можуть бути різних типів.

Найчастіше застосовуються:

1. Водогрійні утилізатори

   Використовуються для нагріву води в системах опалення, гарячого водопостачання або технологічного теплопостачання.

2. Парові утилізатори

   Використовуються для виробництва пари низького або середнього тиску, якщо параметри відхідних газів і режим роботи установки дозволяють це зробити.

3. Комбіновані рішення

   Можуть передбачати кілька контурів або роботу в складі складнішої теплової схеми підприємства.

Вибір типу утилізатора залежить від:

• типу ГПУ;
• температури та витрати відхідних газів;
• потрібної теплової потужності;
• температурного графіка теплоносія;
• потреби в парі;
• гідравлічного опору;
• вимог до димового тракту;
• доступного місця для монтажу;
• вимог виробника двигуна;
• умов сервісного доступу;
• вимог автоматики та захистів.

Тобто утилізатор — це не просто “теплообмінник у димохід”. Це елемент енергетичної системи, який має бути правильно підібраний, розрахований і інтегрований.

Що потрібно врахувати перед встановленням утилізатора

Перед встановленням утилізатора відхідних газів для КГУ необхідно виконати попередній інженерний аналіз.

До нього мають входити:

1. Аналіз параметрів ГПУ

Потрібно визначити:

• виробника та модель двигуна;
• електричну потужність;
• витрату газу;
• температуру відхідних газів;
• масову або об’ємну витрату відхідних газів;
• допустимий гідравлічний опір у газовому тракті;
• вимоги виробника до димовідведення;
• режими роботи установки.

2. Аналіз теплового навантаження підприємства

Потрібно зрозуміти, куди саме можна подати тепло:

• в існуючу систему опалення;
• у систему гарячого водопостачання;
• у технологічний контур;
• у котельню;
• у буферну ємність;
• у паровий контур;
• у систему попереднього підігріву.

3. Аналіз температурного графіка

Необхідно визначити:

• потрібну температуру теплоносія;
• температуру зворотної лінії;
• допустимі режими роботи;
• чи вистачає температурного потенціалу відхідних газів;
• чи потрібне додаткове джерело тепла;
• чи потрібна погодозалежна або каскадна схема регулювання.

4. Гідравлічна інтеграція

Потрібно перевірити:

• чи можна врізати утилізатор у наявну систему;
• які потрібні насоси;
• які потрібні регулюючі клапани;
• чи потрібна буферна ємність;
• як уникнути конфлікту з існуючими котлами;
• як працюватиме система в різних режимах.

5. Автоматика та безпека

Потрібно передбачити:

• контроль температури;
• контроль витрати теплоносія;
• захист від перегріву;
• байпас газового тракту;
• аварійне відведення тепла;
• інтеграцію з автоматикою ГПУ;
• аварійні режими роботи;
• сигналізацію та блокування.

6. Монтажні та експлуатаційні умови

Потрібно оцінити:

• місце встановлення;
• доступ для обслуговування;
• можливість монтажу без тривалої зупинки обладнання;
• конструкцію димового тракту;
• теплоізоляцію;
• відведення конденсату, якщо він можливий;
• вимоги до матеріалів;
• захист зовнішніх поверхонь.

Де утилізатор відхідних газів може бути найбільш ефективним

Утилізатор для КГУ має найбільший сенс на підприємствах, де є стабільне або сезонне теплове навантаження.

Типові об’єкти:

• промислові підприємства;
• харчові виробництва;
• агропереробка;
• елеватори;
• тепличні комплекси;
• молокозаводи;
• м’ясопереробні підприємства;
• птахофабрики;
• деревообробні підприємства;
• логістичні комплекси;
• комерційні будівлі;
• виробничі цехи;
• підприємства з власними котельнями;
• об’єкти з потребою в гарячій воді або парі.

Особливо доцільно аналізувати утилізацію теплоти відхідних газів там, де ГПУ працює регулярно, а поруч одночасно працює газова котельня.

У такому випадку підприємство може спалювати газ двічі:
перший раз — у ГПУ для виробництва електроенергії;
другий раз — у котельні для виробництва тепла.

Утилізатор дозволяє частково об’єднати ці процеси.

Висновок: КГУ без утилізатора часто не реалізує повний потенціал палива

Газопоршнева установка без утилізатора може бути корисним джерелом електроенергії. Але якщо вона працює регулярно і підприємство має потребу в теплі, відсутність утилізації відхідних газів може означати значні втрати.

Для КГУ електричною потужністю 1 МВт навіть обережна модель показує, що за наявності теплового споживача утилізатор може дати суттєву економію.

При використанні тепла тільки в опалювальний сезон строк окупності може вкладатися в один сезон. Якщо тепло використовується також для технологічних потреб протягом року, економіка може бути ще кращою.

Але кожен об’єкт потрібно рахувати окремо.

Потрібно враховувати:

• модель ГПУ;
• параметри відхідних газів;
• температурний графік;
• теплове навантаження;
• режим роботи;
• наявну котельню;
• схему підключення;
• бюджет інтеграції;
• реальний графік використання тепла.

Тільки після цього можна говорити про технічну доцільність, бюджет і строк окупності.

ІВК ЕНЕРГІЯ: проєктування та виробництво утилізаторів відхідних газів для КГУ

IVK ENERGY розробляє та виробляє утилізатори відхідних газів для когенераційних установок.

Ми виконуємо:

• попередній аналіз ефективності встановлення УВГ;
• теплотехнічні розрахунки;
• підбір параметрів утилізатора;
• розробку проєктної документації;
• виробництво водогрійних утилізаторів;
• виробництво парових утилізаторів;
• адаптацію рішення під конкретну ГПУ;
• інтеграцію обладнання в існуючу теплову схему підприємства.