Основні теоретичні відомості.

КТЕ – комбіноване вироблення теплової та електричної енергії з одного джерела первинного палива.

Основні характеристики установок КТЕ (Комбіноване виробництво тепла й електроенергії) визначаються такими рівняннями:

Тепловий ККД - (Е _т) = Q / H

Електричний ККД - (Е _е) = W / H

Системний ККД - (S _е.) = (Q + W) / H

Теплота: Електроенергія = Q / H,

де Q – теплова потужність системи (кВт); W – Електрична потужність системи (кВт); H – витрата палива у системі (кВт).

Для будь-якого теплового двигуна, тобто пристрою, який перетворює тепло на роботу, максимальний теоретичний коефіцієнт корисної дії, відомий під назвою "ККД циклу Карно", визначається такою формулою:

1-Т1 / Т,

де Т1 – вхідна температура (К) і Т2 – вихідна температура (К).

Для досягнення максимального вироблення електроенергії необхідно мінімізувати вихідну температуру (зменшуючи тим самим кількість одержуваного корисного тепла).

4.2 Енергопереваги.

На приведеній схемі показано два альтернативних шляхи постачання електричної і теплової енергії. Для більшості електростанцій загального користування середня величина електричного ККД Е_е. становить близько 30%. Таким чином, щоб забезпечити постачання 40 одиниць електричної енергії, буде потрібно 114,3 одиниці первинної енергії (при Е_е=35%) а для постачання 40,2 одиниць теплоти буде потрібно 53,6 одиниць первинної енергії, що підводиться (при тепловому КПД котла Е_т, що дорівнює 75%). Отже, загальна потреба в первинній енергії становить 114,3 +56,6 = 167,9

Постачання таких же кількостей теплової та електричної енергії може бути здійснено від системи КТЕ, побудованої на основі дизельного двигуна внутрішнього згоряння. Ця система має електричний ККД Е_е, рівний 40%; таким чином, для генерування 40 одиниць електричної енергії буде потрібно 100 одиниць первинної енергії. Інші 60 одиниць енергії будуть викинуті як відходи, з яких 67% будуть утилізовані в якості корисної теплоти, тобто 40,2=60*0,67. Таким чином, загальний ККД системи КТЕ становитиме: (W + Q) / H _КТЕ = (40 +42,2) / 100 = 80,2%

А для традиційної схеми

(W + Q) / (H _в + H _ps) = (40 +40.2) / (114.3 +53.6) = 47.8%.

Отже, КТЕ забезпечує підвищення ефективності перетворення енергії первинного палива, що дає економію первинного палива 40%.

Обмеження КТЕ.

З державної точки зору:

- завдяки субсидіям, вартість електроенергії на державних електростанціях не відображає реальних витрат;

- низькі коефіцієнти окупності прийнятні для інвестицій на державних електростанціях.

Правові бар'єри. Для промислових підприємств:

- неоднакова тривалість більшої частини робочого часу протягом року. Це, у свою чергу, означає, що потреби в електриці та теплоті повинні співпадати;

- комбіноване виробництво теплової та електричної енергії має конкурувати з іншими варіантами інвестицій.

Не дивлячись на очевидні можливості енергозбереження, в силу ряду причин не завжди КТЕ є фінансово привабливим енергозберігаючим рішенням. Для отримання максимальної фінансової вигоди від застосування КТЕ подібна установка повинна працювати в режимі, близькому до оптимального (що зазвичай відповідає вихідний потужності, близької до максимальної) і повинен існувати попит на тепло та електрику. Крім того, потреби в теплоті і електриці повинні збігатися (оскільки зазвичай не представляється можливим зберігати теплоту або енергію). Хоча звичайно завжди є в можливість "експортувати" теплоту іншим користувачам або в районні теплові мережі, а електроенергію - "у національну об'єднану енергосистему".

Ціни на електроенергію на державних електростанціях можуть не відображати дійсні витрати на виробництво енергії або на первинне паливо. Субсидії можуть створювати штучне зниження ціни на електроенергію, роблячи установки КТЕ малопривабливими для споживача.

4.3 Основні види систем КТЕ.

Двигун внутрішнього згоряння (ДВЗ), газова турбіна (ГТ), парова турбіна.

Найбільш поширеним типом системи КТЕ є така, де первинне джерело енергії використовується для виробництва електричної енергії, а теплота регенерується (зазвичай у вигляді пари або гарячої води) і використовується для нагрівання або опалення. Подібне рішення відоме під назвою "верхнього циклу". Альтернативним рішенням є таке, коли теплота високотемпературного процесу (напр. металургійна піч) використовується для генерування електричної енергії. Подібний тип КТЕ має менше поширення і відомий під назвою "нижнього циклу".

Двигуни внутрішнього згоряння.

Для використання в КТЕ установках випускаються ДВС від 20кВт до 15МВт (потужність на валу). Можуть застосовуватися всі види палив: природний газ, легкі середні сорти паливної нафти, попутні гази; газ з відходів на сміттєвому звалищі і гази, отримані при розкладанні. У більшості двигунів передбачено використання турбонаддуву коли суміш палива і повітря вводяться в циліндри при тиску в декілька Бар. Для цих цілей використовується невеликий "турбонагнітач", який працює на вихлопних газах. Термін служби близько 10 років. Тепло, що виділяється ДВЗ, відводиться трьома способами: безпосередньо з вихлопними газами, шляхом теплопередачі з системи охолодження двигуна, системи охолодження масла та повітря наддуву (якщо двигун оснащений турбонагнітачем). Зазвичай існує можливість регенерувати теплоту тільки від вихлопних газів, системи охолодження двигуна і системи охолодження масла.

Найбільш поширеними типами КТЕ, наявними на ринку, є наступні: двигун внутрішнього згоряння в комплекті з котлом, що забезпечує утилізацію теплоти; газова турбіна в комплексі з котлом, що забезпечує утилізацію теплоти; парова турбіна.

Паливо для ДВЗ: нафтове паливо – від легкого до середнього (важке для великих двигунів); газ – природний, попутний, крекінговий (зі стічних вод або відходів на сміттєзвалищі)

Гази можуть створювати особливі проблеми в силу ряду причин:

- високий вміст води, часто у вигляді рідкої фази, що може викликати необхідність осушення газу перед його використанням;

- низька теплотворна здатність (22-26 МДж/м³ у порівнянні з 37-39 МДж/м³ для природного газу), що призводить до підвищених витрат газу і вимагає змін конструкції двигуна;

- високий рівень сульфіду водню (H₂S), який часто присутній в газах, які отримують із стічних вод, що викликає сильну корозію двигуна і устаткування для регенерації теплоти.

Кількість теплоти, що може бути одержана з вихлопних газів залежить від необхідного виду пари або гарячої води - якщо потрібне отримання тільки гарячу воду при 80 ⁰С, то можна регенерувати більше теплоти в порівнянні з випадком генерування пари при температурі 200 ⁰С.

 

Витрати типових ДВЗ.

Встановлена потужність кВт, (електрична Продуктивність)
Капітальні витрати $ ^1
Капітальні витрати $ / кВте
Вартість палива $ / рік
Експлуатація $ / рік

 

Вихлопи ДВЗ включають: оксиди азоту (NO_x), двоокис вуглецю (CO ₂₎, оксид вуглецю (СО), незгорілі вуглеводні (дизельні двигуни), Частинки (дим) для дизельного і крекінговий палива, двоокис сірки (SO ₂₎. Існує ряд способів, що дозволяють контролювати рівень викидів.

Газові турбіни.

Газові турбіни для генерування електроенергії (ЕЕ) розробляються на основі авіаційних двигунів, в результаті чого вони відрізняються як високою надійністю, так і невеликими габаритами. Більшість газових турбін (ГТ) складається з трьох основних компонентів: компресора, камери згоряння і розширювальної труби.

Компресор стискає вхідне повітря, що викликає підвищення його температури. Потім це повітря подається в камеру згоряння разом з пальним, де відбувається згоряння. Далі гарячі гази при температурі близько 1000?С виводяться з ГТ через розширювальну турбіну, вал якої з'єднаний з компресором. Кінцева температура відхідних газів при виході з ГТ знаходиться в діапазоні 400-600?С. Приблизно 65% вироблюваної енергії використовується для приводу компресора.

ГТ можуть працювати на багатьох рідких та газоподібних паливах. Діапазон потужностей від 200 кВт до 200 МВт. ГТ потужністю до 5 МВт працюють в основному на газоподібних паливах (природний газ, попутний (нафтової) газ, газ отриманий при розкладанні), а також на газойлі - єдиному рідкому паливі.

Паливо має подаватися у камеру згоряння при високому тиску (12-20 Бар). Типовий термін служби 15-20 років. У ГТ існують три потенційні джерела теплоти: вихлопні гази, система охолодження масла, втрати з поверхні. Практично рекуперується тільки тепло вихлопних газів.

Більшість ГТ, призначених для генерування електроенергії, являють собою змінені конструкції авіаційних реактивних двигунів, завдяки чому вони зберігають багато корисних властивостей: виключно висока надійність, висока ефективність використання палива, компактна конструкція.

У випадку системи з паровою турбіною пар виробляється в окремому котлі (температура 200-500? С, тиск 10-60Бар). Потім пара проходить через парову турбіну, яка пов'язана з генератором змінного струму. Потужність турбін від 100 кВт до понад 500 МВт. Оскільки згоряння палива відбувається в казані, для вироблення пари можна використовувати будь-яке паливо. Важливим чинником для парових турбін є тиск відпрацьованої пари. Для отримання максимального ККД при генеруванні ЕЕ відпрацьована пара повинна мати мінімально можливі рівні тиску і температури.

Для підтримки постійної частоти обертання валу при змінних навантаженнях подача пари в турбіну регулюється клапаном (або клапанами). Таким чином, при зниженні вихідної потужності втрати на тертя залишаються постійними, але ефективність знижується. У цілому, зниження ККД генерування електроенергії при зниженні вихідної потужності зазвичай виходить незначним.

Витрати на парову турбіну.

Встановлена потужність МВте. (електрична продуктивність)	0.5
Капітальні витрати $ ^1
Капітальні витрати $ / кВ
Вартість Палива $ / рік
Експлуатаційні Витрати $ / рік
Експлуатаційні Витрати $ / кВт / год	9.	7,5		6.
Простий / рік годинник ^3

 

Парові турбіни в порівнянні з ДВЗ і ГТ мають дуже низькі експлуатаційні витрати і малий час простою, наприклад, для установки в 1МВт, справедливі наступні цифри:

Простий за рік (години)	експлуатаційні витрати за рік
Парова турбіна	200 5000 $
Газова турбіна	500 45000 $
Двигун внутрішнього згоряння	1000 70000 $

 

Наведена нижче блок-схема може бути керівництвом для вибору схеми КТЕ і в даному випадку двигун внутрішнього згоряння, що працює на природному газі, найбільш підходить.

Вибір комбінованої теплоелектріческой (КТЕ) установки.

Вимоги до потужності – Режим роботи "автономний" або "паралельний" – Теплота: Електроенергія – Необхідна якість теплоти – Первинне паливо – Доступність – Вартість.

Для отримання максимально можливої вигоди від використання КТЕ необхідно приділяти велику увагу погодженням потреб потенційного користувача КТЕ і характеристик різних наявних установок. Для користувача КТЕ буде необхідна наступна інформація: наявні види палива; ціни і тарифи на електричне енергію, інші палива; графіки навантаження теплової та електричної енергії.

Оптимальне (з фінансової точки зору) рішення по створенню системи КТЕ може і не задовольняти всі потреби користувача по теплоті і електроенергії. Електроенергія може бути закуплена з національної електричної мережі і можуть бути встановлені котли, що працюють тільки на вироблення теплоти.

КТЕ є дуже тривалою і складною задачею. Тим не менш, можливо виконання попереднього аналізу, який покаже, чи варто займатися повним техніко-економічним аналізом. Виконання повного техніко-економічного аналізу для певної схеми.

Оцінка потенціалу КТЕ - Необхідна наступна інформація: доступні види палива, ціни і тарифи на електрику і інші види палива, графіки потреби в теплоті та електроенергії.

4.4 Приклад розрахунку потенціалу КТЕ.

Загальні дані. Лікарня, що складається з одного великого будинку та кількох менших. Загальна площа 500000 м ². Примітка: електроенергія та теплота необхідні лікарні постійно (зокрема, теплота необхідна для пральні, миття та обігріву приміщень взимку).

Передбачається, що споживання буде стабільним (малоймовірно, щоб лікарні змінювали або припиняли споживання зазначених ресурсів, як це трапляється з промисловими підприємствами).

Подача електроенергії. Електропостачання здійснюється від високовольтної розподільчої мережі через локальні понижуючі трансформатори, які забезпечують напругу 415/240В у кінцевого споживача.

Подача теплоти. Чотири казани, що працюють на природному газі, подають воду при 120 ⁰С. Вона розподіляється по лікарні за допомогою теплообмінників, які постачають будівлі гарячою водою при температурі 60 ⁰С. Невелика кількість пари виробляється малими спеціальними котлами.

Коментарі. Виходячи, з існуючих потреб, може виявитися неекономічним, якщо установка КТЕ буде подавати пар та гарячу воду. Якщо потреба в парі низька, краще виробляти пар за допомогою маленьких локальних котлів.

Дані про вартість енергії. Електроенергія - 7,29 цент/кВт·год з 07.00 до півночі, з понеділка до п'ятниці. В інший час - 3,51 цент/кВт·год. Газ - 1,417 цент/кВт·год (нижча теплота згоряння).

Споживання.

Місячне споживання подано в таблиці.

 

Місячна потреба в електричній та тепловій енергії.

	Електрика	Газ	Теплота
Місяць	Споживання (МВт · год)	Макс нагр. (КВт)	Споживання (МВт · год)	Макс.нагр. (МВт · год)
Жовтень
Листопад
Грудень
Січень
Лютий
Березень
всього за зиму:
Квітень
Травень
Червень			##1471
Липень
Серпень
Вересень
всього за літо:

 

Аналіз місячних величин показує, що можна виділити літній і зимовий режими споживання. Для такого аналізу літо визначається як час з квітня по вересень (26 тижнів), а зима - з жовтня по березень (26 тижнів).

Аналіз потреби в електроенергії. Зазвичай електроенергія є основним видом енергії для установки КТЕ. З точки зору потреби в електроенергії інтервали часу з 06:00 до 18:00 по робочих днях представляють періоди "великого споживання", в сумі це дає 60 годин на тиждень. Решта годин (108 годин/тиждень) відповідають періоди "малого споживання".

Розрахункове середнє навантаження для періоду великого споживання становить 1000 кВт. Розрахункова середнє навантаження для періоду малого споживання становить 600кВт.

Теплота. Використовуючи тривалості великого і малого споживання для електроенергії, можна розрахувати середню потребу в теплоті для цих періодів за допомогою графіка потреби в газі і ККД котла. Розрахункова середня потреба в газі для періоду великого споживання становить 4000 кВт. Розрахункова середня потреба в газі для великого споживання становить 3000 кВт.

Таким чином, розрахункова середня потреба в газі для періоду великого споживання становить 2800 кВт, розрахункова середня потреба в теплоті для періоду малого споживання становить 2100 кВт. Тоді загальна потреба в енергії протягом року може бути представлена для чотирьох (або більшої кількості) періодів часу і розрахунок споживання для цих періодів ґрунтується на середній наближеній потребі, кількості годин і кількості тижнів.

Ясно, що цифри середньої потреби для літа та зими будуть різними, особливо щодо теплоти. Тому ці середні цифри вимагають певного коригування з тим, щоб узгодити розрахункові результати з дійсними даними. Цифри для електроенергії можна підкоригувати, скориставшись рівнями по місяцях в якості нормативних. Для споживання теплоти максимальна потреба не відома, проте цифри середньої потреби необхідно буде скорегувати відповідно до інформації про кількість котлів, необхідних влітку і взимку.

Вибір потужності КТЕ установки. Це ітераційний процес. Перша спроба повинна передбачати використання установки, яка забезпечує найкраще збіг з середньою потребою об'єкта в електроенергії, яка складає 783 кВт. Найближча за потужністю промислова установка має потужність 800 кВт.

Потреби об'єкта в енергії, що покриваються КТЕ. Необхідно звернеться до технічних характеристик двигуна внутрішнього згорання, які надаються виробником і зокрема з'ясувати: кількість теплоти, одержуваної при повному навантаженні, тобто визначити відношення (Теплота) / (Електрична потужність). Для установки, потужністю 800кВте, це відношення дорівнює 1,40:1 (тобто, 1,4 кВт теплоти виробляється на кожний 1 кВт електроенергії); як змінюється відношення теплоти до електричної потужності при неповному навантаженні. У нашому випадку двигун буде працювати при 650 кВте і 600кВте. При 800 кВте відношення теплоти до електричної потужності становить 1,4:1; при 650 кВте – 1,44:1; при 600 кВте – 1,46:1.

Потреба установки КТЕ в паливі. Питомі норми споживання палива на одиницю вихідної потужності повинні бути відомі (кВт/кВте) як при повному, так і неповному навантаженні. При 800кВте - кВт/кВте = 2,90; при 650 кВте - кВт/кВте = 2,96; при 600 кВте - кВт/кВте = 3,01.

Витрати на енергію. Добові тарифи на електроенергію не збігаються з часом "великого" і "малого" споживання, тому для цін на електроенергію використовується "зважене середнє". Двигун внутрішнього згоряння працює на природному газі, ціна якого становить 1,417 ц / кВт · год.

Капітальні витрати. Капітальні витрати оцінюються в $ 792.000 доларів США. Потім вся процедура повторюється при використанні менших двигунів внутрішнього згоряння (щоб домогтися роботи двигуна протягом більшої частини часу з повним навантаженням). При такому аналізі з'ясовується, що менша установка, потужністю 600 кВте, буде забезпечувати великі фінансові вигоди і тому вимагає більш детальної оцінки.

Хід роботи

1. Ознайомитися з перевагами і видами КТЕ.

2. Провести розрахунок економічного ефекту від впровадження КТЕ з врахуванням вартості обладнання та вартості пального за умов вказаних викладачем.

3. Зробити висновки по роботі.

4. Оформити звіт з практичної роботи.

4.6 Контрольні питання

1. Запишіть рівняння, які визначають основні характеристики установок КТЕ.

2. Назвіть переваги і недоліки установок КТЕ.

3. Охарактеризуйте основні види КТЕ.

4. Розкажіть процедуру розрахунок економічного ефекту від впровадження КТЕ.

 

Перелік літератури

 

1. Закон України «Про енергозбереження» №74/94-ВР, 1994.

2. Прокопенко В.В. Енергетичний аудит з прикладами та ілюстраціями [Текст] / Навчальний посібник / В.В. Прокопенко, О.М. Закладний, П.В. Кульбачний; - К.: Освіта України, 2009. – 438 с.

3. Копытов Ю.В. Экономия электроэнергии в промышленности [Текст]: справочник / Ю.В. Копытов, Б.А. Чуланов; – М.: Энергия, 1978. – 120 с.

4. Лезнов, Б.С. Экономия электроэнергии в насосных установках [Текст]/ Б.С. Лезнов - М.: Энергоатомиздат, 1991. - 144 с. – Библиогр.: - ISBN 5-283-02011-8.

5. Праховник, А.В. Энергетический менеджмент [Текст] / А.В. Праховник, А.И. Соловей, В.В. Прокопенко; М-во освіти і науки України, Нац. техн. ун-т України "Київ. політехн. ін-т". — К.: НТУУ "КПИ", 2001. — 472 с. – Библиогр.: - ISBN 966-622-027-х.

6. Рей, Д. Экономия энергии в промышленности [Текст]: справочное пособие для инженерно-технических работников / Д. Рей – М.: Энергоатомиздат, 1983. – 208 с..

7. Степанов, В.С. Эффективность использования энергии [Текст]/ В.С. Степанов, Т.Б. Степанова; – Новосибирск: ВО “Наука” Сибирская издательская фирма, 1994. – 257 с. – Библиогр.: - ISBN 5-02-030785-8.

8. Закладний, О.М. Електропривод [Текст]: навч. посіб / О.М. Закладний, В.В. Прокопенко, О.О. Закладний; М-во освіти і науки України, Нац. техн. ун-т України " Київ. політехн. ін-т ". — К.: НТУУ "КПІ", 2007. — 316 с. – Библиогр.: - ISBN 978-966-622-273-5.

9. Закладний, О.М. Енергозбереження засобами промислового електроприводу [Текст] / О.М. Закладний, А.В. Праховник, О.І. Соловей;— К.: Кондор, 2005. — 408 с. – Библиогр.: - ISBN 966-7665-23-2.

10. Аракелов, В.Е. Методические вопросы экономии энергоресурсов [Текст] / В.Е. Аракелов, А.И. Кремер; – М.: Энергоатомиздат, 1990. – 192 с. – Библиогр.: - ISBN 5-283-0057-5.

11. Отчет по проведению энергетического аудита предприятия / Праховник А.В., Прокопенко В.В., Иншеков Е.Н., Разумовский О.В. и др.; Нац.техн.ун-т Украины «Киев. политехн. ин-т». – Киев, 2000. 53 с.

12.. Маляренко В.А. Енергетичні установки. Загальний курс: Навчальний посібник. – 2-е видання Х: «Видавництво САГА», 2008. – 320 с.

13. Маляренко В.А., Лисак Л.В. Енергетика, довкілля, енергозбереження. /Під заг. ред. проф. В. А. Маляренка, Х.: Рубікон, 2004. – 368 с.

14. Маляренко В.А. Введение в инженерную экологию. Учебное пособие. – Второе издание – Х.: Издательство САГА, 2008. – 185 с.

15. Маляренко В.А., Немировский И.А. Энергосбережение и энергетический аудит. Учебное пособие / Под ред. проф. Маляренко В.А. – Харьков: ХНАГХ, 2008.–253 с.

16.. Праховник А.В. Малая энергетика: распределенная генерация в системах энергоснабжения. - К.: Освіта України, 2007. - 463 c.

17. Основи енергозбереження: Навчально-методичний посібник / С.М. Новічонок, В.М. Комаров, В.В. Тарасова. – Харків: ХУПС, 2006 – 121 с.

18. Новое семейство систем учета и управления электропотреблением ITEK //С.В. Гудыменко, А.В. Праховник, В.П. Калинчик и др. – Труды первой международной конференции по управлению использованием энергии. – Киев: Тас 18. 1995. С.57-60.

19. Методические указания по определению потер топливно-енергетических ресурсов РД.ЕДИВ. 015-008-94. Мінмашпром Украины, 1994. – 157 с..

20. Аракелов В.Е. Методические вопросы экономии энергоресурсов / Аракелов В.Е., Кремер А.И. – М.: Энергоатомиздат, 1990. – 192 с..

21. Типова методика енергетичних обстежень промислових підприємств М001384.0.33-04. – Київ, 2004. – 80 с.