Когенерационные установки (КГУ)

Наибольший экономический эффект достигается при совместной выработке на месте потребления электричества и тепла. Данный процесс получил название когенерации. В этом случае есть возможность использовать бросовую энергию — тепло выхлопных газов и систем охлаждения агрегатов, приводящих в движение электрические генераторы, или излишнее давление в трубопроводах. Утилизируемую тепловую энергию можно использовать также для производства холода в абсорбционных машинах (тригенерация).

Сегодня в промышленной энергетике широко применяется три вида оборудования для когенерации: газотурбинные установки, энергоблоки на базе двигателей внутреннего сгорания, а также сочетание паровых котлов и турбин. Существуют и другие решения, например, турбодетандер, который утилизирует избыточное давление природного газа и в некоторых случаях также может использоваться в качестве основного источника электроэнергии.

Газотурбинные установки
Газотурбинные двигатели (ГТД) традиционно используются в энергетике. Если коротко говорить об устройстве и принципе действия ГТД, следует разделить двигатель на две основные части — газогенератор и силовую турбину, — размещенные в одном корпусе. Первая составляющая включает турбокомпрессор и камеру сгорания; здесь создается высокотемпературный поток газов, который воздействует на лопатки силовой турбины.

В зависимости от конструкции газотурбинный двигатель может быть одновальным или с так называемым разрезным валом. Во втором случае обычно применяются два механически не связанных между собой и с силовой турбиной турбокомпрессора, которые приводятся в движение отдельными турбинами (рис. 1).

В настоящее время для промышленной и коммунальной энергетики выпускаются газотурбинные установки (ГТУ) электрической мощностью от 0,8 до 30 МВт. Нижний уровень обусловлен неэффективностью менее мощных теплоэлектростанций данного типа, верхний не является конечным, поскольку автономная станция может включать несколько энергоблоков.

 

Схема когенераторной ГТУ показана на рис. 2. Тепловая производительность обеспечивается утилизацией тепла выхлопных газов с помощью теплообменника, водогрейного или парового котла-утилизатора. Мощность может быть увеличена за счет применения пиковых котлов или дополнительного сжигания топлива в потоке выхлопных газов перед утилизационным аппаратом.

Автономные газотурбинные теплоэлектростанции выпускаются в виде модулей полной заводской готовности для стационарного размещения или в блочно-контейнерном исполнении (рис. 3). Они включают все необходимое оборудование (электрическое, водоподготовительное и т. д.) и легко транспортируются. Недостатками малых ТЭЦ с газотурбинными двигателями являются довольно низкий электрический КПД (около 30%) и относительно высокий расход топлива. Дополнительные расходы связаны с необходимостью подавать топливный газ под высоким давлением. Следует учесть также значительные затраты, обусловленные необходимостью приглашать для технического обслуживания ГТД специалистов из сторонних организаций.

К достоинствам данного оборудования следует отнести его способность работать на различном топливе, в том числе — на мазуте, относительно небольшой удельный вес, высокий потенциал утилизируемого тепла. Благодаря последнему свойству, ГТУ предпочтительнее там, где на выходе требуется пар. В качестве преимущества необходимо отметить также продолжительность периода, на протяжении которого допускается эксплуатировать данные машины без остановки (в среднем — до года).

Поршневые когенераторы

Двигатели внутреннего сгорания уже давно используются для привода автономных электростанций. В наиболее известном случае это — дизельные моторы, которые традиционно применяются районах, где отсутствует централизованное энергоснабжение, и резервные источники электрической энергии. Они бывают оснащены теплообменным оборудованием и тогда представляют собой мини-ТЭЦ. При этом находит применение бросовое тепло выхлопных газов (их температура обычно составляет 450—500°С), а в моделях с глубокой утилизацией — также тепло систем охлаждения и смазки двигателя. Тепловая энергия от таких энергоагрегатов идет на отопление и горячее водоснабжение.

Кроме дизелей в качестве базы для мини-ТЭЦ используют газовые (рис. 4) и газодизельные двигатели внутреннего сгорания. В так называемом газовом режиме газодизели обычно действуют на смеси газа и небольшого количества (от 1 до 10%) дизельного топлива.
С точки зрения капитальных затрат наиболее дешевыми являются дизельные мини-ТЭЦ. Однако из-за дороговизны солярки, большего расхода масла и высоких эксплуатационных затрат себестоимость вырабатываемой ими электроэнергии оказывается в несколько раз выше, чем у газовых установок (обладающих к тому же большим ресурсом до капремонта). Таким образом, дизельные когенераторы лучше использовать в негазифицированных районах. Энергия, получаемая от газодизельных мини-ТЭЦ, также дороже той, что вырабатывают установки на чистом газе.
Энергоблоки на базе двигателей внутреннего сгорания поставляются в блочно-модульном исполнении для стационарной установки или в транспортабельных контейнерах. Кроме того, часто применяются специальные кожухи, поглощающие шум.
На российском рынке представлены газовые когенераторные установки на базе двигателей внутреннего сгорания электрической мощностью от 8 кВт до 5 МВт (см. обзор на с. 52). Их электрический КПД составляет порядка 40%, а общий коэффициент использования топлива достигает 90%.

Техническое обслуживание поршневых машин проводится чаще, чем обслуживание газотурбинных мини-ТЭЦ (через каждые 1000—2000 ч, в зависимости от уровня изготовления). Однако общие эксплуатационные затраты, включающие оплату работы специалистов и стоимость запасных частей, оказываются на 30—40% ниже. Они также уменьшаются при проведении ТО собственными силами предприятия.

С точки зрения использования различных видов топлива и простоты перехода с одного из них на другое поршневые двигатели также обладают большими возможностями. В качестве горючего могут быть использованы природный газ, биогаз, газы мусорных свалок, пиролизные газы, пропан, бутан, дизельное топливо, топочные мазуты, сырая нефть и т. д.

Обычно мини-ТЭЦ с газовыми двигателями внутреннего сгорания оказываются эффективнее и экономичнее газотурбинных установок. Исключение составляют случаи, когда на предприятии есть потребность в получении постоянного количества теплоносителя с температурой более 110 °С, при большой потребляемой мощности, а также при ограниченном количестве пусков.

Паровые турбины
Небольшие паровые турбины позволяют создавать мини-ТЭЦ на базе уже действующих паровых котлов, давление пара на выходе из которых обычно значительно выше, чем необходимо для промышленных нужд. Избыток гасится специальным дроссельным устройством, при этом на каждой тонне пара теряется 40—50 кВт энергии. Установив параллельно дроссельному устройству турбину с генератором, можно получать электроэнергию. В других случаях может оказаться целесообразным специально установить паровой котел и турбину. В частности, это позволяет использовать для когенерации альтернативное топливо типа древесных отходов. Этим не исчерпываются возможные варианты. Например, для получения электрической энергии с наиболее эффективным использованием топлива разработаны комбинированные парогазотурбинные установки. В них тепло выхлопных газов газотурбинного двигателя утилизируется в паровом котле, а пар приводит в движение отдельно стоящую турбину с собственным электрогенератором.

Таким образом, получается три варианта использования паровой турбины: генераторный, турбоприводный и комбинированный. Генераторный вариант (Г) включает паровую турбину, приводящую в действие электрический генератор асинхронного или синхронного типов, подключенный на шины котельной, а трубопроводы отработавшего пара и промежуточных отборов — на трубопроводы соответствующих потребителей по уровням давления пара. Вырабатываемая электроэнергия, поступая на шины котельной вытесняет потребляемую из энергосистемы, а при ее избытке выдается в энергосистему через существующие электрические связи. Турбоприводный (ТП) вариант включает паровую турбину, приводящую в действие механизм собственных нужд котельной и (или) другие механизмы. Такими механизмами являются питательные и сетевые насосы, дутьевые вентиляторы и дымососы, а также другое оборудование. Комбинированный вариант (К) включает паровую турбину, приводящую в действие генератор и механизм.

Типовыми, наиболее эффективными мощностями, на которых имеет смысл использовать паровые турбины, является диапазон мощностей от 5 МВт до 25 МВт.

Преимущества паровой турбины: высокая производительность, гибкость по отношению к типу сжигаемого топлива, длительный срок службы. Недостатки: высокая инертность (длительный период запуска), высокая стоимость, производство тепла преобладает над электроэнергией, нижний порог эффективного применения (от 5 МВт электроэнергии).

Микротурбины

Микротурбина используется в качестве двигателя компактных модульных генераторов электроэнергии, работающих в диапазоне мощностей от 25 до 200 кВт.

Все движущиеся части микротурбинного двигателя - воздушный компрессор, генератор и сама турбина - расположены на одном валу, скорость вращения которого находится в диапазоне 45000-96000 оборотов в минуту. Вал закреплен на воздушных подшипниках, что позволяет отказаться от жидкостной смазки и использовать для этого воздух. Воздух также обеспечивает охлаждение двигателя и управляющей электроники. Это позволяет значительно снизить стоимость обслуживания оборудования по сравнению с другими технологиями. Для микротурбин стандартным считается проведение регламентных работ не чаще чем 1 раз в год, что обеспечивает работоспособность не ниже 99%.

Основным видом топлива для микротурбин является природный газ, но они также могут эффективно работать и на другом коммерческом или условно бесплатном углеводородном топливе (попутный нефтяной, биологический газы, шахтный метан, сжиженный пропан, бутан). Микротурбины демонстрируют наилучшие показатели по экологическим параметрам по сравнению с остальными приведенными в настоящем обзоре технологиями.

По совокупности все эти преимущества позволяют применять микротурбины в качестве постоянно работающего основного генератора даже в густонаселенных городских центрах внутри и вне помещений, отводя сети роль резерва.

К стандартным, и серьёзным минусам микротурбин относят:

• Высокую стоимость капиталовложений.
• Высокую стоимость аммортизационных отчислений.
• Высокую стоимость и необходимость регулярной замены аккумуляторных батарей, которые необходимо менять в процессе работы установки.
• Низкий электрический КПД и высокий расход газа.

 

Топливные элементы

Топливные элементы представляют собой электрохимические устройства, вырабатывающие электроэнергию без процесса горения - химическим путем, почти так же, как батарейки. Разница лишь в том, что в них используются другие химические вещества, водород и кислород, а продуктом химической реакции является вода. Можно использовать и природный газ, однако при использовании углеводородного топлива, конечно же, неизбежен определенный уровень выбросов двуокиси углерода.
Поскольку топливные элементы могут работать с высоким КПД и без вредных выбросов, с ними связаны большие перспективы в отношении экологически рационального источника энергии, который будет способствовать снижению выбросов парниковых газов и других загрязняющих веществ. Основное препятствие на пути широкомасштабного использования топливных элементов это их высокая стоимость по сравнению с другими устройствами, вырабатывающими электричество.

На базе топливных ячеек в настоящее время доступны когенераторные установки в диапазоне электрических мощностей 0,3-10 МВт. Достоинства данной технологии:

- высокий электрический КПД (до 54%)
- высокая экологичность (выхлопные газы представляют собой водяной пар и углекислый газ)
- низкие эксплуатационные издержки
- абсолютная безопасность
- компактность
- низкий уровень шума
- отсутствие вибраций

 

 

Когенерационные установки (газотурбинные, турбины на легком жидком топливе, дизельные установки) подбираются по электрической нагрузке на объект (потребители энергии - кондиционеры, тепловые насосы, холодильники, бытовые электронные приборы, освещение и пр.) в кВт. По электрической нагрузке подбирается одна или несколько однотипных КГУ, каждая из которых имеет электрические и тепловые мощности N_полн = N_эл + Q_тепл [кВт] с привязкой их по тепловой нагрузке к объекту.

Секундный расход топлива определяется как:

В = , [кг/с], (2.8)

где

– электрический КПД КГУ, принимаем по паспорту, [в долях];

– теплотворная способность топлива (газ, жидкое, твердое топливо), [кДж/кг], [кДж/м³].

Примечание:

Если выбирается одна КГУ, то Q_нагр = 1,2 · N_полн. (2.9)

Если несколько КГУ (n, шт), каждая из которых имеет полную нагрузку N_полн, то

Q_нагр = 1,2· n · N_полн. (2.10)

При оформлении контрольной работы по применению КГУ, студент должен оценить поверхность теплообменника F, м², используемого для теплоснабжения объекта. Для этого используем в расчетах: уравнения теплообмена – балансовыми и теплопередачи; изображения циклов в диаграммах T-S газовой турбины или дизеля, а также энтальпии воды – i_воды = с_воды·t =4,19·t [кДж/кг] и энтальпии отработанных горячих газов [кДж/кг] или [кДж/м³].

Общая запись уравнений теплообмена для тепловой нагрузки Q_нагр:

[кВт], (2.11)

где - количество воды, циркулирующей в системе теплоснабжения, [кг/с];

i ^', i" - энтальпии горячей и охлажденной воды на входе и выходе из теплообменника, [кДж/кг];

– энтальпии отработанных газов на входе и выходе из теплообменника, [кДж/кг], [кДж/м³].

k- коэффициент теплопередачи от отработанных газов, выбрасываемых турбиной или дизелем в теплообменник к воде змеевика, [ ];

[ ], (2.12)

где – коэффициент теплоотдачи от газов к наружной стенке змеевика, можно принять = 30-40 ;

–сопротивление стенки змеевика, можно принять в пределах

= (3÷4)·10^-4 ;

α_в - коэффициент теплоотдачи от внутренней стенки трубы змеевика к воде

=1500÷2000 ;

– средняя разность температур между отходящими из турбины или дизеля горячими газами и холодной водой в трубках змеевика. Определяется с помощью следующих методических указаний.

 

 

а) T-S диаграмма (газовая турбина) б) T-S диаграмма (дизель)

 

в) изменение температуры по поверхности теплообменника

Рис. 1 Диаграммы Т-S и t-F

В расчетах, для упрощения задачи, принимаем прямоточный теплообменник, тогда:

, (2.13)

(2.14)

Если 1,7, то

Если 1,7, то (2.15)

Тогда оценочная поверхность теплообменника, задействованного в КГУ должна быть не менее:

[м²] (2.16)

Оцените общие габариты КГУ.

При приоритете производства электрической энергии особое внимание, при эксплуатации КГУ, следует уделять ограничению количества стартов двигателя, для чего нужно обеспечить стабильный отбор электроэнергии. При отборе тепла для объекта рекомендуется использовать теплонакопители (аккумуляторы тепла), подобранные и рассчитанные для данной системы. Все устройства, входящие в состав системы теплоэнергоснабжения, должны управляться и контролироваться с помощью одного общего свободно-программируемого главного регулятора.

Накопитель тепла (тепловые аккумуляторы) можно представить в виде баков с водой (парафином). Так, хорошо изолированный бак с 1 тонной воды потребует энергии для нагрева ее тенами от 20 до 90 °С:

кДж ≈ 81 кВт-ч.

При использовании этой воды в качестве горячей для отопления и ГВС можно расходовать в среднем используя ее 12 часов и получая 7 кВт.

≈ 7кВт - тепловой энергии, в течение 12 часов можно отапливать и получать горячую воду для дома площадью, примерно, 100 м².