Когенерационные системы

Когенерационные системы

Реферат Отчёт с., рис., источника.

КОГЕНЕРАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ, ПАРОВЫЕ ТУРБИНЫ, ГАЗОВЫЕ ТУРБИНЫ, МИКРОТУРБИНЫ, ПОРШНЕВЫЕ ДВИГАТЕЛИ Объектом исследования являются когенерационные установки.

Цель работы — рассказать о когенерационных системах, о видах когенерационных систем.

В работе рассмотрены различные виды когенерационных систем, их принцип действия и основные различия.

Введение

когенерация тепло турбина Когенерация, или комбинированное производство электроэнергии и тепла, представляет собой процесс генерирования электричества и тепла с использованием одного топливного источника. Приводимая в действие газовой турбиной когенерационная система позволяет весьма эффективно утилизировать тепло, которое в противном случае было бы потеряно во время производства электричества, и преобразовывать его в полезную тепловую энергию.

Когенерационная система универсальна и в то же время надежна, и, благодаря рациональному использованию энергии, технология когенерации (ТЭЦ) представляется более экономичным и экологически привлекательным вариантом для применения в промышленных масштабах, чем обычные электростанции, работающие на ископаемом топливе. ТЭЦ на базе газотурбинных установок компании Contex может быть расположена в непосредственной близости от потребителей электричества, что позволяет сократить потери на линии передачи.

Преимущества когенерации теплоэлектроцентралей (ТЭЦ):

— установка когенерационных систем, или ТЭЦ, позволяет значительно увеличить суммарный КПД станции (как правило, до 85%);

— эффективность повышается и за счет снижения затрат;

— благодаря использованию более чистого топлива (обычно — природный газ) уменьшается вредное воздействие на окружающую среду;

— комбинированная энергосистема не столь восприимчива к отключениям электричества или неполадкам, возникающим в местных инженерных сетях.

Для когенерации (рисунок 1), как процесса генерирования энергии, вид топлива не имеет значения. То есть для когенерационного процесса применимы как возобновляемые виды топлива, так и ископаемые. Особые технологии, используемые в настоящее время, и достигнутые благодаря им показатели эффективности будут меняться, но в любом случае ТЭЦ дает возможность более рационально и эффективно использовать ценные первичные энергоресурсы. ТЭЦ, в основном, рассчитаны на местное энергоснабжение; в первую очередь — отопление, а также электричество и все чаще охлаждение.

Рисунок 1 — Схема когенерационной системы

1. Когенерация

Когенерация — комбинированная выработка электроэнергии и теплоты в электрогенераторных установках с ДВС. Понятие когенерации используется в настоящее время, чаще всего, по отношению к теплоэлектростанциям небольшой мощности (до десятков мегаватт), работающим на локальные сети.

Название «когенерация» произошло от слов «комбинированная генерация», то есть это процесс, при котором одновременно вырабатывается электроэнергия и тепло. Дело в том, что во время работы электрогенератор выделяет огромное количество тепла, которое в обычных установках просто отводится за ненадобностью и никак не используется. Идея же когенерационных установок заключается в минимизации потерь вырабатываемой энергии: тепло, которое вырабатывает генератор, используется в них для обогрева помещений.

Основной отличительной чертой каждой когенерационной установки является тип силового агрегата, который используется в работе. В настоящее время наиболее распространены два основных типа установок: газотурбинные и газопоршневые электростанции. Выбор того или иного типа зависит, как правило, от множества факторов, таких как требования заказчика, размещение установки, технические возможности по созданию системы теплозабора и так далее.

2. Паровые турбины

Паровые турбины используются в качестве основных двигателей промышленных когенерационных систем в течение многих лет. Пар, образующийся в паровом котле, расширяясь, под высоким давлением проходит через лопатки турбины. Турбина вращается и производит механическую энергию, используемую генератором для производства электричества.

Электрическая мощность системы зависит от того, насколько велик перепад давления пара на входе и выходе турбины. КПД паровой турбины в части генерации электроэнергии самый низкий из всех рассматриваемых технологий (от 7 до 20%), но в составе когенерационных систем суммарная эффективность может достигать 80% в расчете на условную единицу израсходованного топлива (по теплотворной способности). Из этого следует, что паровые турбины находят применение в местах, где потребность в тепловой энергии намного выше, чем в электрической. Предлагаемые на рынке системы, как правило, рассчитаны на производство от 500 кВт и более электроэнергии.

Для эффективной работы пар в турбину должен подаваться под высокими давлением и температурой (42 кг/см² при 400 °C или 63 кг/см² при 480 °С). Такие условия предъявляют повышенные требования к котельному оборудованию, что приводит к росту капитальных расходов и стоимости сопровождения. Преимуществом технологии является возможность использования в котле самого широкого спектра топлив, включая твердые. Однако использование тяжелых нефтяных фракций и твердого топлива снижает экологические показатели системы, которые определяются составом отходящих из котла продуктов горения. Паровые турбины бывают двух типов: с противодавлением (когда давление пара на выходе турбины выше атмосферного) и конденсационные (когда давление пара на выходе турбины ниже атмосферного). Применение дополнительного (внешнего по отношению к турбине) конденсора в последних позволяет увеличить электрическую эффективность, но практически сводит к нулю последующее использование отходящего тепла.

3. Газовые турбины

Благодаря повсеместному переходу в 90-е годы на использование природного газа в качестве основного топлива для электроэнергетики, газовые турбины заняли существенный сегмент рынка. Несмотря на то, что максимальная эффективность оборудования достигается на мощностях от 5 МВт и выше (до 250 МВт), некоторые производители выпускают модели в диапазоне 1−5 МВт.

Принцип работы газовых турбин состоит в следующем: газ, нагнетаемый в камеру сгорания компрессором, смешивается с воздухом, формируя топливную смесь, и поджигается. Образующиеся продукты горения с высокой температурой (900−1200 °С), проходя через несколько рядов лопаток, установленных на валу турбины, приводят к вращению турбины. Механическая энергия вала передается через (понижающий) редуктор электрическому генератору. Тепловая энергия выходящих из турбины газов поступает в теплоутилизатор. Вместо производства электричества, механическая энергия турбины может использоваться для работы насосов, компрессоров и т. п. Наиболее традиционным видом топлива для газовых турбин является природный газ, хотя это не исключает возможности использования других видов газообразного топлива. При этом газовые турбины предъявляют повышенные требования к качеству его подготовки (механические включения, влажность).

Температура исходящих из турбины газов составляет 450−550 °С. Количественное соотношение тепловой энергии к электрической у газовых турбин составляет 2 к 1, что позволяет строить когенерационные системы, различающиеся по типу теплоносителя:

— непосредственное (прямое) использование отходящих горячих газов;

— производство пара низкого или среднего давления (8−18 кг/см²) во внешнем котле;

— производство горячей воды (лучше, когда требуемая температура превышает 140 °С);

— производство пара высокого давления (турбины комбинированного цикла, описание которых приведено ниже).

КПД газовой турбины составляет от 3% до 25%, в зависимости от параметров работы конкретной модели турбины и характеристик топлива. В составе когенерационных систем эффективность возрастает до 90% в расчете на условную единицу израсходованного топлива (по теплотворной способности). Газовые турбины обладают хорошими экологическими параметрами.

Работа турбины сопровождается высоким уровнем шума, поэтому для их установки используются индустриального типа здания (в том числе контейнерного типа), которые также обеспечивают влагозащищенность оборудования.

4. Поршневые двигатели

Поршневые двигатели, используемые в энергосистемах, обладают, с одной стороны, соизмеримой с турбинами эффективностью в части генерации электроэнергии. С другой стороны, создание когенерационных систем на базе поршневых двигателей осложнено рассеиванием тепловой энергии, часть которой отводится системой охлаждения двигателя (двигатель и масло, используемое в системе смазки, должны постоянно охлаждаться), а также пульсирующим характером потока отходящих газов (с температурой на уровне 400 °С). Количественное соотношение тепловой энергии и электрической у поршневых двигателей составляет 1 к 1.

На практике применяют два типа поршневых двигателей:

— с воспламенением от сжатия (аналог автомобильного или судового дизеля), которые могут работать на дизельном топливе или природном газе (с добавлением 5% дизельного топлива для обеспечения воспламенения топливной смеси). На рынке доступны модели от единиц киловатт до 15 МВт выходной электрической мощности. Несмотря на повсеместную тенденцию использовать газ (в основном по экологическим причинам), в некоторых случаях (отсутствие газопровода, цена строительства, время работы) экономически оправданно использовать дизельное топливо;

— с искровым зажиганием (аналог автомобильного бензинового двигателя). Электрическая выходная мощность двигателей этого типа, как правило, на 17% ниже, чем у дизелей (ограничивается специально для предотвращения детонации). Тепловая мощность у них также ниже, чем у дизелей. Двигатели с искровым зажиганием могут работать на чистом газе (природный газ, биои другие условно бесплатные газы).

Наиболее часто встречающиеся аппликации для тепловой энергии отходящих газов поршневых двигателей включают производство пара с давлением до 15 кг/см² или горячей воды с температурой до 100 °C или прямое использование тепла отходящих газов в процессах сушки. Помимо отходящих газов можно использовать воду из системы охлаждения двигателя, но она обладает низкой энергетической способностью (температура от 80 °C до 90 °С).

Подготовка места установки поршневых двигателей должна обязательно включать решение вопросов, связанных с вибрацией. Наиболее эффективным методом является использование платформы с пневматической системой амортизации.

Шум от работы двигателя представляет меньшую проблему, чем для индустриальных газовых турбин, но вместе с тем, низкочастотная составляющая шума может создавать достаточно сильное давление на ухо человека и может потребовать создания специальных защитных конструкций.

Поршневой двигатель конструктивно имеет больше движущихся частей по сравнению с турбиной. Следовательно, интервалы сервисного обслуживания, связанного с остановкой и ремонтом двигателя короче, чем у турбин. Тем не менее, работоспособность поршневых двигателей, как правило, не опускается ниже 90%. Существенное ограничение состоит в работе на неполной мощности — поршневой двигатель, как правило, не рекомендуется запускать с нагрузкой менее 50% на продолжительный период времени. Для борьбы с высокой эмиссией вредных веществ в поршневых двигателях используются как внешние каталитические фильтры, так и конструктивные модификации самих двигателей, направленные на увеличение времени горения и степени сжатия топливной смеси. Это, в свою очередь, приводит к росту стоимости самого оборудования и расходов на его сопровождение. Высокая эмиссия поршневых двигателей связана в первую очередь с тем, что развитие этих технологии происходило в период отсутствия экологических ограничений и основное внимание уделялось максимизации выходной мощности и производительности.

Комбинированная система строится на основе индустриальной газовой турбины, поток горячих отходящих газов которой направляется на производство пара, который, в свою очередь, поступает в паровую турбину. Как правило, такие системы используются генерирующими компаниями в случае, когда необходимо максимизировать производство электрической энергии. Когенерация в этом случае играет подчиненную роль и обеспечивается за счет отвода части тепла из паровой турбины.

5. 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 45 000−96 000 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, дизель или керосин). Микротурбины демонстрируют наилучшие показатели по экологическим параметрам по сравнению с остальными приведенными в настоящем обзоре технологиями.

Микротурбины не вибрируют, акустическая эмиссия не превышает 65 дБ и легко гасится с помощью дополнительных кожухов. Корпус микротурбины имеет защиту от влаги и позволяет устанавливать оборудование на открытой площадке, снижая тем самым расходы на организацию специальных помещений.

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.

В связи с тем, что микротурбины являются достаточно инновационным продуктом на рынке распределенных энергосистем (активное коммерческое применение началось в 1998 году) и стоимость оборудования, отнесенная на единицу электрической мощности в настоящее время выше, чем у других технологий, использование микротурбин в когенерационных системах существенно улучшает их экономическую привлекательность. Применение микротурбин в когенерации определяется температурой отходящих газов (270−300 °С) и количественным соотношением тепловой энергии к электрической 2.25 к 1:

— прямое использование газа для сушки, обогрева помещений.

— производства CO₂ (теплицы);

— комплектация интегрированным или подключение внешнего теплообменника, в котором теплоносителем выступает вода или гликоль (горячее водоснабжение, отопление);

— интеграция с климатическими системами для охлаждения и осушки помещений (например, в абсорбционном чиллере).

Достаточно часто когенерация на базе микротурбин устанавливаются в дополнение к существующим индустриальным системам производства тепловой энергии. Малая единичная мощность, масштабируемость и возможность эффективно работать в диапазоне нагрузок от 0 до 100% позволяют оптимизировать схемы производства энергии, что приводит к существенной экономии топлива и увеличивает срок службы оборудования.

Вышеизложенные преимущества позволяют достигать производительности 96% при когенерации, устанавливая микротурбины на сернистых газах или газах с низкой теплотворной способностью.

6. Преимущества и недостатки различных типов двигателей

Паровая турбина. Преимущества: 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.

Индустриальная газовая турбина. Преимущества: надежность, отсутствие водяной системы охлаждения, гибкость по отношению к выбору топлива, низкая эмиссия вредных веществ, «Высокоэнергетический» выход тепловой энергии. Недостатки: нижний порог эффективного применения (от 5 МВт электроэнергии), производительность ниже, чем у поршневых двигателей. высокий уровень шума, требуется подготовка топлива (очистка, осушка, компрессия), длительный период запуска (0.5−2 часа), сложный и дорогой капитальный ремонт. Поршневой двигатель. Преимущества: высокая производительность, относительно низкий уровень начальных инвестиций, широкий спектр моделей по выходной мощности, возможность автономной работы. быстрый запуск, гибкость по отношению к выбору топлива. Недостатки: дорогое обслуживание (обслуживающий персонал, использование смазочных масел и охлаждающих жидкостей), высокая эмиссия вредных веществ, высокий уровень (низкочастотного) шума, низкая тепловая эффективность, ресурс работы ниже, чем у турбин.

Микротурбина. Преимущества: высокая надежность и длительный срок службы, низкая стоимость обслуживания (отсутствие жидкостной смазки, удаленный мониторинг), масштабируемость, возможность автономной работы, гибкость по отношению к выбору топлива, «Высокоэнергетический» выход тепловой энергии, самая низкая эмиссия вредных веществ по сравнению с другими приведенными выше технологиями. Недостатки: относительно высокий уровень начальных инвестиций, относительно низкая выходная мощность одного модуля.

7. Электрический генератор

Генераторы предназначены для преобразования механической энергии вращающегося вала двигателя в электроэнергию. Генераторы могут быть синхронными или асинхронными (рисунок 2). Синхронный генератор может работать в автономном режиме и продолжать или параллельно с сетью. Асинхронный генератор может работать только параллельно с сетью. Если произошел обрыв или другие неполадки в сети, асинхронный генератор прекращает свою работу. Поэтому для обеспечения гибкости применения распределенных когенерационных энергосистем чаще используются синхронные генераторы.

Рисунок 2 — Асинхронный электрогенератор

8. Утилизатор тепловой энергии

Теплоутилизатор является основной компонентой любой когенерационной системы. Принцип его работы основан на использовании энергии отходящих горячих газов двигателя электрогенератора (турбины или поршневого двигателя).

Простейшая схема работы теплоутилизатора состоит в следующем: отходящие газы проходят через теплообменник, где производится перенос тепловой энергии жидкостному теплоносителю (вода, гликоль). После этого охлажденные отходящие газы выбрасываются в атмосферу, при этом их химический и количественный состав не меняется.

Кроме того, в атмосферу уходит и существенная часть неиспользованной тепловой энергии. Тому существует несколько причин:

— для эффективного теплообмена температура отходящих газов должна быть выше температуры теплоносителя (не менее чем на 30 °С);

— отходящие газы не должны охлаждаться до температур, при которых начинается образование водяного конденсата в дымоходах, что препятствует нормальному выходу газов в атмосферу;

— отходящие газы не должны охлаждаться до температур, при которой начинается образование кислотного конденсата, что приводит к коррозии материалов (особенно это справедливо для топлива с повышенным содержанием сероводорода);

— извлечение дополнительной энергии (скрытой теплоты водяных паров, содержащихся в газе) возможно только путем понижения температуры отходящих газов до уровня ниже 100 °C, когда водяные пары переходят в жидкостную форму. Но при этом необходимо не забывать о трех других ограничениях, указанных выше. Из вышесказанного следует, что в качестве утилизатора тепла в когенерационной системе трудно использовать готовое типовое теплоэнергетическое оборудование. Теплоутилизатор, как правило, проектируется с учетом параметров и характеристик отходящего потока газов для каждой модели турбогенератора или поршневого двигателя и типа применяемого топлива. Многие производители двигателей имеют собственные наработки или используют продукцию своих партнеров в части утилизации тепла, что упрощает проектирования и выбор решения в большинстве случаев.

Для повышения производительности тепловой части когенерационной системы утилизатор может дополняться экономайзером — теплообменником, обеспечивающим предварительный подогрев теплоносителя отходящими из теплоутилизатора газами до его подачи в основной теплообменник, где нагрев теплоносителя обеспечивается уже теплом отходящих газов двигателя. Позитивным моментом, связанным с использованием экономайзера, является дополнительное снижение температуры отходящих из теплоутилизатора в атмосферу газов до уровня 120 °C и ниже.

9. Тепловые потери

Величина тепловых потерь определяется не только статическими величинами установленной мощности оборудования электрической и тепловой нагрузки, но и динамическими изменениями пропорций потребления тепла и электроэнергии, происходящими в течение суток, дня недели и времени года (сезона). В случае если на объекте существует приоритет потребления электроэнергии, избыток тепла, содержащегося в отходящих газах двигателя, как правило, выбрасываются в атмосферу, минуя теплоутилизатор.

Для определения потерь тепла используется значение альфа, определяемое как соотношения произведенной электроэнергии к величине тепловых потерь. При этом считается, что чем выше значение альфа, тем лучше экология когенерационной системы.

10. Применение когенерационных систем

Во многих странах существует государственная поддержка применения когенерационных систем, работающих на газе. Связано это, в первую очередь, с экологией: когенерация позволяет сократить на 30−50% эмиссию CO₂ по сравнению с электростанциями, работающими на угле и на 15−20%, по сравнению с раздельной генерацией электроэнергии и тепла. Для коммерческих предприятий решение о внедрении собственной когенерационной системы основано на экономическом обосновании, которое, как правило, привязывается к нормативам окупаемости, принятым в отрасли потенциального владельца системы, а не к нормам, действующим в энергетике. Такой подход накладывает существенные ограничения, компенсация которых возможно путем детального анализа текущего потребления энергии компанией и перспектив его роста, потребности в повышении качества и надежности энергоснабжения. Основное правило состоит в оценке времени работы когенерационной системы и степени ее загрузки — чем дольше система работает на максимальной мощности, тем лучше экономика ее применения. Частичное замещение или полный отказ от коммерческого топлива и переход на условно-бесплатное (биогаз, попутный газ, шахтный метан, отходы химического производства) способствуют улучшению экономических показателей когенерации. В случае, когда производство постоянно потребляет значительное количество пара или горячей воды, замещение части котлов на когенерационную систему позволит повысить эффективность использования топлива — при том же количестве тепла будет производиться еще и электроэнергия, которую можно использовать на замещение сети или для повышения надежности энергоснабжения.

11. Промышленная когенерация

Когенерация в промышленности используется, как правило, в местах с высоким потреблением технологического тепла и электроэнергии в течение всего года. Примеры могут быть найдены в нефтепереработке (рисунок 3), производстве бумаги, химическом производстве, тепличных хозяйствах, текстильной промышленности. Тепловая энергия чаще всего потребляется в виде пара, поэтому большинство современных индустриальных когенерационных систем построено на базе газовых турбин или с комбинированным циклом.

12. Районная теплофикация

Районная теплофикация является одной из трех основных областей применения когенерации. Основное преимущество когенерационных систем по сравнению с традиционными котельными состоит в возможности более эффективного использования сжигаемого топлива. Кроме того, гибкость по отношению к выбору топлива и более низкая эмиссия вредных веществ по сравнению с традиционными котлами позволяют решать экологические проблемы (использование биогаза со свалок, очистных сооружений и аграрных предприятий).

Классический подход, состоящий в построении централизованной тепловой сети, утрачивает свою привлекательность по причине снижения бюджетного финансирования на новые сети и содержание старых, а также возросшей стоимости выполнения этих работ, связанной с обилием подземных коммуникаций в крупных населенных пунктах.

13. Жилой и коммерческий секторы

Наличие на рынке малых модульных систем позволяет использовать когенерацию в жилом секторе, малом и среднем бизнесе. В частности, микротурбины могут поставляться в пакете с теплоутилизатором, интегрированным в единый влагозащищенный корпус с двигателем и электронным блоком управления. Это позволяет установить когенерационную систему внутри или вне помещения, подключив только газопровод, электрическую нагрузку и трубы системы отопления. Аналогичные комплекты существуют и на базе поршневых двигателей малой мощности. Такие системы эффективно используются в гостиницах, центрах досуга и магазинах, офисах, больницах, жилых помещениях (на блок квартир) и учебных заведениях. Для сглаживания пиков потребления тепловой энергии в таких системах часто применяются накопители тепла (в виде баков с горячей водой).

Заключение

Приступая к работам по созданию когенерационной системы необходимо понимать, что каждый проект несет в себе значительную долю уникальности, связанную с внешними (цены на топливо, надежность снабжения, тарифы сетей) и внутренними (профиль потребления тепла и электроэнергии, пиковые нагрузки, необходимый уровень надежности и качества энергоснабжения) факторами.

Для того, чтобы добиться высокой эффективности от внедрения когенерации, необходимо, помимо установки современного оборудования, провести анализ и выработать и реализовать мероприятия по повышению энергетической эффективности объекта в целом. В сочетании с всесторонней оценкой экономической составляющей проекта и тщательным контролем за исполнение позволят реализовать решение, которое обеспечит конкурентные преимущества на рынке.

Список использованных источников

1 Хрилев Н. С. Теплофикационные системы: Учебник для вузов. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Энергоатомиздат, 1976. — 640 с.

2 Громов Н. К. Когенерационные системы. — М.: Энергоатомиздат, 1998. — 576 с.

3 Порошин И. А. Автоматизированные теплофикационные системы. — М.: Энергоатомиздат, 1988. — 265 с.