Системы утилизации вторичной теплоты

Баланс энергии когенерационной установки.

При достигнутых к настоящему времени параметрах циклов ДВС в полезную работу превращается 38−42% теплоты, полученной от сжигания топлива.

С охлаждающей жидкостью от двигателя уходит 20−28% теплоты. Меньшее значение относится к быстроходным двигателям, большее к машинам пониженной быстроходности.

Системой смазывания отбирается от двигателя 5−8% теплоты. До 5% тепла отбирается в охладителе наддувочного воздуха (ОНВ). Несколько процентов тепла отдает двигатель в окружающую среду со своей поверхности.

Самая ценная часть вторичной теплоты (22−28%) — та, которая отбирается от отработавших газов, имеющих температуру до 400−600°С. Она может быть направлена на различные нужды, в т. ч. на выработку пара. Менее ценные с позиций возможности использования (эксергетическая ценность) тепловые потоки охлаждающей жидкости и масла с температурой 90−95°С.

Не вся располагаемая вторичная теплота может быть полезно использована. Например, отработавшие газы никогда не охлаждают до температуры окружающей среды в котлах-утилизаторах. Во-первых, нагреваемые среды должны иметь достаточно высокую температуру (70−95°С). Во-вторых, переохлаждение газов в зимнее время чревато конденсатообразованием с обледенением газовыпускных труб. Поэтому целесообразно на выходе из котла-утилизатора иметь температуру газов — 110−140°С. В некоторых случаях экономически неоправданна утилизация тепла ОНВ и масла.

Пример практически полученных результатов на мини-ТЭС приведен в таблице 1, где даны значения потоков электроэнергии и теплоты для установок близкой мощности на базе генераторов Caterpillar, Perkius и РУМО с блоками утилизации ООО «Гидротермаль» .

В таблице приведены данные по производству электроэнергии и теплоты при 100% нагрузке. На частичных режимах доли статей баланса энергии меняются. Но в целом, наличие теплоутилизирующего блока способствует стабилизации КПД преобразования теплоты на высоком уровне.

Работа ТЭС на сети. Согласование производимых и потребляемых потоков энергии.

Поток теплоты, производимый электрогенераторным блоком, находится в некоторой пропорции к потоку выработанной электроэнергии. В то же время графики потребляемой электроэнергии и теплоты, как правило, не согласуются между собой. Таким образом, при эксплуатации ТЭС может возникнуть ситуация, когда из-за колебаний потребляемой электроэнергии сетью, потребители теплоты могут недополучать теплоту или иметь ее избыток.

Для согласования производства и потребления теплоты в состав ТЭС должны быть включены элементы, обеспечивающие регулировку теплового потока и компенсацию недостатка или избытка выработанной теплоты.

Поскольку главным и независимым в ТЭС является блок генерации электроэнергии, блок утилизации теплоты должен «подстраиваться» под параметры теплоносителей, а система автоматического управления путем воздействия на расходы теплоносителей должна обеспечивать требуемый передаваемый в сеть тепловой поток. Осуществление этих процедур производится управляемыми высокотемпературными газовыми заслонками и гидравлическими клапанами.

Недостаток производства тепла может восполняться несколькими способами:

• — применением аккумуляторов теплоты,
• — применением автономного котла,
• — применением электрокотла.

Выбор того или иного способа согласования графиков производства и потребления теплоты зависит от многих факторов: габаритных ограничений, мощности ТЭС, режимных параметров ТЭС и сети, финансовых возможностей и др.

Самым экономичным в эксплуатации является способ согласования с помощью аккумулятора теплоты, в качестве которого чаще всего используется теплоизолированный водяной бак объемом 50−200 м 3.

Наибольшей независимостью и маневренностью обладает вариант применения автономного котла.

Наименьшими габаритными показателями и начальной стоимостью характеризуется способ применения электрокотла.

Используются и комбинированные варианты регулирования теплопроизводительности ТЭС.

Принципы регулирования блоков утилизации ТЭС.

Блоки утилизации, работающие в комплексе с современными быстроходными двигателями производят на номинальном режиме теплоту в количестве Фт = (1,1…1,2) Nэ, кВт, где Nэ — электрическая мощность генератора. При этом примерно 60% всего теплового потока дает котел-утилизатор и 40% - утилизационные теплообменники. Подогрев сетевой или технологической воды ведется двумя ступенями, где первой ступенью является подогреватель, а второй — котел.

ООО «Гидротермаль» придерживается следующего принципа: регулирование тепловых потоков выполняется как в первой ступени (в подогревателе), так и во второй (в котле). Однако цели регулирования по ступеням различны.

В «горячем» контуре подогревателя первой ступени регулирование, главным образом, ведется с целью получения теплового потока при условии обеспечения штатных температур в системах охлаждения и смазывания двигателя. Для обеспечения этой функции в «горячем» контуре устанавливается трехходовой терморегулирующий клапан, который по сигналу термодатчика подает теплоноситель либо в утилизационный подогреватель, либо в систему штатного охладителя. Автоматика программируется так, чтобы не допускать как перегрева, так и переохлаждения теплоносителей в двигателе.

При этом теплопроизводительность теплообменника утилизатора на всех режимах нагрузки, как правило, находится в некоторой пропорции к мощности генератора.

Регулирование теплового потока ТЭС с целью обеспечения нагрузки тепловой сети выполняется котлом-утилизатором. Глубина регулирования при этом составляет около 60%, что, в большинстве случаев, удовлетворяет потребителей. Регулирование производится перепуском горячих отработавших газов двигателя либо в котел, либо в байпасную линию газохода.

Управление заслонками выполняется посредством электроприводного механизма по сигналу системы управления, запрограммированной в соответствии с требованиями сети.