Система утилизации тепла мини-ТЭЦ

Для котельных г. Выборга ставилась задача непрерывного регулирования мощности мини-ТЭЦ, поскольку эта мощность должна быть не больше потребности собственных нужд котельной.

В таком случае при разработке схем утилизации тепла водяной рубашки, масла и уходящих газов двигателей, а также при моделировании технико-экономических показателей их работы в условиях непрерывного регулирования мощности мини-ТЭЦ необходимо учитывать зависимость режимных параметров двигателей от величины нагрузки.

На диаграмме (рис. 4) для примера показан тепловой баланс двигателя Daewoo G12 (175 кВт) в зависимости от развиваемой мощности. Температура выхлопных газов рассмотренных двигателей при номинальной мощности находится примерно в диапазоне 500 ОС, расход — в диапазоне около 0,3 кг/с. При снижении нагрузки значения температуры и расхода выхлопных газов существенно уменьшаются.

Оптимальное «встраивание» системы утилизации тепла мини-ТЭЦ в тепловую схему котельной является одной из основных задач, решение которой обеспечивает эффективность внедрения когенерации. Принципиальным здесь является как выбор точки подвода утилизируемого тепла, так и разработка самой схемы утилизации. Заметим, что эта часть работы является наименее типизируемой, требующей самых тщательных проектных расчетов.

Для котельной по ул. Маяковского оптимальной точкой подвода тепла от ГПА является тракт подпитки тепловой сети непосредственно перед поступлением воды в деаэратор (после нагрева в охладителях деаэрированной воды). В этой точке теплогидравлические параметры нагреваемого теплоносителя наиболее стабильны. В результате компьютерного моделирования были уточнены режимные параметры схемы утилизации, рассчитаны расходы и температуры участвующих в теплообмене сред, параметры теплооб-менных аппаратов, определены схемы и соответствующие законы регулирования режимов.

В разработанной схеме подпиточная вода с температурой около 50 ОС (нагретая в охладителе деаэрированной воды) частично забирается из основного тракта и проходит последовательно через утилизационные теплообменники масляного охладителя и водяной рубашки. Расход греющей и нагреваемой воды рассчитывается исходя из условий оптимального подбора параметров теплообменника. Исследования показали, что для отбора тепла водяной рубашки и масла двигателей требуются сравнительно небольшие пластинчатые теплообменники с площадью теплообмена примерно 1−2 м2. Оптимальный расход нагреваемой здесь подпиточной воды составил около 30 т/ч (среднее значение расхода подпиточной воды котельной по ул. Маяковского примерно 80 т/ч).

Значительно большую сложность представляет система утилизации тепла выхлопных газов. В водогрейные котлы-утилизаторы (УТО) целесообразно направлять воду в пределах 70 ОС для надежного обеспечения их коррозионной стойкости. Этому условию удовлетворяет вода, нагретая после утилизатора водяной рубашки. Для режима УТО характерно, что при подаче в котел постоянного расхода, рассчитанного на утилизацию тепла выхлопных газов в номинальном режиме работы двигателя, при уменьшении нагрузки температура и расход выхлопных газов резко снижаются, и, как показало моделирование, их температура после котла утилизатора может становиться меньше 60 ОС, что недопустимо для работы газоотводящего тракта. С другой стороны, при соответствующем уменьшении расхода охлаждающей воды ее температура после котла утилизатора в режимах пониженных нагрузок может становиться недопустимо высокой — более 300 ОС. Такой крайне неустойчивый характер регулирования при необходимости удержания в заданных пределах сразу двух параметров (выходной температуры выхлопных газов и выходной температуры охлаждающей воды) создает значительные проблемы. В разработанной схеме эти проблемы были решены введением рециркуляционной линии и изменением расхода подаваемой в УТО воды по специально синтезированному закону. Указанный способ регулирования осуществляется программно управляемым трехходовым клапаном, который направляет в УТО часть потока воды, предварительно нагретой в системе утилизации масла и водяной рубашки, и регулирующим клапаном в линии рециркуляции, который поддерживает заданную рециркуляцию. Поверхности нагрева УТО колеблются в диапазоне от 10 до 28 м².

Эффективность работы ГПА зависит от степени их загрузки. Заметим, что средняя загрузка агрегата в многоагрегатных мини-ТЭЦ значительно возрастает, что приводит к повышению их эффективности. Загрузка определяется в результате совместного рассмотрения уже указанных случайных процессов: работоспособности агрегатов и величины нагрузки.

На основании результатов моделирования загрузки рассчитываются энергетические показатели ГПА, в частности потребление газа и выработка тепла, которое ГПА вытесняет с котловой выработки. Этому количеству тепла соответствует количество газа, рассчитанное исходя из характерного для рассматриваемых котельных удельного потребления газа. В технико-экономических обоснованиях мини-ТЭЦ на базе существующих котельных экономию от выработки тепловой энергии следует учитывать по топливной составляющей стоимости тепловой энергии (поскольку все прочие расходы предприятия остаются). Таким образом, рассчитанное из тепловой выработки мини-ТЭЦ количество газа следует вычитать из общего количества, получая расход так называемого «дополнительного» газа. Именно удельный расход дополнительного газа относится к основной характеристике эффективности мини-ТЭЦ.

Как видно из диаграммы (рис. 5), удельное потребление дополнительного газа в количестве около 170 г у.т./кВт.ч свидетельствует об очень высокой эффективности совместного производства тепла и электроэнергии на котельной по ул. Маяковского. В расчете использована характерная для данной котельной величина удельного потребления газа — 159 гу.т./тыс. ккал. (Для сравнения: удельный расход топлива на электроэнергию на наиболее экономичной паротурбинной ТЭЦ Ленинградской области составляет примерно 280 г у.т. при расходе на выработку тепловой энергии 119 гу.т. на тыс. ккал). Соответствующее потребление дополнительного газа (рис. 6) не более 70 тыс. нм3 в месяц (в периоды максимальных электрических нагрузок) незначительно влияет на топливный баланс котельных и легко может быть компенсировано за счет мероприятий по энергосбережению.

На диаграмме видно повышение удельного расхода топлива в летние месяцы, что связано с меньшей загрузкой двигателей и, следовательно, с меньшим КПД. Следует также обратить внимание на то, что мини-ТЭЦ на базе барнаульского двигателя 1Д12 ВГ, по КПД уступающего зарубежным двигателям, по совокупности характеристик в зимние месяцы лидирует по потреблению дополнительного топлива.