Система утилизации тепла когенерационной установки

Система утилизации тепла когенерационной установки

140

Метки: Система утилизации тепла

В настоящее время в связи с уменьшением количества энергоресурсов все большее значение приобретает требование экономии и наиболее полного их использования в производстве электрической и тепловой энергии.

В современных условиях для надежного, экономичного энергообеспечения потребителей ориентация на традиционное централизованное энергоснабжение от крупных источников становится проблематичной вследствие необходимости вложения материальных средств для восполнения отработавших свой ресурс и требующих замены энергетических мощностей и протяженных электрических и тепловых сетей.

Одним из путей решения проблем энергетической отрасли является создание децентрализованных комбинированных источников электро- и теплоснабжения – небольших автономных комплексов на базе газотурбинных двигателей или двигателей внутреннего сгорания, устанавливаемых как в существующих отопительных котельных, так и на вновь строящихся источниках тепла.

Создание таких энергоустановок имеет ряд преимуществ. Среди них основными являются короткие сроки строительства;
повышение надежности энергоснабжения потребителей;
снижение инерционности теплового регулирования и потерь в тепловых сетях относительно сетей, подключенных к крупным тепловым электростанциям (ТЭС) и как следствие удешевление электрической и тепловой энергии.

В основе работы автономных мини-ТЭС лежит принцип когенерации: использование первичного источника энергии топлива для получения двух форм энергии — тепловой и электрической.

Электрическая энергия при этом вырабатывается за счет механической работы двигателя или турбины, а тепловая энергия образуется за счет утилизации теплоты сгораемого топлива.

Главное преимущество когенерационной (когенераторной) электростанции перед обычными генераторными станциями состоит в том, что использование энергии топлива здесь происходит с гораздо большей эффективностью. Когенерационная установка позволяет использовать тепловую энергию, которая обычно теряется в атмосфере вместе с дымовыми газами или от внешнего радиатора рубашки охлаждения двигателя. Следовательно, при применении когенераторной установки значительно возрастает коэффициент полезного использования топлива.

В общем случае уравнение топливноэнергетического баланса при работе двигателя внутреннего сгорания имеет следующий вид:

Q = QЕ + QВ + QГ + QН + QОСТ где:

Q – количество теплоты, заключенное в сгоревшем топливе;

QЕ – количество теплоты, эквивалентное эффективной работе;

QВ – часть полных тепловых потерь, соответствующая количеству теплоты, отводимому системой охлаждения и смазки;

QГ – часть полных тепловых потерь, соответствующая количеству теплоты, отводимому с отработавшими газами;

QН – часть полных тепловых потерь, обусловленная неполным или несовершенным сгоранием топлива в цилиндре двигателя;

QОСТ – остаточный член топливноэнергетического баланса, учитывающий количество теплоты, теряемое вследствие теплового излучения в окружающую среду, количество теплоты, соответствующее неиспользованной кинетической энергии отработавших газов, количество теплоты, соответствующее потерям на трение и на привод вспомогательных механизмов, а также другие неучтенные потери.

Обычно принимается следующее распределение энергии сгорания газа:

— 33-45% преобразуется в механическую работу (электроэнергию), до 39% отводится системой охлаждения двигателя.

Сюда входят:

– тепло, отводимое в контуре охлаждения цилиндров двигателя;

– тепло, отводимое при охлаждении масла;

– 30% уходит с выхлопными газами;

– 10-5% теряется в виде теплового излучения.

Система утилизации тепла когенерационной установки

Похожим образом выглядит и топливноэнергетический баланс газотурбинного двигателя, эффективный КПД которого составляет порядка 45 %.

Совершенно логичным является создание комплекса устройств и аппаратов в составе теплоэлектростанции, отбирающих от двигателя теряемое тепло и делающих возможным его полезное использование.

Следует отметить, что подобные комплексы появились уже много десятилетий назад, но практическое их применение тормозится одним существенным недостатком:

-поскольку выработка электрической и тепловой энергии связаны прямо пропорционально, то при суточных колебаниях потребления электрической энергии необходимо компенсировать перепады выработки тепловой энергии с помощью дополнительных устройств

– подогревателей сетевой воды контура отопления. В качестве подогревателей обычно выступают газовые или угольные котельные.

На рисунке представлена принципиальная схема системы утилизации тепла с дополнительным электрокотлом, осуществляющим помимо компенсации перепадов выработки тепловой энергии еще и другие функции.

Принцип работы системы утилизации тепла заключается в следующем: образующаяся при работе двигателя теплота отбирается из контура охлаждения и от отработавших газов и передается нагреваемому теплоносителю. Первой ступенью подогрева являются утилизационный теплообменник, а второй – котел-утилизатор. Третьей ступенью является электрический котел, который осуществляет:

— регулирование мощности установки в сторону увеличения тепловой производительности и сглаживание неравномерностей потребления электрической энергии, обеспечивая постоянный уровень производимой тепловой энергии;

— перераспределение нагрузки генератора между потребителем и электрокотлом с учетом неравномерной нагрузки по фазам синхронного генератора, что обеспечивает равномерную работу и снижение интенсивности крутильных колебаний на валу двигателя.

Перечисленные функции электрокотла обеспечиваются благодаря возможности ступенчатого включения электронагревателей контроллерной системой, в которую входят датчики, блок управления, блок коммутации независимо на каждой фазе с обеспечением заданной температуры и суммарной электрической нагрузки генератора.

Внешний радиатор двигателя является по своей сути аварийным радиатором, обеспечивающим обязательное охлаждение двигателя, в случае если система утилизации тепла по каким-либо причинам отключена.

Включение электрокотла в схему когенерационной установки является принципиально новым решением, пока не применяемым на существующих и проектируемых когенерационных установках.

В 2009 году в Сибирском научном институте авиации (ФГУП «СибНИА им. С.А. Чаплыгина») были выполнены работы по проектированию системы утилизации тепла на базе двигателя G3516 фирмы Caterpillar.

Согласно теоретическим расчетам и данным оборудования при работе установки на базе газопоршневого двигателя G3516B, при сгорании топлива выделяется 3140 кВт энергии, из которых 1120 кВт генерируется в виде электрической мощности и 1460 кВт утилизируется в виде тепловой энергии при работе двигателя, осуществляя нагрев 50 м3 /ч сетевой воды с 70 0С до 96 0С. В проекте используются отечественные водо- и газоводяные теплообменники фирмы «Гидротермаль». Электрический КПД установки составляет согласно расчетам 36% и тепловой КПД 46%, общий же КПД подобной установки достигает 83 %, что существенно снижает затраты на производство и обеспечивает экономическую эффективность внедрения подобных установок.

В процессе проектирования ставилось целью не только провести все теоретические расчеты, но и найти наиболее оптимальную компоновку оборудования. Как видно из варианта компоновки, представленной на рисунке, все оборудование может быть размещено в блокконтейнере для обеспечения возможности транспортировки железнодорожным транспортом, установки на месте и быстрого ввода в эксплуатацию.

Компоновка оборудования

Строительство когенерационных установок возможно на базе двигателей, использующих различные виды топлива В качестве горючего могут быть применены природный газ, биогаз, газы мусорных свалок, пиролизные газы, пропан, бутан, дизельное топливо, топочные мазуты, сырая нефть, а в угледобывающих районах еще и метан.

Приведенные результаты работы позволяют сделать вывод о целесообразности внедрения когенерационных установок, использующих схему с дополнительным электрическим котлом и контролем нагрузки по фазам генератора для обеспечения теплом и электроэнергией потребителей в местах, где требуется быстрота монтажа и высокая мобильность, а также надежность энерго обеспечения.

Использование таких установок обеспечит более благоприятное развитие энергетической инфраструктуры за счет удешевления стоимости производства электрической и тепловой энергии, уменьшения сроков строительства по сравнению со строительством крупных теплоэлектростанций, что приведет к существенным положительным изменениям в экономике и энергообеспечении.

Стоматология Киев «КЛУБ 32» — это современный и комплексный подход к вопросам лечения, протезирования и эстетики ваших зубов. Посетив нас, Ваша улыбка будет сиять!!!

НЕТ КОММЕНТАРИЕВ

ОСТАВЬТЕ ОТВЕТ