УДК
697.432
ОБЗОР КОГЕНЕРАЦИОННЫХ УСТАНОВОК
МИНИ-ТЭЦ
Русинова Н.Г., Карташова
А.А. – ст. преподаватели кафедры «Строительство и Архитектура».
Негосударственное
образовательное учреждение
высшего
профессионального образования «Камский институт гуманитарных и инженерных
технологий» г. Ижевск.
Аннотация
ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЕ, ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО
СГОРАНИЯ, УСТАНОВКА ГАЗОПОРШНЕВОГО АГРЕГАТА, ТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ, СТИРЛИНГОВЫЕ
МОТОРЫ, ПАРОВЫЕ ТУРБИНЫ
В работе
представлен вариант классификации когенерационных установок МИНИ-ТЭЦ,
выпускаемых отечественными и зарубежными производителями энергетического
оборудования.
Сегодня
перед потребителями часто встают проблемы недостаточного электро- и
теплоснабжения, постоянный рост тарифов на потребление электричества и
тепла. Эти проблемы могут быть решены с использованием современных
экономически выгодных технологий, а именно, когенерации.
Под понятием
когенерация подразумевается комбинированное производство электрической энергии
и тепла. По сравнению с классическими электростанциями, где тепло, образованное
при производстве электроэнергии, выпускается в окружающее пространство,
когенерационные установки используют это тепло для отопления. Таким
образом, экономится топливо и финансовые средства.
Когенерация
позволяет воздержаться от бесполезных и экономически неэффективных затрат на
средства передачи энергии, к тому же исключаются потери при транспортировке
энергии, так как энергогенерирующее оборудование установлено в непосредственной
близости от потребителя. Еще в 1962 году советскими учеными было отмечено, что
передача газа по газопроводам в 10-12 раз экономичнее передачи электрической
энергии по высоковольтным линиям электропередачи. Нормативные потери в
теплосетях — 5%, а реальные, в среднем, — 12-16% от
передаваемой тепловой энергии
Когенерация
в настоящее время является одним из наиболее экологических и одновременно
экономически эффективных способов производства тепла и электричества.
Применение
когенерационных установок дает потребителю следующие преимущества:
1. Снижение энерготарифов (электроэнергия более
чем в 2 раза дешевле, чем у централизованных поставщиков).
2. Одновременно с электроэнергией потребитель
получает «бесплатное» теплоснабжение.
3. Существенно повышается качество
электроэнергии (уровень напряжения и частота поддерживаются в пределах нормы).
4. Тепло и электроэнергия вырабатываются в
непосредственной близости от потребления, что снижает затраты на
транспортировку этой энергии.
5. Когенераторные установки более экологичны
(требуется меньше топлива для производства такого же количества
энергии).
Для выработки энергии и
тепла в когенераторных установках используются различные виды топлива: метан,
окись углерода, водород, технические спирты и масла.
В мини-ТЭЦ
используются двигатели внутреннего сгорания:
- дизельные
- газопоршневые
- газотурбинные.
На
практике, в свою очередь, применяются два типа поршневых двигателей:
- С искровым
зажиганием (аналог автомобильного бензинового двигателя). Двигатели с
искровым зажиганием могут работать на чистом газе (природный газ, био и
другие условно бесплатные газы);
- 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).
Когенерационные установки фирмы GE JENBACHER
представлены несколькими модельными рядами.
Модельный ряд 2
Агрегаты серии 2
представлены мощностным диапазоном от 0,3 МВт до 0,5 МВт. Отличительными
особенностями серии являются:
- Предельно высокие коэффициенты полезного действия во всем диапазоне мощностей
- Прочность конструкции и стационарное исполнение двигателей обеспечивают
долговечность деталей и срок службы 60.000 рабочих часов до планового
капитального ремонта
- Оптимизированные, апробированные и взаимно адаптированные компоненты в
сочетании с испытанной концепцией регулирования и контроля гарантируют
высочайшую надежность в эксплуатации. Модельный ряд 2 внедрен в производство в
1974 г.
Модельный ряд 3
Агрегаты
серии 3 представлены мощностным диапазоном от 0,6 МВт до 1 МВт. Отличительными
особенностями серии являются:
- Большие интервалы сервиса, ориентированная на удобство обслуживания концепция
двигателя и высокие коэффициенты полезного действия гарантируют максимальную
экономичность.
- Благодаря оптимизированным компонентам двигателя достигается очень большой
срок службы деталей, даже при работе на загрязненных газах, например, на газе,
получаемом из отходов
- В своем диапазоне мощностей модельный ряд 3 впечатляет своим
высоким совершенством и отличается высочайшим уровнем надежности.
Модельный ряд 4
На основе проверенной технологии и конструкции
двигателей модельных рядов 3 и 6, новый двигатель модельного ряда 4 мощностью
1,5 МВт характеризуется высокой удельной мощностью и высоким КПД. Улучшенная
система управления и мониторинга обеспечивает легкость сервисного обслуживания
и максимальную надежность и долговечность.
Модельный ряд 6
Агрегаты серии 6
представлены мощностным диапазоном от 1,6 МВт до 3,0 МВт. Отличительными
особенностями серии являются:
- Высокая удельная мощность и низкие затраты на
оборудование. Концепция форкамеры обеспечивает максимальные коэффициенты
полезного действия при минимальной токсичности выбросов.
- Совершенные технические концепции и оптимизированные компоненты этого
модельного ряда обеспечивают срок службы 60.000 рабочих часов до планового
капитального ремонта.
- Непрерывное и целенаправленное совершенствование на основе многолетнего опыта
позволили создать надежное и совершенное изделие.
Основные типы когенерационных
установок фирмы TEDOM и их
параметры
- когенераторы серии Premi мощностью 25 кВт
применяются чаще всего для обеспечения частных домов электроэнергией с
использованием тепла для отопления.
- когенераторы серии Cento мощностью от 81 до 302
кВт применяются чаще всего в промышленных объектах, больницах, бассейнах,
гостиницах и т.п.
- когенераторы серии Quanto мощностью от 412 до 5900 кВт успешно
применяются на крупных промышленных предприятиях и в городских застройках.
Разработка
мини-ТЭЦ с топливными элементами.
Необходимость
решать вопросы экологии и желание производить полезную энергию рационально и
щадя окружающую среду дали толчок развитию различных технологий топливных
элементов, в том числе и для мини-ТЭЦ с использованием жидких энергоносителей.
К ним относятся:
· полимерно-электролитические
топливные элементы (полимерно-электролитические мембраны (Fuel Cell, РЕМ или
PMFC);
· фосфорно-кислотные
топливные элементы (фосфорно-кислый Fuel Cell, PAFC);
· топливные
элементы из карбонатного сплава (Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC);
· минералокерамические
топливные элементы (Solid Oxide Fuel Cell, SOFC).
Топливные
элементы (топливные ячейки) - относительно молодая технология
выработки электроэнергии и тепла, достаточно быстро завоевывает рынок
частной энергетики благодаря ряду неоспоримых преимуществ.
Реальные
преимущества мини-ТЭЦ на топливных элементах:
·
Отсутствие вибрации и минимум шума (<60 дБ
на 10 м суммарный шум силового модуля совместно с модулем охлаждения)
·
Минимальные выбросы (при
мощности 200 кВт составляют: NOx < 1 миллионной доли на единицу
объема. SOx < 1 миллионной доли на единицу объема. Частицы < 1
миллионной доли на единицу объема. CO < 2 миллионных долей на единицу
объема. Углеводороды помимо метана < 1 миллионной доли на единицу
объема. Дым < 0,01 миллионной доли на единицу объема ).
·
Широкий диапазон изменения нагрузки (от 10%,
возможен быстрый наброс до 100%).
·
Элементарный монтаж и запуск -
контейнерное исполнение.
·
Практически отсутствуют затраты на
обслуживание, гарантийный срок не менее 10 лет.
·
Не требовательны к топливу - возможно
использовать практически любой газ. В качестве топливного газа, наряду с
природным газом, топливные ячейки могут использовать биогаз, угольный газ,
рудничный газ, синтезгазы с высоким КПД и даже метанол.
Топливные
элементы различаются по виду используемого электролита и рабочей температуре
(табл. 1).
|
PEM ( ПЕМ )
|
PAFC
|
MCFC
|
SOFC
|
|
электролит
|
фторированная полимерная пленка
|
фосфорная кислота
|
расплав карбоната
|
со стсабилизированным иттрием диоксидом
циркония
|
|
рабочая температура, °С
|
80
|
200
|
650
|
700-1000
|
|
системный КПД,
%
|
40
|
40
|
50-60
|
50-60
|
В принципе, можно считать,
что низкие рабочие температуры предъявляют низкие требования к материалам
относительно выносливости и, напротив, высокие требования к газоподготовке, и
дают более низкий КПД. Абсолютно противоположная ситуация у топливных элементов
с высокими рабочими температурами. Разработки по применению PAFC и MCFC в
мини-ТЭЦ в настоящее время приостановлены. Эти типы обусловливают при холодном
пуске переход электролита из твердой в жидкую фазу. Так как в самом малом
классе мощностей требуется частое повторение процесса пуска, это приводит к
тому, что фаворитами становятся топливные элементы типа РЕМ (ПЭМ) и SOFC с
твердым электролитом.
Разработка
мини-ТЭЦ со стирлинговыми моторами
Стирлинговый мотор нагретого газа восходит к изобретению Роберта
Стирлинга (Великобритания), сделанному в 1816 году. С конца 80-х годов во всем
мире проводится усиленная разработка стирлинговых моторов небольшой мощности с
целью их использования в мини-ТЭЦ. Некоторые из них применяются в демонстрационных
установках и при полевых испытаниях мини-ТЭЦ.
В мини-ТЭЦ в качестве источника тепла можно использовать тепло
уходящих газов от отопительной установки. Остающееся тепло уходящих газов, так
и тепло от теплоотвода могут далее отводиться для целей отопления, а избыточная
механическая мощность может использоваться для производства электроэнергии. Это
обеспечивает высокий общий КПД и теоретически также высокий электрический КПД.
Принцип действия мотора основывается на замкнутом тепловом
процессе с внешним источником тепла, а также отводом тепла. Рабочая среда
колеблется вследствие изменения объема между источником тепла и отводом тепла и
при этом производит работу на рабочем поршне и вытеснительном поршне (для
подачи топлива), которые разделяют два рабочих объема между источником тепла и
отводом тепла. Важным признаком стирлинговых моторов является то, что среда во
время процесса переливания между рабочими пространствами должна проходить
рекуператор, где она попеременно отдает тепло и снова (частично) получает.
Возможности применения механических свойств стирлингового процесса
многообразны.
Таблица 2 дает представление о текущих разработках и их статусе.
Компания "Бритиш газ" на основе стирлингового мотора с линейным
самобалансным колебателем разработала демонстрационный образец настенного
устройства для бытового использования и с 1997 года уже в достаточной мере
испытала его. Агрегат используется как соответствующее отопление дома и при
этом дополнительно производит ток с электрическим КПД 15%.
|
Тип
|
Изготовитель
|
Полевые
испытания
|
Мощность
эл./тепл. (кВт)
|
КПД(эл)/КПД(общ)
|
|
самобалансный
колебатель
|
STC (США) и
Бритиш газ
|
Бритиш газ
|
1/5
|
>15
|
|
Одноцилиндровый
альфа-стирлинговый мотор (кинематич)
|
Сигма
Норвегия
|
-
|
3/9
|
расчетные
данные 20-25/80-95
|
|
Одноцилиндровый
альфа-стирлинговый мотор (кинематич) самобалансный колебатель
|
СИГ
Швейцария
|
Газуния
(Нидерланды)
Городские сети в Швейцарии
|
1,1/5,5
|
расчетные
данные при конденсации уходящего газа 25/94
|
|
четырехцилиндровый
альфа-стирлинговый мотор (кинематич)
|
Виспер-Джен
Новая Зеландия
|
Газуния
(Нидерланды)
|
0,75/5
|
10
|
Использованные
источники.
1. Бродач М.М., к.т.н.,
доцент МАрХи, Шилкин Н.В., инженер. Использование топливных элементов для
энергоснабжения зданий, - Журнал АВОК, № 5 2007 г.
2. alfar.ru Промышленная
экология.
3. Штейнберг В.Э.
Дидактические многомерные инструменты: теория, методика, практика. – М.:
Народное образование, 2002. 304 с.
4. В.И. Маслов, -Журнал "Турбины и двигатели" №1, 2006.
5. Журнал «Электропанорама», №5 2000 г.
