Портал по тригенерации, когенерации и мини-ТЭЦ

Общие сведения о мини-ТЭЦ

Калинин Андрей,
холдинг “Энергокаскад”

В последнее время развивается энергоснабжение,     которое базируется на установках мини-ТЭЦ. Система утилизации тепла мини-ТЭЦ предусматривает также производство горячей воды или пара для отопления (когенерация) и холода для систем кондиционирования и вентиляции (тригенерация).

  Различают следующие типы мини-ТЭЦ:

- паротурбинную с противодавленческой турбиной с отпуском тепловым потребителям всего или части отработавшего в ней пара;

- паротурбинную с конденсационной турбиной, имеющей теплофикационный отбор или отборы для отпуска пара тепловым потребителям;

- газотурбинную с использованием тепла выхлопных газов в котле-утилизаторе или непосредственно в технологическом процессе;

- дизельную с производством высокопотенциального тепла благодаря энергии выхлопных газов и низкопотенциального - из контуров охлаждения двигателя;

- парогазовую с использованием тепла выхлопных газов для производства пара, который полностью или частично направляется в одну или несколько паровых турбин.

В настоящее время используются также следующие виды установок для производства электроэнергии и теплоты малой и средней мощности:

- теплофикационные ГТУ на базе газотурбинных двигателей самолетов и судов единичной электрической мощностью от 50 до 6000 кВт и тепловой мощностью от 0,6 до 50 МВт для установки в местах размещения отопительных  и промышленных котельных, работающих на природном газе;

- теплофикационные паросиловые установки малой мощности с                        противодавлением на промышленные параметры пара  электрической мощностью до 1200 кВт и тепловой мощностью до 12 МВт, работающих на мазуте и твердом топливе;

  - теплофикационные дизельные установки для  энергоснабжения на базе              двигателей судов, колесных и гусеничных машин электрической мощностью до 600 кВ;

- паросиловой и газотурбинный привод с утилизацией тепла мощностью от 5 до 20000 кВт для энергоснабжения нефтяных газодобывающих комплексов.

Перспективными альтернативными решениями являются мини-ТЭЦ, например на основе газо-дизель-генераторов. Для получения тепловой энергии в камере сгорания используется дизельное топливо, природный или сжиженный газ. Особенно перспективны мини-ТЭЦ для отдаленных районов сельской местности. В качестве альтернативного топлива в этом случае возможно использовать биотопливо, например, метан, полученный в метантенках из отходов сельского хозяйства.

В последние годы также  внедряются микро-ТЭЦ мощностью 45-100 кВт для автономного  энергоснабжения на базе микротурбин и электротехнических генераторов.

В малой энергетике нецелесообразно рассматривать возможности применения сложных комбинированных циклов ПГУ для производств электроэнергии, а газовые турбины как приводы электрогенераторов существенно проигрывают газовым двигателям по КПД и эксплуатационным характеристикам при малых мощностях. В широком диапазоне мощностей (от сотен киловатт до десяток мегаватт) КПД моторного привода на 13-17% выше, чем газотурбинного; при снижении нагрузки со 100 до 50% КПД электрогенератора с приводом от газового двигателя меняется слабо, КПД газового двигателя практически не изменяется до температуры воздуха 25 0С. Мощность газовой турбины падает при изменении температуры воздуха от -30 до 30 0С, при температурах выше 40 0С уменьшение мощности газовой турбины (от номинальной 15 0С) составляет 20%.

 

Газотурбинные мини-ТЭЦ

 

Газовые турбины находят широкое применение в производстве электроэнергии. Электрический КПД больших установок составляет 35 -38%, характеристики при частичной нагрузке скорее неудовлетворительные. Большой срок службы, очень незначительные инвестиционные затраты в широком диапазоне мощностей, большая доля пригодной для использования энергии уходящих газов и очень небольшая эмиссия вследствие непрерывного горения являются достоинствами этой технологии. До настоящего времени было нецелесообразно применять турбины в диапазоне мощностей менее 500 кВт. Это стало возможным только в результате комбинации двух мероприятий: рекуперации и обратной подачи части объемного потока уходящего газа в компрессор с одной стороны и прямого присоединения генератора. В сочетании с не зависящим от скорости вращения инвертированием тока посредством силовой электорники достигаются наряду с приемлемыми показателями электрического КПД более 25% и общего КПД более 70% также хорошие показатели КПД при неполной нагрузке. Эти параметры имеют решающее значение для использования на не больших объектах.

Возможность получения большой мощности при небольших размерах и

массе, высокая надежность и экономичности газотурбинных установок позволяют широко использовать их в промышленной энергетике. В частности на промышленных предприятиях их можно применять как для отдельной, так и комбинированной выработки тепловой и электрической энергии, в качестве источников питания, для покрытия пиков нагрузок, в качестве надстроек на водогрейных котельных.

 

 

Мини-ТЭЦ на базе ДВС

 

Принцип выработки электрической к тепловой энергии с использованием ДВС известен уже несколько десятилетий. Первые установки этого типа использовались на кораблях, в тепловозах, для аварийного электроснабжения.

В области мощностей от 10 кВт до 4 МВт существенные преимущества перед газотурбинными установками имеют поршневые приводы. У таких  установок меньшие расходы топлива и эксплуатационные затраты.

Эго объясняется тем, что КПД поршневых машин составляет -36-45%, а газовых турбин – 25-34%. Установки газовых турбин требуют высоких давлений газа (до 2,0 МПа), в то время как газопоршневые установки работают на газе с низким давлением и им не требуется установка для газа дожимного копрессора.

Поршневые газовые двигатели могут работать на газе среднего давления, промышленном газе (коксовый, биогаз, шахтный), пропан - бутановых смесях и попутном газе. Любой применяемый газ должен иметь метановое число не менее 30 и подаваться в двигатель под давлением 1,0-2,5 кгс/см2 (0,1-0,25 МПа).

Мини-ТЭЦ на базе ДВС состоит из моноблока двигатель-генератор с теплообменниками, в которых утилизируется тепловая энергия.

Утилизация тепла выхлопных газов, газовоздушной смеси, тепла в рубашке охлаждения двигателя, масла в специальном водяном утилизационном контуре позволяет нагревать воду до 95'С и использовать ее тепло в системах теплоснабжения. Газопоршневой двигатель это дизельный двигатель, переоборудованный для работы на газе (94%) и использующий лишь 6% дизельного (запального) топлива. Дизельное топливо может служить в нем в качестве резервного топлива.

Газопоршневые мини ТЭЦ, представляют собой электрогенераторные установки с первичным двигателем, работающим на природном газе, а также утилизирукнцие выделяемое тепло. Потребление топлива составляет 0,25-0,3 н.м3 на  кВт-час выработанной электрической энергии. Экономически оправданные системы утилизации тепла позволяют использовать 1 Гкал тепла на 1 МВт-час выработанной электроэнергии (75% от выделяемого тепла).

Расход смазочного масла от 3 г до 0,3 г на 1 кВт-час. Межремонтный ресурс 20-40 тыс. моточасов. Поэтапный ресурс достигает сотен тысяч часов. Стоимость ремонта составляет 5-20% от общих капитальных затрат. Электрический КПД достигает 38-42%. Оставшиеся тепловые потери, около 60%, приходятся на:

1. Тепло, отбираемое охлаждающей жидкостью 38-44%

2. Тепло выхлопа 15-10%(охлаждаемые выхлопные коллекторы) 3.Тепло наддувочного воздуха (в системах с турбонаддувом) 5-6%

4. Тепло смазочного масла (в системах с масляным радиатором) 3-6%.

 

Альтернативные источники энергоснабжения

 

Вот  уже несколько  лет в установках мини-ТЭЦ применяется тепловые насосы с целью использования низкопотенциальной энергии для отопления и горячего водоснабжения.

Тепловые насосы, предназначенные для работы в системах мини-ТЭЦ,

бывают двух типов: парокомпрессионные (использующие механическую энергию в качестве энергии высокого потенциала) и абсорбционные (относительно высокопотенциальным теплоносителем является пар, отопительная вода или продукты сгорания).

Компрессионные тепловые насосы могут работать с приводом от тепловых двигателей. В этом случае весь агрегат состоит из компрессионного теплового насоса и теплового двигателя. Преобразование химической энергии

тошшва в теплоту происходит непосредственно внутри теплового двигателя (например, в цилиндре двигателя внутреннего сгорания) или снаружи, причем теплота горючего газа передается к рабочему телу двигателя.

В двигателе в соответствии с термодинамическим круговым циклом часть теплоты переходит в механическую энергию, которая приводит в действие собственно компрессионный тепловой насос, благодаря чему повышается полезный температурный уровень низкотемпературное окружающей среды или отработанной теплоты. Отработанная теплота двигателя также  может быть использована в качестве полезного тепла. Теплообменник или теплообменники отработанной теплоты в зависимости от температурных условий подключаются параллельно или последовательно с конденсатором компрессионного теплового насоса или теплота подводится к специальным.

В качестве приводов могут быть использованы тепловые двигатели всех типов, однако наиболее удобны газовые и дизельные двигатели, так как они работают на природном газе и нефти- высококачественных носителях первичной энергии, применяемых в настоящее время для отопления. В связи с  уменьшением запасов топлива и ростом цен важно обеспечить значительную экономию топливных ресурсов. Получение тепла с помощью такой двигательной отопительной установки может сократить расход первичной энергии примерно вдвое по сравнению с обычным способом получения тепла при сжигании топлива.

В тепловых насосах с приводом от газовых двигателей в качестве привода применяют как специальные газовые двигатели  для больших мощностей, так и модифицированные карбюраторные двигатели грузовых автомобилей с повышенным сроком службы для небольших мощностей.

Применение тепловых насосов с газовым двигателем при наличии природного газа позволяет значительно снизить расход первичной энергии для отопительных установок. Использование городского газа намного уменьшает эффективного системы из-за низкого коэффициента полезного действия при получении газа из угля.

Для тепловых насосов с приводом от дизельного двигателя наиболее часто применяют двигатели грузовых автомобилей, которые имеют разветвленную сеть пунктов по техническому обслуживанию.По конструкции тепловые насосы с дизельным двигателем почти не отличаются от тепловых насосов с газовым двигателем.

Особой проблемой в тепловых насосах с приводом от двигателя внутреннего сгорания является конструкция теплообменника отработавших газов, который в зависимости от вида газа или дизельного топлива и его сгорания в двигателе должен иметь достаточный срок службы.

В последнее время в области малых мощностей представляют интерес мини-ТЭЦ на базе топливных элемемнтов.

 Топливные элементы представляют собой электрохимические преобразователи с непрерывной подачей продуктов реакции. Они непосредственно преобразуют поступающие прдукты реакции (водород и кислород) в электричество, тепло и воду. В результате этого проявляется такие важные свойства топливных элементов как высокий электрический КПД при полной и частичной загрузке при очень незначительной эмиссии вредных веществ, которая  возникает из-за подключения горелочного устройства для подготовки водорода из жидких энергоносителей. Кислород получают из окружающего воздуха, а водород - недорого и с минимальной эмиссией - из природного газа Отсутствие механических компонентов в батарее элементов дает основание ожидать, что они почти не будут нуждаться в  техобслуживании и будут иметь продолжительный срок эксплуатации.

 

 

 

Области применения и схемы автономных мини-ТЭЦ

 

Мини-ТЭЦ на базе ДВС можно использовать в различных областях промышленного производства, особенно эффективны они могут быть в отдаленных районах страны с холодным климатом. Особенностью таких установок, является способность работать автономно, с использованием практически любого топлива. Кроме того, они мобильны, передвижные мини-ТЭЦ малой мощности за несколько часов вводятся в эксплуатацию.

Для обслуживания таких установок требуется малое количество людей. Особенно выгодно применение мини-ТЭЦ для использования в чрезвычайных ситуациях.

При проектировании мини-ТЭЦ должны учитываться следующие основные факторы

1.Наличие местных видов топлива. Наличие таких источников как биомасса или отходов из которых можно получать газ, существенно снизят затраты на мини-ТЭЦ. Если таких источников нет, или не возможно их использовать, то надо выбрать вариант с меньшими транспортными затратами на доставку топлива. Мини-ТЭЦ на базе ДВС могут работать  на многих видах топлива (бензин, дизельное топливо, природный газ, газах, получаемых  из биомассы и органических отходах производств). Необходимо выбрать вариант с меньшими капитальными затратами. Подобрать поршневую мини-ТЭЦ можно фактически для любого топлива, используя различные схемы работы установки.

2. Важным фактором является соотношение электрической и тепловой нагрузок потребителя.

3. Необходимо учитывать и характер нагрузки, колебание по часам суток.

4. Важным фактором для выбора мини-ТЭЦ являются климатические

условия, в которых будет работать установка. Прежде всего, этот фактор влияет на выбор типа ДВС.

 

 

Использование биотоплива для производства

энергии на мини-ТЭЦ

 

Перспективным топливом, для производства энергии на мини-ТЭЦ является газ, полученный из органических отходов путем их переработки. Конвертирование биомассы в топливо может производиться различными способами.

Основные способы это термохимическая конверсия биомассы в топливо (прямое сжигание, пиролиз, газификация, снижение) и биотехнологическая конверсия при влажности от 75% и выше (низкоатомные спирты, жирные кислоты, биогаз). Переработка биоммассы может нести существенную энергетическую и социальную пользу.

Для производств биогаза можно использовать органическую часть бытовых отходов, а также отходы животноводства, птицеводства (экскременты животных и остался корма), растениеводства и овощеводства (солома, ботва, фрукты, овощи), древесина, отходы лесной и деревообрабтывающей промышленности, канализационные стоки. Какие-то из перечисленных отходов обязательно существуют в любой местности.

Один из наиболее эффективных способов переработки биомассы - ее конверсия в биогаз, который используется для выработки энергии в мини- ТЭЦ. Техническая реализация биогазовых технологий проста и они могут применяется как в малом фермерском хозяйстве, так и в крупных животноводческих и пищеводческих комплексах. Анаэробная бактериальнохимическая система при температуре 30-55  0С за время 5-20 суток разлагает до 50% органического вещества в биогаз, который содержит 55-80% метана и 20-45% углекислого газа. Современные мембранные технологии позволяют разделить биогаз на горючий метан и инертную кислоту имеющую спрос на рынке удобрений. Теплотворная способность биогаза составляет 5-6000 ккал/м3. По теплоотдаче 1м3 биогаза эквивалентен 0,7 м3 природного газа, 0.7 кг мазута, 0,6 кг керосина, 0,4 кг бензина, 3.5 кг дров. Технология производство биогаза сбраживанием неплохо освоена и находит применение.

Дня приготовления пиши на семью из  3-4 человек в день необходимо сжигать 3-4 м3 биогаза, для отопления дома площадью 50-60 м3 затрачивается 10-11 м3 биогаза в сутки.

Еще одним эффективным способом получения топлива для мини-ТЭЦ

является использование отходов лесозаготовительных и лесоперерабатывающих предприятий. По данным исследований капитальные вложения в производство электроэнергии на базе древесного генераторного газа окупаются за 1 год.

 Себестоимость единицы электроэнергии при этом снижается на 60%, а тепловой на 70%.

Лесные регионы, как правило, оторваны от линий электропередач, электроснабжение в этих местах осуществляется дизельными электростанциями, а отопление – путем сжигания древесины. Доставка дорогого и дефицитного топлива для этих регионов является довольно трудной задачей. В связи с этим, предлагается строительство мини-ТЭЦ, использующих   отходы деревообработки в качестве топлива. Важным достоинством такой технологии является, то что в большинстве случаев не требуется создания новых установок. Технологический процесс можно организовать на базе имеющегося оборудования.

 

 

Основные преимущества мини-ТЭЦ  по сравнению

со стандартными схемами энергоснабжения

 

Эффективность использования установок малой и средней мощности, устанавливаемых непосредственно у потреблителей в качестве альтернативы централизованному энергоснабжению, определяется следующими факторами:

- снижение себестоимости   производства электроэнергии и теплоты за счет комбинированной их выработки и использования более совершенного оборудования;

- повышение надежности энергоснабжения;

- независимость режима работы потребителя от режима работы энергосистем;

- снижение масштабов отчуждения территорий под  крупное энергетическое

строительство;

- более просто решаются вопросы обеспечения экологической безопасности и снижение затрат на охрану окружающей среды.

Мини-ТЭЦ является альтернативными источниками получения тепловой и электрической энергии, предназначенными для использования в различных областях народного хозяйства.

По сравнению с традиционными способами производства электроэнергии и тепла мини-ТЭЦ выбрасывают в атмосферу на 60 % меньше СО2  и NOx , значительно     сокращая потребление топлива, благодаря этому они становятся перспективной альтернативой существующих ТЭЦ.

Мини-ТЭЦ позволяют добиться весьма высокого использования  первичной энергии до 90 % и выше. При этом 30-35 % энергии прообразовывается в электрический ток и до 60% в тепловую энергию.