Меню Рубрики

Установка производства электроэнергии и пара

Совместное производство теплоты и электроэнергии

Системы совместного производства теплоты и электроэнергии: балансировка соотношения производимой теплоты и мощности

A. Abedin, член Американского общества инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха (ASHRAE)

В описываемых когенерационных системах первичное топливо расходуется на одновременное производство электрической или механической энергии (мощность) и полезную тепловую энергию. В этом процессе существенным является то, что одно и то же топливо работает «дважды», чем достигается высокая энергетическая эффективность систем.

При полном использовании вырабатываемой электрической и тепловой энергии достигаются высокие экономические показатели системы, а высокая энергетическая эффективность обеспечивает, в свою очередь, сокращение сроков окупаемости средств, инвестированных в оборудование.

Конфигурация системы совместного производства (когенерации) теплоты и электроэнергии определяется тем, насколько фактические тепловые и электрические нагрузки соответствуют выработке тепловой и электрической мощности. Если имеется рынок, готовый потребить излишек тепла или электроэнергии, балансировка соотношения тепловой и электрической мощности не является критической для системы.

Например, если электроэнергия может быть потреблена (на приемлемых условиях), тогда основой работы системы совместного производства становится потребность на месте в тепловой энергии (система предназначается для обеспечения тепловой нагрузки). Излишняя электроэнергия может быть продана, а ее недостаток может быть компенсирован закупками из других источников. В результате обеспечивается высокая энергетическая эффективность, и фактическое соотношение выработки тепла и электроэнергии для энергетической установки соответствует потребностям на месте эксплуатации установки.

В качестве примера эффективного соотношения тепловой и электрической мощности рассмотрим паровой котел, вырабатывающий в час 4 540 кг пара, подаваемого под давлением около 8 бар, и потребляющий для этого 4 400 кВт энергии топочного газа (при среднем КПД котла 75 %). При таком же количестве потребленной энергии топливного газа в стандартной газовой турбине мощностью 1,2 МВт может быть выработано необходимое количество пара при помощи утилизации отходящей теплоты. В результате около 1 100 кВт электроэнергии может быть выработано «без затрат» топлива. Это является примером очень хорошего соотношения тепла и мощности, благодаря которому система обладает привлекательными экономическими показателями.

Представим теперь абсорбционный чиллер, обслуживающий систему кондиционирования воздуха с такими же потребностями в паре. Во время работы в режиме неполной нагрузки та же самая газовая турбина вырабатывает электроэнергию неэффективным образом (обычно). В такой системе отходящая теплота используется не полностью, если только на месте нет какого-либо другого потребителя этой теплоты. Таким образом, если система работает в режиме неполной нагрузки длительное время, ее экономические показатели невысоки.

Проектировщик системы совместного производства теплоты и электроэнергии должен решать непростые задачи обеспечения оптимального соотношения тепловой и электрической мощностей, учитывая также дневные и сезонные изменения этого соотношения. Далее рассматриваются типичные методы балансировки соотношения выработки теплоты и электроэнергии.

Метод I: использование газовых турбин и генераторов с газовыми двигателями

Сравним конфигурации газотурбинной энергетической установки с высоким соотношением тепловой и электрической мощностей и установки газовыми двигателями внутреннего сгорания (газомоторные) с низким отношением тепловой и электрической мощностей. Как будет показано ниже, в зависимости от энергетических нагрузок объекта, целесообразными могут быть как газотурбинные, так и газомоторные установки.

Пример А. Обычно в здании с центральной системой кондиционирования воздуха при пиковых расчетных условиях существует высокая потребность в холоде, для чего необходимо большое количество тепловой энергии, если абсорбционные чиллеры работают на совместно вырабатываемой отходящей теплоте.

Допустим, при пиковом потреблении необходимость в охлаждении в здании составляет 1 760 кВт и около 1 100 кВт электрической мощности.

Газотурбинная установка может работать с высокой эффективностью когенерации следующим образом:

1. Параметры производительности газовой турбины при 35 °С: 1 200 кВт электрической мощности при 5 340 кВт потребляемой энергии топочного газа (выработка электроэнергии 22,5 %), выход пара 7 кг/с при температуре 540 °С.

2. В условиях примера А котел-утилизатор отходящей теплоты обеспечивает одноступенчатый абсорбционный чиллер теплотой в количестве приблизительно 2 990 кВт. При потерях тепловой энергии, составляющих 7 % (на излучение и потери в трубах с горячей водой), для обеспечения необходимой холодильной производительности абсорбционного чиллера котел подает на него горячую воду с температурой 121 °С.

3. Соотношение тепловой и электрической мощностей (количество тепловой энергии в британских единицах MBtu/h на 1 кВт/ч [Btu/h – британская единица теплоты в час. 1 Btu/h = 0,293067 Вт.] ) в примере А равно 8,5 (10 200 / 1 200).

Пример Б. Для такого же здания, что и в примере А, при потреблении только 750 кВт электроэнергии и 616 кВт «холода» для кондиционирования воздуха при работе в режиме неполной нагрузки соотношение тепловой и электрической мощностей определяется следующими факторами:

1. Параметры производительности газомоторной энергоустановки при 25 °С: 750 кВт электрической мощности при 2 000 кВт потребляемой энергии топочного газа (выработка электроэнергии 37,5 %), утилизация отходящей теплоты охлаждающей воды в количестве 100 кВт из контура последовательного охладителя и утилизация теплоты выхлопных газов двигателя в количестве 500 кВт.

Читайте также:  Установка автомобильного центрального замка

2. Утилизированная теплота общим количеством 959 кВт позволяет производить около 616 кВт холода с помощью одноступенчатого абсорбционного чиллера при подаче на него горячей воды с температурой 90 °С.

3. Соотношение тепловой и электрической мощностей (количество тепловой энергии в единицах MBtu/ч на 1 кВт/ч) в примере Б равно 4,4 (3 300 / 750).

Соотношение тепловой и электрической мощностей изменяется с 8,5 (для газотурбинной установки) при пиковых нагрузках до показателя 4,4, для газомоторной установки в режиме неполной нагрузки. Рациональный выбор конфигурации когенерационной системы позволяет достичь оптимального соотношения нагрузок и обеспечить наивысшую эффективность совместного производства теплоты и электроэнергии.

Метод 2: использование гибридных чиллеров

Для балансировки выработки теплоты и электроэнергии в когенерационных энергетических установках, обеспечивающих утилизируемой теплотой центральные системы кондиционирования воздуха, необходим гибридный чиллер.

В периоды сравнительно низкой нагрузки электроэнергии (когда для абсорбционного чиллера имеется немного утилизируемого теплоты) сбалансировать указанное соотношение помогает электрический чиллер, повышающий электрическую нагрузку, увеличивая при этом количество отходящей теплоты для повышения эффективности когенерации.

Метод 3: использование накопителя тепловой энергии

Накопители (аккумуляторы) тепловой энергии используются как в системах охлаждения, так и в системах теплоснабжения. Применение накопительных баков-аккумуляторов с использованием горячей воды (температурой от 85 до 90 °С) может «сберечь» имеющееся «сбросное» тепло. Система может быть спроектирована и для использования горячей воды с температурой выше 100 °С (при повышенном давлении).

Поскольку экономически невыгодно «хранить» электроэнергию (особенно для небольших энергетических установок совместного производства теплоты и электроэнергии) для обеспечения высокой эффективности выработки тепла, в таких установках излишняя тепловая энергия должна накапливаться для удовлетворения потребности в электроэнергии.

При полном использовании теплоты отходящих газов для совместного производства теплоты и электроэнергии, предназначенных для центральных систем кондиционирования воздуха, необходимо, чтобы использующие теплоту чиллеры работали в режиме максимальной производительности, и вся излишняя холодильная производительность сохранялась в виде охлажденной воды, хранимой в накопительных баках.

Для этого могут использоваться существующие баки для воды (например предназначенные для системы пожаротушения) или специально изготовленные баки.

Накопители тепловой энергии могут использоваться для хранения горячей воды с температурой в диапазоне от 85 до 90 °С (вода с такой температурой интенсивно используется, например, на текстильных фабриках). Поскольку энергетическая установка совместного производства теплоты и электроэнергии вырабатывает горячую воду непрерывно, горячая вода может храниться в баках для использования в производственных целях.

На рисунке показана упрощенная схема трубной системы установки производства и хранения горячей воды, являющейся частью энергетической установки совместного производства теплоты и электроэнергии, в которой используется генератор, приводимый в действие газовым двигателем с турбонаддувом мощностью 900 кВт, со скоростью вращения 1 000 об/мин. На схеме не показаны все необходимые регулирующие клапаны и приборы, предназначенные для безопасной и экономичной работы.

Энергетическая установка совместного производства теплоты и электроэнергии с газовым двигателем мощностью 900 кВт, вырабатывающая горячую воду с температурой 90 °С

Метод 4: кондиционирование входного воздуха при помощи газовой турбины

Пример А. Кондиционирование входного воздуха при помощи газовой турбины является технологией, которая может использоваться в установках с генераторами с газовыми турбинами для балансировки соотношения тепловой и электрической мощностей. В этой технологии применяется охлаждение входного воздуха для увеличения производительности при пиковых нагрузках летом (при помощи или аккумуляторов тепловой энергии или находящихся на линии чиллеров, использующих отходящую теплоту) или нагрев входного воздуха для увеличения эффективности когенерации при неполной нагрузке, особенно зимой (вырабатывается дополнительное количество тепловой энергии на 1 кВт электроэнергии).

Охлаждение входного воздуха увеличивает производительность и эффективность генератора с газовой турбиной. Оно широко используется в системах совместного производства теплоты и электроэнергии, в которых отходящая теплота применяется для централизованной подачи охлажденной воды.

В таких системах имеется или отсутствует хранилище тепловой энергии. Такая конструкция обеспечивает работу генераторов с газовыми турбинами в соответствии с необходимыми нагрузками, т. к. увеличение выработки электроэнергии, благодаря охлаждению входного воздуха, также приводит к увеличению отходящей теплоты, подаваемой на абсорбционные чиллеры.

В условиях неполной нагрузки применение газовой турбины с охлаждающими змеевиками на входе невыгодно, т. к. дополнительное падение давления на охлаждающем змеевике (теперь уже лишнем) вызывает повышение тепловой мощности (повышенное потребление топлива). В установках совместного производства теплоты и электроэнергии эффективность работы при неполной нагрузке может быть повышена, как показано в таблице, при помощи обычной газовой турбины с номинальной мощностью 1 200 кВт, используемой в установке совместного производства теплоты и электроэнергии, вырабатывающей применяемый для промышленных целей пар с давлением 3 бара.

Читайте также:  Установка vray для сетевого рендера

При работе с нагрузкой 40 % от максимальной для балансировки соотношения выработки теплоты и электроэнергии может использоваться подогрев входного воздуха для газовой турбины (ограниченный конструкцией установки), т. к. пониженная эффективность газовой турбины приводит к повышению имеющейся отходящей теплоты и в результате к повышению общей эффективности когенерации. Указывается, что эффективность совместного производства теплоты и электроэнергии возрастает более чем на 15 %, если в условиях неполной нагрузки воздух на входе нагревается с 15 до 60 °С. Большинство производителей газовых турбин могут предоставить данные производительности при температуре воздуха вплоть до 60 °С. Перед проектированием системы с такой возможностью должны быть проверены совместно с производителем газовой турбины ограничения на нагрев входного воздуха.

Пример Б. Для увеличения генерации «отходящей» теплоты в имеющих высокую температуру, обогащенных кислородом выхлопных газах газовой турбины применяется дополнительное дожигание в потоке отходящей теплоты. Большее количество тепла означает более высокое соотношение теплоты и мощности, улучшающее экономические показатели процесса совместного производства теплоты и мощности.

Эффективность установки совместного производства теплоты и мощности мощностью 1 200 кВт в условиях неполной нагрузки
Рабочие параметры газовой турбины
Температура окружающей среды 15 °C 30 °C 45 °C 60 °С
(экстрапо-
лированное
значение)
Нагрузка 40 % 40 % 40 % 40 %
Выходная мощность 436 кВт 385 кВт 334 кВт 283 кВт
Эффективность 16,04 % 14,92 % 13,51 % 11,81 %
Расход выхлопных газов 6,35 кг/с 6,02 кг/с 5,61 кг/с 5,21 кг/с
Температура выхлопных газов 336 °C 355 °C 378 °C 405 °C
Тепловая мощность
выхлопных газов
2 140 кВт 2 061 кВт 1 975 кВт 1 882 кВт
Рабочие параметры установки совместного производства теплоты и мощности
Температура окружающей среды 15 °C 30 °C 45 °C 60 °С
Давление насыщенного пара 3 бара 3 бара 3 бара 3 бара
Выработка пара 4 123 кг/ч 4 321 кг/ч 4 494 кг/ч 4 642 кг/ч
Эффективность работы установки
совместного производства
теплоты и мощности
65,29 % 69,1 % 72,49 % 75,46 %

Заключение

Системы совместного производства теплоты и электроэнергии работают эффективно, если используется вся или большая часть электрической и тепловой энергии.

В реальных условиях нагрузка меняется, поэтому для большинства систем необходима балансировка соотношения производимой тепловой и электрической мощностей, обеспечивающая эффективную и экономичную работу установки совместного производства энергии.

Системы балансировки соотношения теплоты и мощности должны быть приняты на установках совместного производства с самого начала для обеспечения оптимального использования выходной электрической и тепловой мощности и сокращения, тем самым, затрат на топливо, а также для улучшения экономических показателей системы.

Переведено с сокращениями из журнала «ASHRAE».

Перевод с английского Л. И. Баранова.

источник

Собственная генерация электроэнергии и пара на промышленных предприятиях

Собственная генерация электроэнергии и пара в течение ряда десятилетий в странах Западной Европы и опыт эксплуатации мини-ТЭЦ в России и Республике Беларусь подтвердили, что когенерационные установки на базе газовых двигателей являются наиболее эффективными комбинированными источниками тепловой и электрической энергии. Интенсивное развитие предприятий России связано с все более остро встающим вопросом дефицитности энергообеспечения вновь вводимых нагрузок. Фактически ряд производств оказывается недостаточно обеспеченным тепловой и электрической энергией. С другой стороны, не менее острыми являются вопросы эффективного использования энергетических ресурсов.

Учитывая мировые тенденции, для повышения конкурентоспособности и устойчивости на рынке предприятия постоянно совершенствуются, модернизируется производство, вводятся новые мощности для увеличения объема и расширения ассортимента продукции. Наряду с проведением технической реконструкции, внедрением стандартов контроля качества, разработкой новых видов продуктов, предприятия ищут дополнительные источники для снижения себестоимости выпускаемой продукции предприятия. Одним из них является снижение энергетической составляющей себестоимости. Для многих предприятий характерно то, что электрическая и тепловая энергия потребляются одновременно. При этом электроэнергию получают от сетей энергоснабжающих компаний, а тепловая энергия производится собственными котельными. В отличие от других стран, онополизм и отсутствуюая в настоящее время конкуренция среди генерирующих и энерго-распределительных компаний в России приводит к отсутствию отивации в сокращении издержек при производстве, транспортировке и поставке электроэнергии предприятиям, вызывает постоянный рост цен на энергоносители для конечных потребителей негативно сказывается на себестоимости продукции.

Для существенного снижения энергоемкости и, соответственно, себестоимости продукции необходима альтернативная, более эффективная технология энергоснабжения. Когенерационные установки на базе газопоршневых двигателей имеют наивысшую на сегодняшний день эффективность преобразования энергии топлива в электричество. Например, для современных установок производства GE Jenbacher электрический КПД составляет до 48,7 %, а с учетом тепла общий КПД достигает 90 %. Это позволяет иметь минимальную топливную составляющую в себестоимости производимой электроэнергии.

Читайте также:  Установка карниза для штор в эркер

Еще больший эффект от применения когенерационной технологии достигается при преобразовании избыточной тепловой энергии в холод для использования в технологических производственных процессах. Технология тригенерации с применением абсорбционных холодильных машин (АБХМ) как нельзя лучше подходит для предприятий мясной отрасли, где холод используется в технологических процессах для производства и хранения продукции. Технические особенности абсорбционных чиллеров позволяют получать захоложенную воду температурой 5–10 °С. При необходимости достижения более низкой температуры воды АБХМ может работать в цепочке с компрессионными холодильными машинами (КХМ), обеспечивая предварительное охлаждение воды и тем самым снижение потребления электроэнергии КХМ.

Тепло на предприятиях используется в паре и горячей воде, при этом пар является более востребованным теплоносителем в технологических процессах, поэтому предпочтительнее применять паровую утилизацию тепла уходящих дымовых газов. Горячая вода может дополнительно использоваться в технологии сушки для подогрева воздуха перед подачей в газовый теплогенератор, а также для предварительного нагрева воды перед водоочисткой и деаэрацией. Применение для предприятий тригенерационных комплексов в составе собственных мини-ТЭЦ позволяет привести электро-, тепло- и холодоснабжение к современному техническому уровню, снизить затраты на энергоресурсы и обеспечить независимость производства от внешних сетей энергосистем.

Основные и особенно важные преимущества собственного тригенерационного комплекса:

  • получение дешевой электроэнергии для нужд предприятия; –эффективное использование топлива (газа);
  • общий коэффициент использования топлива в установках достигает 90 %;
  • получение необходимого количества дешевого теплоносителя для технологии тригенерации;
  • снижение уровня выбросов вредных веществ и парниковых газов.

Анализ, проведенный компанией, показал при существующих режимах работы себестоимость электроэнергии, генерируемой собственным энергоисточником, составляет 2–2,5 руб.кВт*ч при существующем тарифе в энергосистеме 5,5–6,5 руб.кВт*ч.

Среди проектов мини-ТЭЦ для предприятий пищевой промышленности можно выделить проект создания электростанции для СП «Санта Бремор», выполненный подразделением группы компаний VAPOR-FILTER в Белоруссии.

Станция размещена в отдельно стоящем здании, построенном на площадке в производственной зоне СП «Санта Бремор». Цель строительства – обеспечение потребителей завода собственной дешевой электроэнергией, технологическим паром и ГВС, получаемыми в когенерационном режиме, позволяющем наиболее эффективно использовать природный газ.

Энергокомплекс включает три газопоршневых агрегата производства GE Jenbacher и один трехсекционный котел утилизатор VAPOR. Мощность комплекса – 4,2 МВт, что необходимо для удовлетворения потребности предприятия в электрической энергии и отопления производственных и административных помещений. Параметры выдаваемой электроэнергии напряжение – 10 кВ, частота тока – 50 Гц. Электрический КПД каждого модуля составляет 42,1 %. Каждый процент КПД дает значительную экономию топлива, особенно при больших установленных мощностях, а также при работе в режиме с неполной утилизацией. Значение электрического КПД увеличивается с ростом стоимости природного газа, поскольку топливная составляющая в полной себестоимости производимой энергии возрастает вместе со стоимостью газа.

Получение горячей воды на отопление и ГВС температурой 70–90 °С реализуется двумя способами. Во-первых, часть теплоносителя нагревается теплом, отбираемым от двигателя (система охлаждения топливной смеси, масла, рубашки двигателя). Во-вторых, происходит частичный нагрев воды в экономайзерах сетевой воды за счет охлаждения дымовых газов двигателя со 192 до 120 °С.

По технологии производства на предприятии требуется 1,5 т*ч пара. Паровой трехсекционный котел предназначен для генерации насыщенного пара давлением 6 бар за счет утилизации тепла выхлопных газов 3 ГПУ (выхлопные газы ГПУ проходят по трубному пространству парового котла-утилизатора, нагревая питательную воду с последующим парообразованием). За счет утилизации тепла дымовых газов двигателей, поступающих с температурой 399 °С в котел-утилизатор, образуется 2280 кг*ч пара.

Общий объем инвестиций по данному проекту превысил 2 млн евро. По расчетам специалистов предприятия, все затраты окупились за три года выработка собственной электрической и тепловой энергии позволила предприятию сэкономить до 30 % в этой статье затрат.

В перспективе потребление пара на предприятии увеличится до 3,5 т*ч в связи с введением дополнительной производственной линии. Поэтому было принято решение о строительстве второй очереди энергоцентра с установкой еще одного газопоршневого агрегата с котлом-утилизатором и горелкой.

Кроме экономической составляющей, важнейшим преимуществом внедрения когенерации является повышение надежности энергоснабжения. Внезапное его отключение приведет к убыткам и недополучению прибыли, а возможно, и снижению деловой репутации. Аварийные отключения могут стать причинами выхода из строя дорогостоящего оборудования, потери сырья и порчи продукции. В случае наличия собственной ТЭЦ потребитель застрахован от перебоев в централизованном энергоснабжении, время от времени возникающих вследствие либо износа основных фондов энергосистемы, либо других непредвиденных случаев.

источник

Добавить комментарий

Adblock
detector