Режим когенерации котельной: Перевод отопительных котельных в мини-ТЭЦ (часть 1) Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Ликбез №38: Лучше ТЭЦ, чем котельная

Меньше котельных – больше пользы

Один из путей решения проблемы был прописан в Прогнозе НТР отраслей ТЭК до 2035 года, выпущенном Минэнерго РФ в 2016 году. Но он выглядит, мягко говоря, странным. Теплоснабжение предлагается и дальше децентрализировать, переоборудуя котельные в мини-ТЭЦ. За счет этого сложившийся в теплоснабжении минус – наличие большого количество тепловых источников – можно якобы превратить в плюс, сделав его базой не только для крупномасштабного развития когенерации, но и технологий распределенной энергетики на органическом топливе. Таким образом дополнительно можно будет получить около 40-50 ГВт электрической мощности с выработкой на тепловом потреблении, то есть самым эффективным способом, около 160-180 млрд кВт*часов ежегодно. А также сформировать рынок для большого количества когенерационных установок малой и средней мощности. 

Но такая перспектива возможна только в тех местах, где не сложилось СЦТ. Либо там, где «старые» ТЭЦ оказались полностью не эффективны. Яркий пример – в Рубцовске, городе в Алтайском крае, где первым в стране ввели модель «альтернативной котельной». Взявшись за кардинальную перестройку системы теплоснабжения в этом моногороде, Сибирская генерирующая компания (СГК, принадлежит СУЭК) перевела всю тепловую нагрузку на Южную тепловую станцию, заместив мощности других источников, в том числе Рубцовской ТЭЦ. До конца этого года, в завершении программы модернизации городской СЦТ, на ЮТС установят паровую турбину на 6 МВт, которая обеспечит выработку электроэнергии для собственных нужд, что позволит сократить постоянные расходы теплоисточника. И котельная станет мини-ТЭЦ, 

Но вот там, где СЦТ с узловыми ТЭЦ уже сформировались, особенно в крупных городах, заниматься переоборудованием многочисленных котельных в мини-ТЭЦ – явно деструктивное направление. Для специалистов это очевидно. «Двигаясь с юга на север, где-то до Белгорода можно еще играть с децентрализованными системами теплофикации, севернее Воронежа уже выгоднее иметь централизованное отопление. В Сибири это жизненно необходимо — там должно быть все централизовано. В городах, где весь теплоснабжающий комплекс находится в одних руках, эффективность теплоэнергетики выше, а тарифы — ниже», — говорил в интервью изданию «Стимул» эксперт НП «Российское теплоснабжение», завлаб энергосбережения МЭИ Евгений Гашо. 

Поэтому на практике в городах в последние годы набирает силу противоположный тренд – закрытия локальных котельных, с переводом их потребителей на снабжение от крупных ТЭЦ. Схемы теплоснабжения в различных городах предлагают либо закрывать их полностью, с очисткой площадок и передачей дефицитных земель муниципалитетам. Либо выводить в резерв и использовать в качестве пиковых – тем более что многие котельные именно для такого использования и создавались. В ФЗ-190 «О теплоснабжении» заявлен приоритет источников, способных вырабатывать одновременно и тепло, и электричество. Таким образом, замещение малых котельных помогает и росту доли когенерации. Плюсов от такой «расчистки» отрасли предостаточно. Кроме повышения тепловой нагрузки ТЭЦ и, как следствие, роста объемов теплофикации, есть и другие, немаловажные преимущества. Перечислим главные.

Мини-ТЭС = котельная + электростанция

Оптимально разработанная схема тепло и энергоснабжения позволяет минимизировать капитальные и эксплуатационные затраты при выработке тепловой и электрической энергии. Комплексным решением этого вопроса служит использование мини-ТЭС. Компания Русский Дом выполняет полный комплекс услуг, связанных с проектированием, поставкой, монтажом и последующим обслуживанием мини-ТЭС. Предприятие способно предложить оборудование, наиболее подходящее для заказчика как по соотношению цена – качества, так и исходя из особенностей объекта.

В мире современного бизнеса каждое предприятие, каждый собственник стремится минимизировать свои затраты на теплоснабжение и электроснабжение. Современная мини-ТЭС – это электростанция, способная вырабатывать электроэнергию и утилизировать тепло уходящих дымовых газов и системы охлаждения двигателя. Такое комбинированное производство тепловой и электрической энергии называется когенерацией.

Мини-ТЭС состоит из генераторной установки c двигателем внутреннего сгорания (или турбиной), котла-утилизатора выхлопных газов, охлаждающей жидкости рубашки двигателя и водогрейного или парового котла. Пиковая потребность в тепле покрывается водогрейным котлом. Система автоматического управления обеспечивает распределение электрической и тепловой нагрузки и устойчивую работу двигателя. В качестве силового агрегата в мини-ТЭС используются двигатели внутреннего сгорания: дизельные, газовые (газопоршневые и газотурбинные) установки.

Наибольшей эффективностью, надежностью и универсальностью отличаются установки на основе газовых (газопоршневых) двигателей. Это вызвано, прежде всего, современными требованиями к чистоте окружающей среды, а так же к снижению эксплуатационных расходов на органическое топливо и доступностью его использования. Газовые двигатели используются в составе электростанций, предназначенных для постоянной и периодической работы (снятие пиковых нагрузок) с комбинированной выработкой электроэнергии и тепла. Кроме того, они могут использоваться для обеспечения функционирования абсорбционных холодильных установок в системах кондиционирования (процесс тригенерации).

Таким образом, мини-ТЭС — наиболее эффективный путь решения вопросов энергоснабжения за счет широкого диапазона режимов эксплуатации, большого выбора вспомогательного оборудования и систем, различных вариантов компоновок, что позволяет точно и оптимально приспособить установку к работе в любых условиях. При невысоких капитальных и эксплуатационных затратах эти электростанции обеспечивают максимальную эффективность инвестиций за счет производства электроэнергии, тепла и холода по конкурентным ценам.

Примером реализации такого комплексного решения может служить Энергокомплекс (мини-ТЭС), предназначенный для электроснабжения, теплоснабжения и пароснабжения комплекса по выращиванию шампиньонов (ЗАО «Племенной завод ПРИНЕВСКОЕ», расположенный по адресу: Ленинградская область, Всеволожский район, п. Новосаратовка).

Энергокомплекс (мини-ТЭС), предназначенный для электроснабжения, теплоснабжения и пароснабжения

В данном проекте отдано предпочтение контейнерно-сборным конструкциям, что позволило в короткие сроки осуществить монтаж здания мини-ТЭС. Реализация проекта осуществлялась исходя из следующих принципов: применение современного высокотехнологичного оборудования, строительство “под ключ”.

Мини-ТЭС состоит из двух газо-поршневых электроагрегатов G3508 фирмы «Caterpillar» мощностью по 0,5 МВт каждый, котла-утилизатора выхлопных газов, охлаждающей жидкости рубашки двигателя, газового водогрейного котла Vessman мощностью 1 МВт, газового парового котла Vessman  мощностью 0,9 МВт и резервной дизельной электростанции фирмы «Caterpillar» мощностью 0,5 МВт. Пиковая потребность в тепле покрывается водогрейным котлом. Система автоматического управления обеспечивает распределение электрической и тепловой нагрузки и устойчивую работу двигателя.

Общие данные:

Мини-ТЭС на базе газопоршневых электрогенераторных двигателей типа G3508 LE компании “Катерпиллар” предназначена для комбинированной выработки электрической и тепловой энергии за счет утилизации теплоты газового двигателя. Проектом предусмотрена глубокая утилизация отходящих тепловых потоков газового двигателя, позволяющая использовать теплоту охлаждающей воды и выхлопных газов.

В машинном зале мини-ТЭС устанавливаются две газопоршневые электрогенераторные установки типа G3508 LE, электрической мощностью 510 кВт каждая с отдельностоящими модулями утилизации тепла САТ-500, с комплектом вспомогательного оборудования и обеспечивающих систем.

Основные параметры ТЭС:
Установленная электрическая мощность — 1020 кВт;
Напряжение — 400 В;
Установленная тепловая мощность — 1244 кВт;
Режим работы — круглогодовой.

Мини-ТЭС размещается на территории шампиньонного комплекса в здании состоящем из двух контейнеров.

Габариты в плане 12.2м х 6.0 м, высота 3.1м.

Тепломеханические решения:

Основные тепломеханические решения по мини-ТЭС приняты с учетом глубокой утилизации отходящих тепловых потоков от двух газопоршневых электрогенераторных установок типа G3508 LE общей установленной электрической мощностью 1020 кВт (2 х 510 кВт).

Каждая установка состоит из газопоршневого двигателя G3508 LE и модуля утилизации тепла САТ-500.
Утилизация тепла выхлопных газов (охлаждение с t=453°С до t=120°С) осуществляется в модуле утилизации тепла САТ-500.

Для нормальной работы двигателей предусматривается установка воздушных радиаторов аварийного охлаждения двигателя (поз.К4.1 и К4.2), установленных на крыше мини-ТЭС.

В соответствии с реальным графиком нагрузки энергосистемы потребителя, в работе будет находиться необходимое количество газопоршневых электрогенераторов.

Тепловая производительность мини-ТЭС составляет 1244 кВт.

Мини-ТЭС оснащена современными средствами автоматического регулирования, контроля, сигнализации, защиты и блокировок, позволяющими обеспечить надёжную работу технологического оборудования без постоянного пребывания обслуживающего персонала.

Системы утилизации тепла и котельные

В настоящее время наблюдается тенденция освоения удаленных объектов газовой промышленности, объектов, располагающихся в районах тяжелых природных и климатических условий. Для них необходима разработка специальных технических решений в области электроснабжения, обеспечивающих их работоспособность и живучесть даже в экстремальных ситуациях.

• Надежное электроснабжение.
• Высокая степень автоматизации.
• Простота обслуживания и удобство, обеспечивающие проведение работ.
• Минимальные строительно-монтажные работы при установке.
• Возможность выработки тепловой энергии.

Комбинированная выработка тепловой и электрической энергии — основное направление энергосбережения и повышения эффективности использования первичного топлива.

Главные преимущества электростанций АО «ЗВЕЗДА-ЭНЕРГЕТИКА»

• Высокий КПД.
• Экономичность расходования топлива.
• Значительный ресурс агрегатов до списания и капитального ремонта.
• Наличие при необходимости системы утилизации тепла.

Система утилизации тепла АО «ЗВЕЗДА-ЭНЕРГЕТИКА»

Оборудование СУТ представляет собой комплекс теплообмена, в котором теплота, уносимая с отработавшими газами, а также отводимая от двигателя системой охлаждения, превращается в тепловую энергию циркулирующей воды. После ввода в эксплуатацию испытательного стенда появилась возможность испытывать системы утилизации на одном из наиболее сложных режимов — «отсутствие теплосъема». Система управления должна автоматически распознавать этот режим и принимать меры для безаварийной работы электростанции на номинальной электрической мощности.

Когенерационные системы увеличивают КПД
стандартной станции с 40% до 80–90%.

Комплектные телоэлектростанции, оснащенные котельным

Компания «ЗВЕЗДА-ЭНЕРГЕТИКА» также предлагает комплектные теплоэлектростанции, оснащенные котельными, на базе котлов мощностью от 0,5 до 16 МВт. Котельные мощностью от 0,5 до 2 МВт поставляются в контейнерном исполнении, от 2 до 8 МВт — в блочно-модульном и до 100 МВт — в стационарном.

Комплексное исполнение, оптимальные режимы работы и единая система управления ТЭС, оснащенными котельными, — все это позволяет сэкономить до 20% топлива.

Когенерационные установки в Москве

1. 1. Область применения когенерационных установок
2. 2. Преимущества когенерационных мини-ТЭЦ

Слово «когенерация» образовано от английского «co+generation», что можно перевести буквально как «совместное производство», «совместная генерация». В рамках котельных когенерация — это производство тепла и электрической энергии при помощи одной системы, например, мини-ТЭЦ или КГУ.

Электрическую энергию когенерационной установки вырабатывает газопоршневый двигатель, паровая или газовая турбина, а утилизация тепловых потерь позволяет произвести достаточное количество тепловой энергии для дальнейшего обогревания объекта и обеспечения его горячим водоснабжением. КПД современной когенерационной установки может достигать 90%, что несравнимо выше эффективности обыкновенной электростанции.

Как правило, топливом в стандартной установке служит обыкновенный магистральный газ, что делает её обслуживание достаточно простым и выгодным. Мини-ТЭЦ — источник электричества и тепла, которому по экономичности и эффективности пока нет равных.

Область применения когенерационных установок

Сфера их применения практически ничем не ограничена. Они используются:

• для теплоснабжения и снабжения горячей водой социально-административных объектов, в том числе торговых центров, спортивных комплексов, офисных зданий, оздоровительных предприятий и др. ;
• в жилищно-коммунальном хозяйстве;
• на коммерческих, промышленных, производственных предприятиях.

Бесперебойность и высокий КПД делает их гораздо лучшей альтернативной центральному теплоснабжению, а также незаменимым источником тепла и электричества для районов, «отрезанных» от основных магистралей.

Преимущества когенерационных мини-ТЭЦ

Такое оборудование необыкновенно эффективно: тогда как станции и котельные, работающие только на один вид энергии, имеют КПД порядка 40%, когенерационные установки достигают показателя в 90%. По этой же причине они достаточно экономичны, поскольку отрабатываемое топливо идёт на обеспечение объектов сразу двумя видами энергии.

Благодаря мини-ТЭЦ объекты получают достаточную автономность и независимость от центральных электростанций и котельных, которые нередко обладают изношенным оборудованием и находятся в аварийном состоянии. Небольшая площадь размещения также позволяет значительно сэкономить на капитальных застройках и в самый быстрый срок окупить возведение установки.

Когенерационную установку можно привезти в собранном виде в мобильном блок-модуле с возможностью переноса оборудования в случае необходимости. Это — незаменимое оборудование для строек, концертных и выставочных площадок, а также для новых районов, находящихся на удалении от городских сетей.

Для расчёта стоимости котельной, пожалуйста,
заполните опросный лист на котельную.
Опросный лист можно заполнить в онлайн-режиме или скачать.

По всем возникшим вопросам:
телефон: 8 (906) 700-40-55
электронная почта: [email protected]

Вас также может заинтересовать

Как выбрать топливо для котельной

Выбирая, какой тип котельной установить на производстве, главное внимание уделяется выбору энергоносителя, на котором будет работать теплогенератор.

Как получить разрешение на котельную?

Котельные относятся к категории опасных производственных объектов, или ОПО. В широком смысле, это объект, в ходе эксплуатации которого может возникнуть риск аварийной ситуации. Именно поэтому к ОПО предъявляется ряд требований, и именно поэтому для эксплуатации такого рода объектов требуется получение разрешения — или, иными словами, лицензии от Ростехнадзора.

Зачем нужно объединение котельных?

В 2012 году объединились две основные московские компании, осуществляющие подачу тепла и горячей воды жителям города. На вопрос, зачем нужно слияние котельных, ответил генеральный директор бывшей «Московской объединённой энергетической компании» Андрей Лихачёв.

Котельная на газе: её преимущества и недостатки

Именно котельные на газе сегодня являются самыми распространёнными отопительными установками на территории России. Причина такой востребованности проста: газ — достаточно дешёвое и экологически чистое топливо, которое, при правильной его эксплуатации, совершенно безопасно в использовании.

Очистка котельных

Несмотря на стремительное развитие технологий, обновление модельного ряда и появление всё большего количества полезных приспособлений, не появилось пока котла, который не нуждался бы в регулярной чистке.

Газодинамическая поршневая машина для паровых котельных – мини-ТЭЦ — № 02 (11) апрель 2014 года — Тепловая энергетика — WWW.EPRUSSIA.RU

Газета «Энергетика и промышленность России» | № 02 (11) апрель 2014 года

Электроагрегат на основе последнего может найти применение в паровых котельных для работы в режиме когенерации тепловой и электрической энергии.

Под паровой котельной-мини-ТЭЦ будем понимать такую паровую котельную, работающую в режиме когенерации тепловой и электрической энергии, когда последняя вырабатывается с помощью парового двигатель-электрогенераторного агрегата (парового электроагрегата) электрической мощностью до 10 МВт и потребляется исключительно электроприемниками собственных нужд этой котельной. В таком случае первостепенным эксплуатационным показателем выступает именно простота и надежность функционирования электроагрегата, а не его электрический коэффициент полезного действия, принимая во внимание значительно несоизмеримо меньшую потребную электрическую мощность нагрузки собственных нужд котельной, чем вырабатываемая в последней тепловая мощность.

Как включать?

Упрощенная тепловая принципиальная схема включения парового электроагрегата в паровой котельной показана на рис. 1. В паровой котельной пар от котла 1 поступает через дроссельную задвижку либо редукционно-охладительное устройство (на рис. 1 оно условно не показано) в пароводяной теплообменник 6 для нагрева воды на нужды потребителей 9. Поэтому электроагрегат с поршневой газорасширительной машиной 5, работающей на водяном паре, через запорную 3 и регулирующую 4 арматуру включается параллельно редукционному устройству или взамен последнего, как приведено на рис. 1. Вместо энергетически неэффективного процесса дросселирования пара машина 5 будет совершать полезную работу по приводу электромашинного генератора 7 трехфазного переменного тока. Подачу горячей воды потребителям 9 обеспечивает насос 8 с электроприводом, а конденсат отработавшего в машине 5 пара с помощью насоса 2, приводимого от электродвигателя, направляется обратно в котел 1.

Таким образом, принципиальная идея включения электроагрегата с поршневой парорасширительной машиной в тепловую схему паровой котельной не отличается от используемой при построении паровых котельных-мини-ТЭЦ с паровыми турбогенераторными агрегатами. Различия состоят именно в самих парорасширительных конструкциях, их достоинствах и недостатках.

Конструкция

Конструкция поршневой расширительной машины с газодинамической системой парораспределения показана на рис. 2. Она, по своей сущности, была разработана в нашей стране еще в 1989 году профессором кафедры конструкции авиационных двигателей факультета двигателей летательных аппаратов Московского авиационного института Игорем Евгеньевичем Ульяновым, старшим научным сотрудником тогда еще этой кафедры Владимиром Сергеевичем Дубининым с коллегами и признана изобретением по авторскому свидетельству СССР SU 1753001 как «Способ работы поршневого двигателя и поршневой двигатель». Тогда ее предполагалось использовать, например, в пневматических ручных шлифовальных машинках.

Работает такая газодинамическая поршневая машина (см. рис. 2) следующим образом. Картер 3 с кривошипно-шатунно-поршневой группой берется от базового поршневого двигателя внутреннего сгорания. Пар подается в объем цилиндра через сопло 1. Давление пара в цилиндре будет всегда ниже, чем в котле. Конструкция сопла 1 такова, что давление на входе в него больше, чем две третьих от величины, при которой обеспечивается сверхкритический перепад давлений между входом и выходом этого сопла. Поэтому оказывается, что пар будет подаваться в цилиндр непрерывно во времени, как у прямоточной поршневой паровой машины. В результате давление в цилиндре машины будет расти и поршень из верхней мертвой точки ВМТ станет перемещаться в нижнюю НМТ. При подходе к НМТ поршень откроет выпускной канал (отверстие) 2, и пар сможет выйти из полости цилиндра. Давление в последнем снизится, и поршень под действием момента сил инерции станет перемещаться в ВМТ. Далее цикл работы поршневой машины будет повторяться. Подобный двигатель успешно испытывался при работе даже на так называемой пароводяной смеси (Д. П. Титов, В. С. Дубинин, К. М. Лаврухин. Паровым машинам быть!// Промышленная энергетика. – 2006. – № 1. – С. 50‑53).

Достоинства

Принципиальная возможность создания парорасширительных машин на базе серийных поршневых двигателей внутреннего сгорания может способствовать организации их менее затратного производства и эксплуатации по отношению к конструкциям, не преемственным с современными бензиновыми, дизельными и газопоршневыми двигателями. А отсутствие каких‑либо клапанных либо золотниковых механизмов парораспределения не только упрощает и ускоряет техническое обслуживание и ремонт таких приводных машин, но также существенно положительно сказывается на конструкционной надежности.

Высоконадежный паропоршневой привод может использоваться не только для обеспечения работы электромашинного генератора в паровой котельной. Предлагаемая конструкция принципиально пригодна для прямого привода (резервного, то есть вместо классических поршневых паровых приводов для насосов котельной, или даже основного) такого приводимого электродвигателями вспомогательного оборудования котельной, как насосы и (или) тягодутьевые вентиляторы. Лопаточным или винтовым паровым «машинам» (турбинам) при работе на электрогенераторную, насосную либо вентиляторную нагрузку необходима, как правило, редукторная механическая передача.

Поршневая газодинамическая расширительная машина принципиально может работать в режиме самостабилизации частоты вращения выходного вала. По данному изобретению в виде «Способа работы поршневой расширительной машины» (заявка № 4951329 / 29 (055249) на патент России, МКИ 5 F 02 B 25 / 02, дата подачи: 27 июня 1991 года) было принято положительное решение о выдаче В. С. Дубинину патента, который, к сожалению, так и не был получен за неимением денежных средств на оплату процедуры оформления этого документа. Само же изобретение дает перспективную возможность обеспечения привода электромашинного генератора переменного тока для автономной от электрических сетей централизованного электроснабжения потребителей России генерации электроэнергии (В. С. Дубинин. Обеспечение независимости электро- и теплоснабжения России от электрических сетей на базе поршневых технологий: Монография. – М., 2009) с точностью стабилизации частоты тока в соответствии с требованиями отечественного государственного стандарта (ГОСТ Р 54149‑2010. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. – М., 2012).

Недостаток

Основным недостатком рассмотренной в этой статье поршневой газодинамической расширительной машины является ее низкий коэффициент полезного действия, обусловленный прямоточным процессом расширения в ней рабочего тела. Однако, как уже подчеркивалось выше, для применения в котельной-мини-ТЭЦ такой машины это обстоятельство не является принципиальным препятствием. А основываясь на анализе более новой подобной конструкции расширительной машины (заявка CZ 2012‑202 A3 на патентный документ Чехии от 22 марта 2012 года), которую предложили ее чешские авторы Jakub Maščuch и Jan Drahokoupil, можно предположить о стремлении изобретателей улучшить энергетическую эффективность поршневой расширительной машины, определенно конструктивно схожей с рассмотренной в настоящей статье. Хотя в отмеченной выше чешской заявке отечественная конструкция никак не упомянута.

Структура тарифа на тепловую энергию дизельной котельной тепловой мощностью 0,344 Гкал/час

   ОПИСАНИЕ СИСТЕМЫ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ ПОСЕЛКА:

   Теплоснабжение посёлка происходит от дизельной котельной тепловой мощностью 0,344 Гкал/час.

— здание школы;

— здание детского сада;

— здание спортзала;

— административно-культурный центр, в том числе и почта.

   Котельная располагается в непосредственной близости от объектов теплоснабжения. Котельная расположена в здании школы.

   ОПИСАНИЕ ТЕПЛОВОГО БАЛАНСА / ПРИСОЕДИНЁННОЙ ТЕПЛОВОЙ НАГРУЗКИ:

   Суммарная установленная тепловая мощность котельной сельского поселения «Село» составляет — 0,344 Гкал/час, располагаемая мощность – 0,344 Гкал/час. 

   Суммарная присоединенная тепловая нагрузка потребителей (проектная, без учета потерь в котельных и тепловых сетях) составляет 0,221 Гкал/ч.  

   Фактическая произведенная тепловая мощность – 0,236 Гкал/ч. 

   Общий резерв тепловой мощности составляет – 0,11 Гкал/ч или 32 % от всей установленной мощности. 

   Потери тепловой энергии в котельной на собственные нужды составляют до 1,8% от общей вырабатываемой тепловой энергии. 

   Потери тепловой энергии в тепловых сетях котельных составляют 4,6 %.

   ЗАДАЧА ИССЛЕДОВАНИЯ:

   В связи с газификацией населённого пункта оценить экономическую привлекательность перехода системы теплоснабжения от дизельного топлива к газовому. Рассмотреть различные варианты установки нового газового котельного оборудования, в том числе с перспективным планом развития территории населённого пункта, т.е. принимая во внимание перспективные тепловые нагрузки поселения. 

   В РАМКАХ РАБОТЫ РАССМАТРИВАЮТСЯ СЛЕДУЮЩИЕ ВАРИАНТЫ:

   ПРИМЕЧАНИЕ:

   Все данные, используемые в расчете были взяты из сети Интернет, с официальных Интернет-ресурсов теплоснабжающих организаций, выкладывающих данную информацию согласно Постановление Правительства Российской Федерации от 5 июля 2013 г.  N 570 «О Стандартах раскрытия информации теплоснабжающими организациями, теплосетевыми организациями и органами регулирования«.

© Н.Д. Денисов-Винский

автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Повышение эффективности работы паровых котельных при использовании когенерационных установок с винтовым двигателем

Автореферат диссертации по теме «Повышение эффективности работы паровых котельных при использовании когенерационных установок с винтовым двигателем»

На правах рукописи

Репин Александр Львович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ПАРОВЫХ

КОТЕЛЬНЫХ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ КОГЕНЕРАЦИОННЫХ У СТАНОВОК С ВИНТОВЫМ

ДВИГАТЕЛЕМ

Специальность 05.14.04- Промышленная теплоэнергетика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Краснодар-2006

Работа выполнена в Кубанском государственном технологическом университете.

Научный руководитель: д-р техн. наук, профессор

Гапоненко Александр Макарович

Официальные оппоненты:

. д-р техн. наук, профессор

Амерханов Роберт Александрович д-р техн. наук» профессор Запорожец Евгений Петрович

Ведущая организация:

ОАО «Южный инженерный центр энергетики», г. Краснодар

Защита состоится 7 ноября 2006 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.100.06 Кубанского государственного технологического университета (350058, г, Краснодар, ул. Старокубанская, 88/4 ауд. 410)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Кубанского государственного технологического университета.

Автореферат разослан « 6 » октября 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

канд. техн. наук, доцент у/ Л.Е. Копелевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы* Произошедшие в экономике России изменения заставляют по-новому взглянуть на проблемы малой энергетики. По разным оценкам от 50 до 70 % территории России, на которой проживает более 20 млн. человек, не охвачено централизованным энерго и электроснабжением. На этой огромной территории жизнедеятельность людей обеспечивается, главным образом, средствами малой энергетики: электроснабжение — от автономных дизельных электростанций (ДЭС), теплоснабжение — от местных котельн!ых установок, работающих на твердом, жидком и реже газообразном топливе.

Анализ режимов работы и технического состояния существующих источников тепловой энергии свидетельствует -об их низкой энергетической эффективности и надежности. Последнее подтверждается участившимися случаями аварийного отключения котельных, вызванными прекращением электроснабжения, например, из-за обрывов линий электропередач. В результате таких аварий прекращается циркуляция теплоносителя, что в условиях низких температур может приводить к размораживанию трубопроводов и всей системы в целом.

В связи с этим весьма актуальным является вопрос об организации в паровых котельных производства электрической энергии для покрытия собственных нужд и для отпуска сторонним потребителям, В большинстве коммунальных и промышленных котельных установлены котлы типов

ДКВР, ДЕ, КЕ и др. , вырабатывающие пар с давлением 1,3 МПа. В то же время потребители используют его, как правило, при давлении 0,3-0,4

4

МПа. Понижение давления осуществляется в редукционных устройствах путем дросселирования, при этом на каждой тонне пар теряется 40-50

кВт*ч энергии. Указанный перепад давления может быть использован для *

производства электрической энергии в автономной энергогенерирующей установке, состоящей из парового двигателя и электрического генератора. Это позволит не только существенно снизить себестоимость

*

вырабатываемого тепла, но и обеспечить надежное электроснабжение котельной.

Цель работы. Целью работы является повышение эффективности работы паровых котельных за счет использования свободного перепада давления пара для выработки электрической энергии в когенерационной установке с винтовым двигателем.

Для достижения поставленной цели требуется решение следующих

задач:

— разработать математическую модель винтового двигателя и провести расчетное исследование режимов его работы;

— экспериментально проверить работоспособность двигателя и адекватность разработанной математической модели;

— провести оптимизацию характеристик винтового двигателя для условий его эксплуатации по тепловому графику в паровых котельных;

-5- разработать методику расчета и выбора геометрических параметров двигателя и режимов работы ^генерационной установке в соответствии с переменной теплопроизводительностью котельной для получения максимально возможной годовой выработки электрической энергии.

Научная новизна.

В диссертационной работе получены новые научные результаты:

— разработана математическая модель винтового двигателя, работающего на различных рабочих телах, в том числе на водяном паре;

проведена экспериментальная проверка адекватности математической модели винтового детандера;

— получены режимные характеристики винтового двигателя при его работе на водяном паре; .

— предложена методика выбора геометрических параметров двигателя, режимов его работы в соответствии с переменной теплопроизводительностью котельной для получения максимальной годовой выработки электрической энергии.

Методы и средства выполнения исследований.

Для решения поставленных в диссертационной работе задач использовались общепринятые методы термодинамических расчетов процессов с переменной массой рабочего тела. При разработке методики расчета использовались методы математического анализа, пакеты прикладных программ (Excel, Mathcad), а также аппроксимирующие

уравнения для используемой области Ь-з-диаграммы водяного пара. Экспериментальная проверка математической модели осуществлялась на эдектрогенераторном комплексе ДГУ-250,

К защите представляются следующие основные положения:

— математическая модель винтового двигателя, работающего на различных рабочих телах, в том числе на водяном паре;

• . — результаты расчетного и экспериментального исследования винтового двигателя;

результаты оптимизации геометрических и режимных

характеристик винтового двигателя;

*

— методика бы бора геометрических параметров двигателя и режимов его работы в соответствии с переменной теплопроизводительностью котельной для подучен ия максимальной годовой выработки электроэнергии;

рекомендации по выбору типоразмера, геометрических характеристик и режима работы винтрвой расширительной машины для конкретного источника тепловой энергии. Практическая значимость.

Внедрение коагенерционных установок с винтовым двигателем1 в паровые котельные является энергосберегающим мероприятием, т. к. позволит исключить потери энергии при редуцировании пара..

Отказ от покупной электроэнергии позволит значительно уменьшить себестоимость вырабатываемого тепла, повысить надежность электроснабжения источника, а также уменьшить экологический вред от выбросов в атмосферу.

Рекомендации, разработанные на основе анализа режимов совместной работы систем теплоснабжения и парового двигателя, позволяют осуществить рациональный выбор геометрических параметров и Производительности винтового двигателя, а также режима его работы в зависимости от величины и характера присоединенной тепловой нагрузки. Предложенные методики позволяют определить величину годовой выработки электроэнергии, рентабельность, экономическую эффективность и срок окупаемости данной установки. Реализация результатов.

Результаты проведенных по разработанной методике расчетных и экспериментальных исследований положены в основу корректировки технической документации на детандер-генераторную установку с целью постановки ее на производство

Изготовленный и исследованный опытно-промышленный образец винтового двигателя в составе когенерационной установки ДГУ-250 планируется к установке на одной из паровых котельных.

Методика подбора геометрических параметров и производительности двигателя для максимального покрытия годового

графика тепловой нагрузки котельной передана в ООО «Теплопроектстрой» для использования при проектировании детандер-генераторных комплексов.

Апробация работы.

Результаты исследований, представленные в диссертационной работе, докладывались и обсуждались на Международном научно-техническом семинаре «Энергосбережение и возобновляемая энергетика — 2005» ( г.Сочи), V Международной научно-технической конференции повышение эффективности производства электроэнергии» (г. Новочеркасск, 2005г.), Международной научно-технической конференции

9

«Энергетика XXI века» (Крым, 2005), научно-техническом семинаре предприятия «Краснодарская ТЭЦ» АО «Кубаньэнерго»(Краснодар, 2005г.), заседании кафедры «Промышленная теплоэнергетика и ТЭС» КубГТУ (Краснодар, 2006г.), четвертой южнороссийской научной конференция! «Энерго- и ресурсосберегающие технологии и установки».

Публика пни. По результатам выполненных исследований опубликовано 9 работ.

Структура и объем диссертации.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Работа изложена на 118 страницах, включая 36 рисунков, 5 таблиц. Список используемой литературы включает 117 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы. Отмечается наличие потерь энергии в котельных при редуцировании потоков пара, указывается на ненадежность работы источников тепла при авариях в системах электроснабжения, которые приводят к прекращению теплоснабжения. Сформулированы цели и задачи исследования.

Первая глава диссертационной работы посвящена обзору отечественной и зарубежной литературы в области повышения эффективности источников тепла при организации в них производства электрической энергии, т.е. при реконструкции котельных в мини-ТЭЦ.

Отмечена существующая тенденция энергопотребителей » к разработке и внедрению собственных источников энергоснабжения.

Рассмотрены и проанализированы известные методы организации комбинированного производства тепловой и электрической энергии в существующих котельных, ‘ включая использование газотурбинных агрегатов (ГТУ), двигателей внутреннего сгорания, паротурбинных установок (ПТУ). Отмечены достоинства и недостатки каждого из этих технических решений.

Обоснована целесообразность использования в . области электрических мощностей кооперационных комплексов до 500 кВт винтовых двигателей.

Проанализирован отечественный и зарубежный опыт использования винтовых расширительных машин в разных отраслях промышленности. С учетом изложенного сформулированы задачи исследования. Во второй главе показано, что для осуществления совместной работы котельной, электрогенераторного комплекса и системы теплоснабжения необходимо иметь возможность с достаточной степенью точности прогнозировать характеристики винтового двигателя и параметры рабочего тела в процессе расширения.

Для решения этой задачи в данной главе разработана математическая модель рабочего процесса детандера. (9 + Ьф)К*{<Р +

(<р + Д;

Ай- результирующее изменение массы пара в полости; ДА — приращение энтальпии в полости, которое является

результирующей величиной трех составляющих:

— увеличения объема при изоэнтропном расширении от У{<р) до У{ф+Д$?)

— изменение массы пара из-за натечек и утечек

— от смешения с паром, натекающим в полость.

На основе уравнения (4) были разработаны программы расчета рабочего процесса ВРМ на сухом, перегретом и влажном паре.

Для расчета рабочего процесса двигателя на влажном паре нами было разработано математическое описание ЬБ- диаграммы в области протекания исследуемых процессов в виде комплекса аппроксимирующих уравнений.

Одной из основных характеристик работы винтового двигателя является адиабатный КПД, который может быть представлен в виде произведения частных коэффициентов

где т\уТ)¥цг — соответственно коэффициенты, учитывающие потери с протечками, отклонениями режима от расчетного, гидравлические потери. В работе предложены уравнения для расчета этих показателей. Расход рабочего тела через ВРМ

Лад —ЩЛрПг,

(5)

(6)

Внутренняя мощность ВРМ Щ = О (/?„

(7)

Электрическая мощность на клеммах генератора определяется с учетом механических потерь в двигателе., редукторе и генераторе.

Материалы, полученные при расчетах по предложенной методике, позволяют осуществлять прогнозирование показателей детандер-генераторных установок с ВРМ и оптимизировать их геометрические параметры для максимального покрытия тепловой нагрузки конкретного источника тепла, а также выполнять технико-экономические расчеты для оценки эффективности предлагаемых технических решений,

В третьей главе дано описание конструкции и схемы опытно-промышленного образца детандер-генераторной установки ДГУ-250 с винтовом двигателем, а также приведены результаты расчетного и экспериментального исследования ее работы на сжатом воздухе и дано-сопоставление экспериментальных характеристик с расчетными данными.

Коагенерационная установка ДГУ-250 состоит из винтового двигателя, редуктора, электрогенератора и щита управления. Стенд, на котором производились испытания установки, оборудован приборами для измерения и регистрации температур, давлений, расхода рабочего тела, а также скорости вращения роторов винтовой расширительной машины.

При проведении испытаний ВРМ на сжатом воздухе в условиях завода изготовителя была подтверждена работоспособность комплекса и всех систем, а также получены экспериментальные зависимости О = /(п, /(л, Рм), = /(л, Ркх).

Используя разработанную математическую модель ВРМ, те же зависимости были получены расчетным путем.

Результаты сопоставления опытных и расчетных показателей (расхождение не превышает 7 %) позволяют сделать вывод о достаточной адекватности предложенной математической модели.

Кроме того, в условиях работы ВРМ в паровых котельных, входящих в систему теплоснабжения, основным фактором, определяющим режим работы комплекса, является меняющаяся тепловая нагрузка источника тепла, и как следствие* изменение входного давления пара Рех. Это потребовало рассмотреть влияние Рвх и п на основные показатели установки Рис (1,2,3)

Важным преимуществом ВРМ перед другими типами расширительных машин является положительное влияние наличия жидкой фазы в потоке расширяющегося газа на показатели работы двигателя.

При работе на водяном паре конденсат не только может

«

образовываться в рабочей полости при снижении давления, но и поступать в машину вместе с паром, В результате под действием центробежных сил на поверхности расточки корпуса и на боковых поверхностях зубьев появляется пленка конденсата, толщина которой в зависимости от количества конденсата может оказаться сопоставимой с величиной зазоров в машине. Заполнение зазоров жидкой пленкой существенно снижает перетечки между полостями, что заметно повышает КПД винтового

кг/ч

12000

10000 8000 6000 4000 2000 0

1500 2500

3500 4500

-0,4 МП» -1 МПа

-0,6 МПа -1а МПа

_5500 -О, а мпа| -1,4 МПа I

6500

Рисунок 1 — Зависимость расхода пара от частоты вращения ведущего ротора при различных значениях Рвх.

Рисунок 2 — Зависимость мощности ДГУ от частоты вращения ведущего винта и различных значениях Рвх.

Рисунок 3 — Зависимость адиабатного КПД двигателя от Рв* при „ различной частоте вращения.

двигателя. Расчеты по разработанной программе показали, что при уменьшении величины зазоров в 2 раза КПД машины возрастает на 8 %.

Четвертая глава посвящена рассмотрению условий наиболее эффективной совместной работы ВРМ и систем теплоснабжения при переменной тепловой нагрузке потребителей. На рис 4 приведена принципиальная схема включения электрогенераторного комплекса в тепловую схему котельной. Покрытие пиковой части теплового графика предусмотрено через регулятор давления 5.

5

Рисунок 4 — Принципиальная схема паровой котельной с ВРМ 1- паровой котел, 2 — деаэратор, 3- расширительная машина, 4 — генератор, 5-редукционный клапан, б-регулятор давления, 7- сетевой подогреватель, 8-питательный насос, 9- сетевой насос, 10 — потребитель. , в основном за счет появления потерь от несоответствия внутренней и внешней степеней понижения давления, что учитывается режимным КПД двигателя.

В данной главе рассмотрены возможности регулирования расхода пара через ВРМ за счет изменения частоты вращения роторов, а также за счет давления пара на входе в машину и выходе из нее.

Установлено, что наиболее широкие возможности изменения

расхода пара дает регулирование частоты вращения роторов, однако при работе в параллель с системой электроснабжения использовать этот вариант регулирования не представляется возможным.

Определение зависимости тепяопроизводительности ВРМ от :давления до и после расширительной машины показало, что изменение Рв* приводит к практически линейному изменению расхода пара через двигатель, а варьирование выходного давления Рг крайне незначительно (2-3%) сказывается на величине р. Следовательно, регулирование теплопроизводительности ВРМ в соответствии с меняющейся тепловой нагрузкой котельной практически возмо;кно только за счет изменяющегося давления пара на входе в машину.

При этом верхний предел теплопроизводительности определяется максимальной величиной давления пара, поступающего в машину. При снижении входного давления соответственно уменьшается массовый расход пара и следовательно теплопроизводительность и мощность ВРМ.

Предложено минимальную теплопроизводительность ВРМ определять из условия равенства электрической мощности Ыэ, вырабатываемой электрогенератором, величине собственных нужд котельной Ысн. Очевидно, что если вырабатываемая мощность не покрывает собственные нужды источника, использование ко генерационной установки теряет смысл.

Для обеспечения круглогодового использования когенерационной установки необходимо также выдержать условие <. Qr™c,

Существенное расширение диапазона регулирования

теплопроизводительности машины можно получить, изменяя

у

геометрическую степень расширения двигателя ег = где Унр — объем

*НР

парной полости в момент начала расширения.

Увеличение теплопроизводительности ВРМ возможно за счет снижения геометрической степени расширения, т.к. при этом возрастает расход пара через машину. Это позволит существенно увеличить покрытие тепловой нагрузки паром, отработавшим в ВРМ. При этом общая годовая выработка электроэнергии возрастает. Поскольку ег является конструктивным параметром, ее величина может закладываться при проектировании впускного окна машины, исходя из требуемой теплопроизводительности ВРМ для данной котельной.

На рис 5 верхняя кривая отображает годовую выработку электроэнергии Эг для исследуемого агрегата при различных значениях ег. Максимальное значение Эг достигается при £г=2,15 и составляет 1,98 млн. кВт*ч, в т.ч. за отопительный период 1,36 млн. кВт*ч, за летний сезон 0,62 млн кВт*ч.

Анализ приведенных сезонных графиков показывает, что для покрытия летней нагрузки ГВС целесообразно иметь большие значения ег>

т.к. при этом будет максимально использоваться потенциальная энергия пара, поступающего в ВРМ. Суммарная выработка электроэнергии за летний сезон при этом возрастает с увеличением ег.

-»—выработка летняя, кВТ*ч вы работка зи м няя, кВ т*ч *— выработка годовая, кВт*ч

Рисунок 5 — Выработка электроэнергии за отопительный и летний периоды работы котельной. ‘ В отопительный период в связи с необходимостью покрывать возрастающую тепловую нагрузку целесообразно иметь машину с малыми значениями ег. В этом случае выработка электроэнергии за отопительный

сезон возрастает за счет увеличения расхода пара через машину т.к. > *

увеличивается объем заполняемой полости,

С учетом изложенного предложено, исходя из годового графика тепловой нагрузки, при проектировании машины, под конкретную котельную, предусмотреть возможность замены окна впуска при переходе с отопительного сезона на летний и наоборот. Размеры впускного окна

однозначно определяют величину объема полости в начале расширения, а следовательно и ег% расход пара через машину. i) и Хэ = /(Р2) при Рт = const указывают на возможность использовать изменение противодавления за ВРМ для увеличения электрической мощности и годового производства электроэнергии комплексом при безусловном покрытии б;13овой части теплового графика.

Для реализации данного предложения достаточно установить регулятор противодавления за ВРМ, работающий по программе, увязанной с требуемой температурой нагрева сетевой воды в соответствии с температурным графиком системы теплоснабжения. В частности в летний период давление пара за ВРМ Рг может быть максимально понижено, что

позволит в течение всего периода иметь повышенную мощность двигателя, а следовательно и увеличить выработку электроэнергии.

В заключительной части главы приведены полученные расчетным путем поля тепловых нагрузок, покрываемых винтовыми двигателями 6-ой (¿=250 мм) и 7-ой (с1=315 мм) базы. Изложена методика подбора конструктивных параметров ВРМ для конкретной котельной. Даны рекомендации, направленные на получение максимальной годовой выработки электроэнергии.

Проведенная технико-экономическая оценка внедрения ДГУ-250 в одной из котельных показала, что годовая выработка электроэнергии составляет 2 400 тыс. кВт*ч и срок окупаемости не превышает 1,8 года, ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ

1. Выполнен анализ известных технических решений по организации комбинированной выработки тепловой и электрической энергии в котельных. Установлено, что в условиях меняющейся тепловой нагрузки работа агрегатов по тепловому графику связана с существенным ухудшением их эффективности.

2. Предложена математическая модель ВРМ, на основании которой разработана методика расчета рабочего процесса для водяного пара, учитывающая переменность массы, явление конденсации в рабочих полостях и наличие жидкой фазы в потоке.

3. Проведена наладка систем голоьного образца детандер-

генераторной установки и получены экспериментальные характеристики ВРМ, подтверждающие ее работоспособность и адекватность разработанной математической модели машины.

4. Проведено расчетное исследование работы ВРМ на водяном паре. Установлено, что КПД двигателя находится, в пределах 0,65-0,75 и незначительно меняется в широком диапазоне частоты вращения роторов и начального давления пара, что указывает на возможность эффективной работы ДГУ при значительных колебаниях тепловой нагрузки.

5. Показано, что заполнение зазоров в машине сконденсировавшейся влагой приводит к заметному увеличению ее КПД за счет уменьшения величины протечек

6. Выполнен анализ совместной работы ДГУ с -системой теплоснабжения в условиях меняющейся тепловой нагрузки. Проанализированы возможности регулирования режима работы ВРМ.

7. Разработана методика оптимизации годовой выработки • электроэнергии на базе теплового потребления для котельных с различными величинами и соотношениями зимней и летней нагрузок.

8. Даны рекомендации по подбору типоразмера и геометрических

параметров ВРМ с целью получения максимальной годовой выработки »

электроэнергии. Показано, что практически весь диапазон тепловых нагрузок от 4 до 75 ГДж/ч при применении предложенных методов регулирования покрывается двумя типоразмерами ВРМ (6ой и 7ой базы).

9. Результаты исследования позволят ставить вопрос о широком

внедрении установок данного типа в производственных и отопительных # *

паровых котельных.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах диссертанта:

1. Репин A.JI. Когенерационная установка для паровых котельных// Материалы V международной *> конференции.-Новочеркасск,2005.-С. 31-34.

2. Репин А.Л. Расчетные исследования когенерационной установки для паровых котельных// Энергосбережение и водоподготовка № 2, 2006.-С.71-72.

3. Репин А.Л. Перспективы производства электроэнергии и холода на газотурбинных станциях. // Материалы четвертой южнороссийской научной конференции. «Эиерго- и ресурсосберегающие технологии и установки». Краснодар. 2005.-С. 27-30.

4. Репин АЛ, К вопросу о повышении надежности электроснабжения паровых котельных// Материалы четвертой южнороссийской научной конференции. «Энерго- и ресурсосберегающие технологии и установки». Краснодар. 2005. -С. 27-30.

5. Репин А.Л., Репин Л.А. Возможности использования энергии давления природного газа на малых газораспределительных станциях/ Энергосбережение. № 3, 2004.- С. 70-72.

6. Репин Л,А., Чернн P.A., Репин А.Л. Методика расчета рабочего процесса винтового парового двигателя// Материалы V международной конференции. Новочеркасск, 2005. -С. 28-31.

7. Репин Л.А., Чернин P.A., Репин А.Л. Электрогенерирующий комплекс для паровой котельной// Материалы Международно го научно-технического семинара. Сочи, 2005 г.

8. Репин А.Л. Автономное электроснабжение котельной с использованием цикла на низкокипящем рабочем теле// Материалы международной конференции «Проблемы энергетики», Крым, 2004

9. Репин Л.А., Чернин P.A., Репин А.Л. Некоторые результаты расчетного исследования электрогенерирующего комплекса для паровой котельной// Материалы Международного научно-технического семинара. Сочи, 2005 г.

Подписано в печать. О Р>УО, SjOOGt Зак. KsТираж fiOCi Типография КуШТУ, 350058; Краснодар, Старокубанская, 88/4

Консультации — Инженер по подбору | Проектирование ТЭЦ

Цели обучения

• Узнайте, подходит ли комбинированное производство тепла и электроэнергии для проекта.
• Узнайте о паровой и электрической нагрузке и мощности систем ТЭЦ.
• Поймите, как выбрать подходящие системы генерации для объекта, чтобы достичь максимальной производительности.

Комбинированные теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) вырабатывают как электроэнергию, так и полезное тепло.Эти когенерационные системы часто используются в колледжах или промышленных кампусах, а также в больницах. Они предлагают высокоэффективную работу, простоту обслуживания системы и надежную конструкцию. Обычная выработка электроэнергии с использованием турбогенератора обычно имеет КПД только от 40% до 45%. Турбина механически приводит в действие вал генератора, но тепло от сгорания природного газа отводится в атмосферу. Когенерация использует потраченную впустую тепловую энергию для повышения теплового КПД до более чем 80%.Это можно сделать с помощью парогенератора-утилизатора (HRSG).

Помимо повышения общей эффективности системы, ТЭЦ снижает выбросы загрязнителей воздуха и обеспечивает другие экологические преимущества. Агентство по охране окружающей среды США предлагает дополнительную информацию об экологических преимуществах ТЭЦ.

Проектирование действующей ТЭЦ

Проект, разрабатываемый Stanley Consultants, включает добавление турбогенератора, работающего на природном газе, и котла-утилизатора на новом предприятии, примыкающем к существующей котельной промышленного городка.Электроэнергия будет производиться на месте и будет дополнять энергоснабжение кампуса. Тепло выхлопных газов турбины будет использоваться для производства пара, который будет использоваться для производства котельной.

Новый объект будет включать газотурбинный генератор номинальной мощностью 6,5 МВт с ПГРТ. Система будет включать байпасную заслонку и байпасную трубу, чтобы газовая турбина могла работать без работающего ПГРТ. Электроэнергия от турбогенератора будет обеспечивать подстанцию ​​и вспомогательную энергию для новой ТЭЦ.

Турбинный генератор будет сжигать природный газ для производства электроэнергии (от 6 200 до 6 800 кВт) в дополнение к электроснабжению кампуса. Выхлопные газы турбины будут использоваться для создания технологического и греющего пара для пополнения паропроизводительности котельной.

HRSG заменит старый газовый котел и будет иметь паропроизводительность 100 000 фунтов / час, что аналогично, но немного больше, чем у списываемого блока. Обычно он будет работать вместе с турбогенератором с дополнительным сжиганием природного газа в дополнительной горелке для регулирования давления в паровом коллекторе.Дополнительная горелка также может позволить ПГРТ работать на полную мощность, если турбина отключена. Минимальная потребность в паре от существующей котельной обычно составляет около 40 000 фунтов / час. ПГРТ был рассчитан на работу на этом уровне паропроизводительности при минимальном дополнительном сжигании.

На основании технических спецификаций Rentech предложила котел-утилизатор с водяной стенкой O-типа. Это было использовано в качестве основы для дизайна.

Расход пара ниже 40 000 фунтов / час будет достигнут за счет регулирования байпасной заслонки для отвода части выхлопных газов турбины из байпасной трубы для снижения выработки пара из ПГРТ.HRSG также снабжен вентилятором приточного воздуха. Вентилятор имеет воздуховод для забора наружного воздуха для сжигания HRSG, когда турбина не работает. Если турбина отключается, вентилятор свежего воздуха автоматически запускается и подает воздух для горения в HRSG, когда байпасная заслонка открывается в положение полного байпаса. Это позволит ПГРТ работать с полной номинальной мощностью независимо от работы турбины.

Приточно-вытяжной воздуховод проходит через крышу ТЭЦ. Сюда входит вентиляционный (приточный и вытяжной) воздух для корпусов турбины и генератора. Уровень шума снижается с помощью глушителей и, при необходимости, специальной конструкции здания. Для входа воздуха для горения в турбину требуется большой фильтр для защиты турбины. При выборе расположения воздуховода необходимо учитывать несколько факторов. Вытяжной воздух направляется в сторону от воздухозаборников, а воздухозаборники поднимаются над уровнем крыши, чтобы избежать попадания снега в воздухозаборники. Был предоставлен доступ для обслуживания фильтра. Также необходимо было рассмотреть возможность строительства будущей ТЭЦ, примыкающей к новому объекту (см. Рисунок 1).

Электрические соединения

Турбогенератор будет подключен к номинальной шине 15 кВ на новом объекте. Трансформатор снизит мощность до 480 В для использования вспомогательными нагрузками турбины и котла-утилизатора. Это электрическое оборудование будет расположено в электрощитовой внутри нового объекта. Два основных источника питания подстанции будут подаваться из этого электрического помещения. Такая конфигурация позволит новой турбине работать в автономном режиме, подавая питание только на собственные вспомогательные нагрузки.Островной режим означает, что турбогенератор продолжает снабжать ТЭЦ электроэнергией, даже несмотря на то, что электроэнергия от электросети больше не поступает. Предполагается, что существующая ТЭЦ всегда сможет подавать питательную воду для котла в новый котел-утилизатор в турбинном цехе.

Электроэнергия на подстанцию ​​будет подаваться по одному из двух резервных источников. Одновременно будет работать только один канал. Электрическая нагрузка системы будет контролироваться с подстанции. Турбогенератор будет работать либо с базовой нагрузкой при фиксированном уровне выработки электроэнергии, либо он может быть настроен на выполнение требуемой нагрузки до максимальной мощности агрегата.

Нормальный режим работы будет заключаться в том, что газовая турбина выдает фиксированное количество электроэнергии на подстанцию ​​и работает параллельно с энергосистемой. Если система когда-либо находится в автономном режиме, она будет способна синхронизироваться с любым электрическим питанием. Отключение нагрузки на подстанции будет производиться вручную. Электроэнергия не может быть возвращена в существующую ТЭЦ.

Однако аварийное питание будет подаваться от ТЭЦ. Существующий аварийный генератор будет подключен к новому объекту для обеспечения мощности «черного старта».Черный старт — это процесс восстановления электростанции без опоры на внешнюю сеть передачи электроэнергии. Этот аварийный генератор имеет достаточную мощность для запуска новой турбины и ее вспомогательных нагрузок только в том случае, если отопительная установка также не использует аварийный генератор для питания нагрузок. Новую турбоустановку нужно запустить в первую очередь и перевести в автономный режим. Тогда аварийный генератор можно использовать для запуска ТЭЦ.

Вспомогательные системы

Существующая станция центрального отопления будет обеспечивать большую часть вспомогательных систем для новой ТЭЦ. Питательная вода котла будет подаваться от существующих питательных насосов котла. Новый трубопровод питательной воды котла соединит существующий коллектор питательной воды котла с новой ТЭЦ. Это избавит от необходимости устанавливать какие-либо новые насосы подпиточной воды, конденсата или подпитки котла. Эти существующие насосы подключены к основной энергосистеме.

Пар: Один паропровод будет проходить от нового HRSG до существующих коллекторов подачи пара на ТЭЦ. Котел-утилизатор будет производить от 30 000 до 100 000 фунтов / час насыщенного пара под давлением 190 фунтов на кв. Дюйм, чтобы дополнить существующее производство котельной.Система трубопроводов рассчитана на установку будущего парогенератора и включает паровой запорный клапан, обратный клапан, предохранительные клапаны, расходомер пара и фланцевые соединения, предназначенные для использования в будущем.

Продувочная и техническая вода: Продувка ПГРТ будет возвращена в существующий продувочный бак. Техническая вода в здание будет также поступать от существующей станции центрального отопления. Линия подачи будет проведена к новому объекту ТЭЦ. Проточный водонагреватель в уборной будет обеспечивать горячую воду в этом месте, а техническая вода будет обеспечиваться на всей территории новой ТЭЦ.

Подача природного газа: Новая линия природного газа будет подавать газ под высоким давлением (минимум 270 фунтов на кв. Дюйм) на новый объект и будет единственным топливом для газовой турбины или HRSG. Этот газ будет подаваться непосредственно в топливную рампу газовой турбины, что устраняет необходимость в газовых компрессорах. Станция понижения давления снизит давление примерно до 30 фунтов на квадратный дюйм для использования ПГРТ. Эта линия низкого давления также будет подключена к существующей линии природного газа на ТЭЦ в качестве резервного источника питания.Вторая станция понижения давления будет обеспечивать природным газом резервные обогреватели здания. Нагреватели не предназначены для поддержания в здании комфортной температуры 68 F при отключенных газовой турбине и HRSG, но будут поддерживать минимальную температуру для защиты оборудования и противопожарных трубопроводов от замерзания.

Смазочное масло: Горячее смазочное масло из турбины будет собираться в бак, перекачиваться в охладитель смазочного масла с воздушным охлаждением на крыше здания ТЭЦ и возвращаться в турбину.Система в первую очередь является неотъемлемой частью оборудования.

Сжатый воздух: Будет предоставлен новый компрессор инструментального воздуха, воздушный ресивер и осушитель воздуха. Эта система будет подключена к существующей системе подачи воздуха. Размер нового воздушного компрессора рассчитан только на новую турбинную установку и не рассчитан на подачу воздуха на существующую установку.

Сточные воды: Сточные воды из здания ТЭЦ включают нефтесодержащие воды, собранные из дренажных труб в полу по всему зданию и из дренажной раковины.Линии слива будут проходить под полом и будут спускаться к общему коллектору, который будет стекать в маслоотделитель / водоотделитель. Сепаратор будет расположен заподлицо с полом здания ТЭЦ с панелью доступа для обслуживания. Вода будет стекать из сепаратора в новый люк. Новый колодец будет подключен к существующей системе сточных вод.

Отопление и вентиляция здания: В новом здании ТЭЦ будет вентиляция в каждом помещении и отопление для защиты от замерзания при отключении блока.Помещение турбины / котла-утилизатора и электрическая комната будут вентилироваться с помощью установленных на крыше вытяжных вентиляторов для втягивания наружного воздуха в пространство через рабочие жалюзи, расположенные на внешних стенах. Из-за тепла, выделяемого оборудованием, эти помещения будут нуждаться в круглогодичной вентиляции, когда оборудование работает. Когда оборудование не работает, газовые обогреватели будут поддерживать температуру не менее 50 F в помещениях, чтобы обеспечить защиту от замерзания. Помещение для обслуживания будет вентилироваться с помощью вытяжного вентилятора, установленного на крыше, для втягивания воздуха в помещение.

Пожарная безопасность и безопасность: Все здание ТЭЦ, включая электрическую комнату, зону обслуживания и коридор, будет иметь спринклерную систему для пожаротушения. Вода для пожаротушения будет подаваться от существующего пожарного насоса в котельной. Новый выделенный противопожарный водопровод будет проложен от нагнетания насоса через котельную до здания ТЭЦ. В помещении технического обслуживания ТЭЦ вода для пожаротушения будет течь через одиночный спринклерный стояк с «мокрым» трубопроводом в спринклерную систему.Контрольное соединение и соединение сиамского шланга будут удобно расположены за пределами здания для доступа пожарной машины. Кроме того, по всему зданию будут установлены огнетушители.

Движение вперед

Stanley Consultants завершила предварительный проект новой ТЭЦ. Финансирование проекта будет осуществляться в рамках соглашения об энергосервисе. Окончательный проект планируется завершить к началу 2015 года, а строительство должно начаться вскоре после этого.Предполагается, что объект будет введен в эксплуатацию в 2016 году и будет обеспечивать возможность выработки 6,5 МВт электроэнергии для использования в кампусе и будет производить 100 000 фунтов пара в час в дополнение к существующей паровой установке за небольшую часть стоимости обычной покупной энергии.

Лучшие практики проектирования ТЭЦ

Чтобы определить, является ли ТЭЦ экономичным вариантом для нового или существующего объекта, необходимо учитывать несколько факторов. Затраты на электричество, топливо, техническое обслуживание и строительство — это лишь некоторые из этих факторов.Другие включают часы работы, тепловую мощность, требования к базовой нагрузке, электрическую и тепловую мощность, коэффициенты использования и предлагаемый размер турбогенератора.

Тарифы на коммунальные услуги можно оценить, изучив прошлые счета за коммунальные услуги. Однако исторические тенденции стоимости коммунальных услуг не обязательно указывают на то, какими будут ставки в будущем. Также учитывайте пиковые ставки спроса на электроэнергию, которые могут оказать значительное влияние на время работы ТЭЦ, и ставки в режиме ожидания, которые могут применяться во время отключений ТЭЦ.Обсудите эти ставки с владельцем объекта и согласитесь на основе экономического анализа.

Необходимо учитывать затраты на эксплуатацию и техническое обслуживание. Могут ли существующие операторы станции использоваться для эксплуатации новой ТЭЦ? Если нет, включите расходы на дополнительный персонал. Если новое оборудование заменяет старое оборудование (например, HRSG заменяет старый котел), то можно рассмотреть возможность избежать затрат на замену старого оборудования. Замена котла на новый HRSG также будет важным фактором при получении нового разрешения на подачу воздуха.

Существует несколько способов финансирования проекта, например, через контракт на проектирование и строительство, контракт на энергоэффективность, предварительные капитальные вложения или другие методы. Каждый проект будет основан на уникальных обстоятельствах и эксплуатационных потребностях владельца объекта и, следовательно, должен быть соответствующим образом смоделирован в финансовом анализе. Часто доступны скидки на коммунальные услуги. Изучите ресурсы EPA на предмет возможных скидок.

ТЭЦ широко используется в промышленности и медицине из-за постоянной потребности в паре в течение всего года для стерилизации или промышленных процессов.Кампусы колледжей, больницы, промышленные объекты и военные базы могут также использовать пар для абсорбционных охладителей в летние месяцы, чтобы увеличить время работы ТЭЦ. Экономия будет зависеть от каждого проекта в зависимости от конкретных тарифов на электроэнергию и использования. Максимальное увеличение количества часов эксплуатации (выработка электроэнергии и пара) максимизирует экономию и, следовательно, минимизирует период окупаемости.

В идеале данные о потреблении энергии должны быть доступны для разработки годовых профилей нагрузки. Для систем, использующих регистрацию данных, должны быть доступны почасовые данные.В противном случае можно использовать среднемесячные значения. Если электрические и паровые счетчики отсутствуют или исторические данные не записаны, необходимо провести исследование всех потребителей энергии в кампусе, чтобы оценить профили нагрузки. Нагрузки должны быть скорректированы для известных будущих проектов, которые могут добавить новых пользователей или удалить существующих. Не забудьте включить дополнительные нагрузки для новой ТЭЦ в скорректированный профиль (см. Рисунок 2).

В этом примере обратите внимание, что энергия пара в кВт (киловатт-тепловая) используется круглый год.В отопительный сезон потребность в паре увеличивается, а потребность в электроэнергии снижается. Среднемесячные значения часто используются для построения кривых спроса. Однако для объектов с большими колебаниями нагрузки следует учитывать дневную или почасовую нагрузку.

Время работы можно определить путем анализа кривых длительности тепловой и электрической нагрузки. Кривая продолжительности электрической нагрузки графически отображает количество часов в год, в течение которых объект потребляет электроэнергию от пиковой нагрузки до нулевой нагрузки. Точно так же кривая продолжительности паровой нагрузки отображает количество часов в году, в течение которых объект потребляет пар от пиковой нагрузки до холостого хода.

Например, на кривой продолжительности паровой нагрузки, показанной на рисунке 3, парогенератор мощностью 70 000 фунтов / час будет работать при полной нагрузке более 6000 часов в год. На графике продолжительности электрической нагрузки генератор мощностью 7 МВт будет работать при полной нагрузке более 6500 часов в год (см. Рисунок 4). Для обеспечения максимальной эффективности необходимо тщательно выбирать мощности ПГРТ и турбогенератора, чтобы свести к минимуму потери тепла и топлива. Если выхлопные газы турбины не обеспечивают тепловую энергию, необходимую для работы ПГРТ с полной нагрузкой, потребуется дополнительное сжигание для создания проектных условий пара.Если энергия выхлопных газов турбины слишком велика для нужд ПГРТ, ее необходимо будет отвести в атмосферу.

Марк Вагнер — старший инженер-механик в Stanley Consultants. Он имеет почти 25-летний опыт в изучении и проектировании центральных станций, энергосбережения и технологических систем для федеральных, образовательных, коммерческих, промышленных и энергетических объектов.

Когенерация (ТЭЦ) | Энергетические решения

Когенерация (ТЭЦ) | Энергетические решения | Решения Flex Energy

Мощность: надежная, чистая и простая.

Когенерация, также известная как комбинированное производство тепла и электроэнергии (ТЭЦ), представляет собой одновременное производство электроэнергии и тепла из природного газа. Flex Turbines ^® восстанавливает тепло, обычно теряемое при традиционном производстве электроэнергии в сети, и использует его для нагрева, охлаждения, осушения и других процессов.

Почти две трети энергии от типичного производства электроэнергии тратится впустую в виде тепла, выделяемого в атмосферу.По сравнению с использованием типичных электростанций и местных котлов, когенерация улавливает и использует тепло, которое в противном случае было бы потрачено впустую, и резко увеличивает общую эффективность.

Коммерческие и промышленные предприятия, стремящиеся достичь своих целей по сокращению выбросов CO ² и охране окружающей среды, могут использовать Flex Turbine для 24/7 ТЭЦ. Flex Turbines использует встроенный теплообменник с горячей водой для эффективного решения ТЭЦ на объекте, повышая энергоэффективность и предоставляя энергоемким предприятиям альтернативу дорогостоящему энергоснабжению.

Flex Turbines может использовать большое количество газообразных топлив для производства надежной электроэнергии и полезной тепловой энергии. Эффективные чиллерные системы также могут быть объединены с Flex Turbines для снижения затрат на охлаждение оборудования для решения 24/7 комбинированного охлаждения тепла и мощности (CCHP).

За счет сокращения выбросов загрязняющих веществ в результате производства электроэнергии и производства тепловой энергии, ТЭЦ от Flex Turbines способствует более чистому воздуху. Это означает улучшение здоровья людей как внутри, так и за пределами окружающего сообщества.

ТЭЦ от Flex Energy Solutions предлагает несколько преимуществ по сравнению с традиционными услугами в области энергетики (например, электричество и пар, поставляемые из сети, или горячая вода из местного бойлера):

УСТОЙЧИВОСТЬ. ТЭЦ может работать независимо от электрической сети, обеспечивая электроэнергией объекты во время отключений сети. Flex Turbines имеет двухрежимный режим и возможность черного старта.

ВЫСОКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ. ТЭЦ может предоставлять те же услуги по энергоснабжению, используя примерно на треть меньше топлива, чем потребовалось бы для обычного генератора и котла.Эффективность более 70% для типичных приложений когенерации в условиях ISO.

ЭКОНОМИЯ РАСХОДОВ. Превосходная эффективность означает более низкие затраты на электроэнергию. ТЭЦ особенно рентабельна для критических энергетических объектов, которые работают непрерывно, имеют высокие затраты на электроэнергию и используют как электрическую, так и тепловую энергию.

НИЖНИЕ ВЫБРОСЫ. За счет сжигания меньшего количества топлива, чем используется обычными энергосистемами, системы ТЭЦ производят меньше выбросов парниковых газов и оксидов азота (NOx). Сертифицирован для использования в трубопроводном природном газе в соответствии со стандартом распределенной генерации Калифорнийского совета по воздушным ресурсам. (CARB)

Потребность в когенерации

Потребность в когенерации

7.1 Потребность в когенерации

Тепловые электростанции являются основным источником электроснабжения в Индии.
Традиционный способ выработки электроэнергии и поставки потребителю
расточительно в том смысле, что только около трети первичной энергии
подается в электростанцию, фактически становится доступным пользователю в
форма электричества (рисунок 7.1). В обычной электростанции КПД
составляет всего 35%, а оставшиеся 65% энергии теряются. Главный источник потерь
в процессе преобразования тепло отводится окружающей воде
или воздух из-за внутренних ограничений различных термодинамических
циклы, используемые в производстве электроэнергии. Также дальнейшие потери около 10-15%
связаны с передачей и распределением электроэнергии в
электрическая сеть.

7.2 Принцип когенерации

Когенерация или комбинированное производство тепла и электроэнергии (ТЭЦ) определяется как
выработка двух разных форм полезной энергии из одной первичной
источник энергии, обычно механическая энергия и тепловая энергия. Механический
энергия может использоваться либо для привода генератора переменного тока для производства электроэнергии,
или вращающееся оборудование, такое как двигатель, компрессор, насос или вентилятор для доставки
различные услуги. Тепловая энергия может использоваться либо для прямого процесса
приложений или для косвенного производства пара, горячей воды, горячего воздуха для
осушитель или охлажденная вода для технологического охлаждения.

Когенерация предоставляет широкий спектр технологий для применения в
различные сферы экономической деятельности. Общая эффективность использования энергии
использование в режиме когенерации может достигать 85 процентов и выше в некоторых случаях.

Например, в схеме, показанной на рис. 7.2, отрасль требует
24 единицы электрической энергии и 34 единицы тепловой энергии. Через отдельные
теплоэнергетический тракт ввод первичной энергии в электростанцию ​​составит 60
единиц (24/0.40). Если для производства пара используется отдельный котел, то
подача топлива в котел составит 40 единиц (34 / 0,85). Если бы у растения было
когенерации, то расход топлива составит всего 68 единиц (24 + 34) / 0,85 т.
удовлетворяют потребности как в электрической, так и в тепловой энергии. Можно наблюдать
что потери, которые в случае 42 единиц, разделили тепло и
мощность снизилась до 10 единиц в режиме когенерации.

Наряду с экономией ископаемого топлива когенерация также позволяет снизить
выбросы парниковых газов (особенно выбросы CO2).Производство
присутствия электричества на объекте снижает нагрузку на инженерные сети
и потери в линиях электропередачи устранены.

Когенерация имеет смысл как с макро, так и с микро точек зрения. В
макроуровне позволяет часть финансового бремени национального
электроэнергетика, которая будет использоваться частным сектором; кроме того, коренные
источники энергии сохранены. На микроуровне общий счет за электроэнергию
пользователей может быть уменьшено, особенно при одновременном
потребность в электроэнергии и тепле на объекте, а также рациональный тариф на электроэнергию
практикуется на даче.

7.3 Технические варианты когенерации

Когенерационные технологии, получившие широкое распространение, включают:
паровые турбины с отбором / противодавлением, газовые турбины с рекуперацией тепла
котел (с паровой турбиной или без него) и поршневые двигатели
с котлом-утилизатором.

7.3.1 Системы когенерации с паровыми турбинами

Два типа паровых турбин наиболее широко используются: противодавление.
и экстракционно-конденсационные типы (см. рисунок 7.3). Выбор между
турбина противодавления и экстракционно-конденсационная турбина зависит в основном
от количества электроэнергии и тепла, качества тепла и экономических факторов.
Точек отбора пара из турбины может быть больше одной,
в зависимости от температурных уровней тепла, необходимого для процессов.

Еще одна разновидность когенерационной системы цикла доливки паровой турбины
турбина с противодавлением и отводом, которая может быть использована там, где
конечному пользователю требуется тепловая энергия на двух разных температурных уровнях.В
паровые турбины с полной конденсацией обычно устанавливаются на объектах, где
тепло, выбрасываемое из технологического процесса, используется для выработки электроэнергии.

Конкретное преимущество использования паровых турбин по сравнению с
другие первичные двигатели — это вариант для использования широкого спектра обычных
а также альтернативные виды топлива, такие как уголь, природный газ, мазут и биомасса.
Эффективность выработки электроэнергии цикла может быть принесена в жертву некоторым
степень для оптимизации теплоснабжения.В когенерации с противодавлением
заводов, нет необходимости в больших градирнях. Паровые турбины
в основном используется там, где потребность в электроэнергии превышает один МВт.
до нескольких сотен МВт. Из-за инерции системы их работа
не подходит для объектов с непостоянным потреблением энергии.

7.3.2 Системы когенерации газовых турбин

Системы когенерации с газовыми турбинами могут производить всю или часть энергии
требования площадки, и энергия, выделяемая при высокой температуре в
выхлопная труба может быть восстановлена ​​для различных применений отопления и охлаждения
(см. рисунок 7.4). Хотя чаще всего используется природный газ, другие виды топлива
также можно использовать легкое жидкое топливо или дизельное топливо. Типичный диапазон
мощности газовых турбин варьируется от долей МВт до примерно 100 МВт.

Когенерация газовых турбин, вероятно, пережила наиболее быстрое развитие
в последние годы из-за большей доступности природного газа, быстрое
прогресс в технологии, значительное снижение затрат на установку,
и лучшие экологические характеристики. Кроме того, период беременности
для разработки проекта короче и оборудование может быть доставлено
по модульному принципу. Газовая турбина имеет короткое время пуска и обеспечивает
гибкость прерывистой работы. Хотя у него слабый нагрев
эффективность преобразования энергии, больше тепла может быть рекуперировано при более высоких температурах.
Если тепловая мощность меньше требуемой пользователем, возможно
иметь дополнительное сжигание природного газа путем смешивания дополнительного топлива с
обогащенный кислородом выхлопной газ для более эффективного повышения тепловой мощности.

С другой стороны, если на объекте требуется больше мощности, это возможно
принять комбинированный цикл, который представляет собой комбинацию газовой турбины и пара
турбинная когенерация. Пар, образующийся из выхлопных газов газа
турбина пропускается через противодавление или отборно-конденсационный пар
турбина для выработки дополнительной мощности. Выхлоп или извлеченный пар
от паровой турбины обеспечивает необходимую тепловую энергию.

7.3.3 ТЭЦ с поршневыми двигателями

Также известные как двигатели внутреннего сгорания (I.C), эти когенерационные
системы обладают высокой эффективностью выработки электроэнергии по сравнению с другими
первичные двигатели. Есть два источника тепла для рекуперации: выхлопные газы.
при высокой температуре и водяная система охлаждения рубашки двигателя при низкой температуре
(см. рисунок 7.5). Поскольку рекуперация тепла может быть достаточно эффективной для небольших
системы, эти системы более популярны с меньшим энергопотреблением.
объекты, особенно те, у которых есть большая потребность в электроэнергии, чем
тепловой энергии и там, где качество требуемого тепла невысокое, e.грамм.
пар низкого давления или горячая вода.

Хотя в прошлом наиболее распространенным топливом было дизельное топливо,
также может работать на мазуте или природном газе. Эти машины
идеально подходят для прерывистой работы, и их характеристики не так чувствительны
к изменениям температуры окружающей среды, как и в газовых турбинах. Хотя
начальные вложения в эти машины низкие, их эксплуатация и техническое обслуживание
затраты высоки из-за высокого износа.

Демонстрация режимов работы ТЭЦ в разные периоды времени.

Контекст 1

… электричество является более качественной формой энергии, чем тепло, было решено, что энергосберегающее абсорбционное охлаждение должно иметь приоритет перед отоплением. Абсорбционное охлаждение требует температур в диапазоне 170 ° C, которые не могут быть обеспечены резервуаром для хранения тепла. Любое тепло, не используемое для охлаждения, подается в резервуар для хранения тепла с более низкой температурой.Теплоаккумулятор покрывает все потребности в отоплении. Тепловое слежение имеет два метода контроля. Если температура накопительного бака падает ниже заданного значения, все тепло, оставшееся после охлаждения, используется для зарядки. Это можно увидеть на рис. 3d, где производство тепла превышает потребность в связи с необходимостью зарядки накопительного бака. Точно так же на рис. 3e показано избыточное тепло, производимое во время пика спроса на электроэнергию, и наоборот. Если уровень температуры находится в допустимых пределах, в резервуар направляется только количество тепла, достаточное для соответствия текущей нагрузке.Это предотвращает колебания потока, сохраняя стабильность моделирования, но также делает возможным разделение тепла. Любое тепло, остающееся после согласования нагрузки, можно отправить в соседнее здание. Если бы разделение тепла соответствовало только температурным уровням резервуаров, это привело бы к разделению тепла, даже если бы собственной системы принимающего здания было бы достаточно для удовлетворения спроса. Это тогда увеличило бы колебания потока, дестабилизируя моделирование, и затруднило бы определение случаев, в которых дополнительное совместное тепло было действительно необходимо или полезно.В то время как ТЭЦ следует режимам работы, резервный котел работает только тогда, когда температура в резервуаре опускается ниже заданного значения. Дефицит потребности в тепле сначала покрывается за счет собственной ТЭЦ здания, затем за счет совместного использования тепла из соседних зданий и только в последнюю очередь за счет котла, если из накопительного бака опорожняется …

Контекст 2

. .. Электроэнергия является более качественной формой энергии, чем тепло, было решено, что энергосберегающее абсорбционное охлаждение должно иметь приоритет перед отоплением.Абсорбционное охлаждение требует температур в диапазоне 170 ° C, которые не могут быть обеспечены резервуаром для хранения тепла. Любое тепло, не используемое для охлаждения, подается в резервуар для хранения тепла с более низкой температурой. Теплоаккумулятор покрывает все потребности в отоплении. Тепловое слежение имеет два метода контроля. Если температура накопительного бака падает ниже заданного значения, все тепло, оставшееся после охлаждения, используется для зарядки. Это можно увидеть на рис. 3d, где производство тепла превышает потребность в связи с необходимостью зарядки накопительного бака. Точно так же на рис. 3e показано избыточное тепло, производимое во время пика спроса на электроэнергию, и наоборот. Если уровень температуры находится в допустимых пределах, в резервуар направляется только количество тепла, достаточное для соответствия текущей нагрузке. Это предотвращает колебания потока, сохраняя стабильность моделирования, но также делает возможным разделение тепла. Любое тепло, остающееся после согласования нагрузки, можно отправить в соседнее здание. Если бы разделение тепла соответствовало только температурным уровням резервуаров, это привело бы к разделению тепла, даже если бы собственной системы принимающего здания было бы достаточно для удовлетворения спроса.Это тогда увеличило бы колебания потока, дестабилизируя моделирование, и затруднило бы определение случаев, в которых дополнительное совместное тепло было действительно необходимо или полезно. В то время как ТЭЦ следует режимам работы, резервный котел работает только тогда, когда температура в резервуаре опускается ниже заданного значения. Дефицит потребности в тепле сначала покрывается за счет собственной ТЭЦ здания, затем за счет совместного использования тепла из соседних зданий и только в последнюю очередь за счет котла, если из накопительного бака опорожняется…

Контекст 3

… помимо размера, различные режимы работы влияют на количество локально используемой энергии и потерь тепла. Номера режимов в Таблице 3 такие же, как и в списке случаев в Таблице 4. Постоянный режим работы был самым простым режимом и использовался для определения максимальной вероятности разделения энергии. Был выбран режим пиковой нагрузки, потому что время пиковой нагрузки может быть наиболее экономически целесообразным для работы местной ТЭЦ. Электрическое и тепловое слежение предназначено для удовлетворения одного типа спроса, позволяя при этом иметь некоторые шансы на совместное использование. Гибридное слежение было протестировано, чтобы увидеть, повышает ли повышенное производство энергии эффективность системы или снижает вероятность совместного использования. Режимы также проиллюстрированы на рис. 3. Приоритет использования тепла ТЭЦ показан ниже …

Контекст 4

… и тепловое слежение предназначены для удовлетворения одного типа спроса с учетом некоторых возможностей совместного использования , Гибридное отслеживание было протестировано, чтобы увидеть, повышает ли повышенное производство энергии эффективность системы или снижает шансы на совместное использование. Режимы также показаны на рисунке 3. …

Контекст 5

… температура накопительного бака падает ниже заданного значения, все тепло, оставшееся после охлаждения, используется для зарядки.Это можно увидеть на Рисунке 3d, где производство тепла превышает потребность в связи с необходимостью зарядки накопительного бака. Точно так же на Рисунке 3e показано избыточное тепло, производимое во время пика спроса на электроэнергию, и наоборот. …

Контекст 6

… можно увидеть на рисунке 3d, где выработка тепла превышает потребность в связи с необходимостью зарядки накопительного бака. Точно так же на рисунке 3e показано избыточное тепло, производимое во время пика спроса на электроэнергию, и наоборот. Если уровень температуры находится в допустимых пределах, в бак направляется только количество тепла, достаточное для соответствия текущей нагрузке….

(PDF) Когенерация и тригенерация на малых предприятиях, работающих на биомассе: современные и передовые концепции.

[3] Вартиайнен Э., Луома П., Хилтунен Дж., Ванханен

Дж. Распределенное производство энергии: технологии,

рынков и выбросы CO2. Хельсинки: Gaia Group

Oy, 2002. (на финском)

[4] Бриджуотер А.В., Тофт А.Дж., Браммер Дж. Технико-экономическое сравнение производства энергии

быстрым пиролизом биомассы с газификацией и сжиганием

.Возобновляемая и устойчивая энергия

Обзоры 2002; (6): 181-248.

[5] Бриджуотер А.В., Пикок ГВЦ. Процессы пиролиза для биомассы Fast

. Обзоры возобновляемых источников энергии и

устойчивой энергетики 2000 г . ; (4): 1-73.

[6] Саид Л., Зевенховен Р. Сравнение двухступенчатого сжигания отходов

с регенерацией HCl

и традиционных установок для сжигания. Энергия

Источники 2002; 24 (1): 41-57.

[7] Зевенховен Р., Саид Л., Фогельхольм К.-Дж.

Оптимизация двухступенчатого процесса сжигания

для твердых отходов с высоким содержанием ПВХ с регенерацией HCl. В:

Proceedings of ECOS 2000 (Международная конференция по

Эффективность, затраты, оптимизация и

Воздействие энергетических систем на окружающую среду),

Нидерланды, 2000.

[8] Демирбас А. Газообразные продукты из биомассы

путем пиролиза и газификации: влияние катализатора

на выход водорода. Преобразование энергии и

Менеджмент 2002: (43): 897-909.

[9] Куркела Э. Обзор финской биомассы

Технологии газификации. Отчет OPET, Финляндия 4.

Эспоо, Финляндия: VTT Energy, 2001.

[10] Кайкко Дж., Хуньяди Л. , Реунанен А., Ларйола Дж.

Сравнение между воздушным дном и

органическим циклом Ренкина как нижними циклами. В:

Proceedings of the 2nd International Heat

Powered Cycles Conference, Paris, 2001.

[11] Gustafsson J-O. Статическое и динамическое моделирование

газовых турбин в сложных циклах.

Лицензионная работа. Департамент тепла и энергии

Инженерное дело, Технологический институт Лунда, 1998.

[12] Розен П. Циклы испарения — теоретически и

на практике. Докторская диссертация. Отдел тепла

и энергетики, Лундский институт технологий

, 2000.

[13] Арригада Дж, Розен П., Ториссон Т. Новая концепция газовой турбины

для комбинированного производства электроэнергии, тепла и охлаждения

. В: Протоколы ASME

TURBO EXPO 2001, Новый Орлеан, 2001.

[14] PROSIM Software, Endat Oy, Tekniikantie

12, 02150 Эспоо, Финляндия.

[15] Столь К., Неергаард М. Дас Комби-Крафтверк

с интегратором Biomassen-Vergasung в

Вернамё / Шведен. VGB Kraftwerkstechnik

1994; 76 (4): 327-330.

ПРИЛОЖЕНИЕ

Расчет холодопроизводительности

Испарение 1 кг хладагента в испарителе

даст охлаждающий эффект примерно

, эквивалентный скрытой теплоте испарения, r2 (или

, точнее = (l- xin) r2, где xin — качество пара

хладагента после дросселирования).Для

стационарных условий необходимо

л хладагента, подаваемого из генератора в конденсатор, из расчета

на каждый кг, подаваемый в испаритель. Это дает отношение

для расчета необходимого тепловложения для генератора

. Энергия, эквивалентная скрытой теплоте

испарения хладагента в условиях генератора

(прибл. = Относительная влажность) плюс любое тепло раствора

(л). Из этого мы можем вывести

, что приблизительно можно оценить COPh согласно

по уравнению (5):

Lr

rx

Q

Q

COP

h

в

gen испаритель

+

⋅−

== 2

) 1 ((5)

Где r = скрытая теплота испарения хладагента

(индекс 2 для условий в испарителе

, индекс h для условий в генераторе

), xin = содержание пара в хладагенте

, поступающем в испаритель из конденсатора

, и L = теплота смешения на 1 кг хладагента

в растворе абсорбера.

Из литературы и информации производителя

были выбраны следующие значения, которые будут использоваться здесь для

при расчете холодопроизводительности: L = 460

кДж / кг h3O, r2 = 2500 кДж / кг, rh = 2290 кДж / кг и

xin = 0,26

С этими значениями оценка для охлаждения

коэффициент производительности COP = 0,67, который был использован

в расчетах в этой статье.

Производительность чиллера теперь может быть

рассчитана с использованием тепла, подаваемого в абсорбционный чиллер

Qc, заданного технологической схемой

расчетов

c

QCOPCapacity

(6)

Производство электроэнергии и когенерация | Задача 32

Для производства энергии за счет сжигания биомассы, паровых турбин и

Пример маломасштабной системы ТЭЦ, работающей на биомассе.На заводе по сушке и упаковке риса в Малайзии рисовая шелуха сжигается в ступенчатой ​​колосниковой печи с водяным охлаждением для выработки пара (17,5 бар) для одноступенчатой ​​турбины с противодавлением мощностью 225 кВт e . Оставшееся тепло используется для сушки рисовых лепешек.

Паропоршневые двигатели

доступны как проверенная технология. В то время как паровые двигатели
доступны в диапазоне мощности от примерно 50 кВт до 1
МВт, паровые турбины охватывают диапазон от 0,5 МВт до более чем 500 МВтэ
с крупнейшей установкой, работающей на биомассе, мощностью около 50 МВт.

Малые паровые турбины обычно строятся с одной ступенью расширения
или несколькими ступенями расширения и работают при довольно низких параметрах пара
в результате применения котлов с дымогарными трубами. Установки мощностью менее 1
МВт обычно работают как ТЭЦ с противодавлением и стремятся к чистому КПД по электроэнергии
от 10% до 12%. Тепло противодавления
может использоваться в качестве технологического тепла.

Паровые поршневые двигатели

также могут использоваться для небольших приложений,
обеспечивает КПД от 6% до 10% в одноступенчатом режиме и от 12% до 20% в многоступенчатом режиме. Паровые двигатели относительно надежны — можно использовать даже насыщенный пар
.

Для крупных паротурбинных установок используются водотрубные котлы и пароперегреватели
, что обеспечивает высокие параметры пара и использование многоступенчатых турбин
. Кроме того, для повышения эффективности реализованы технологические меры, такие как предварительный нагрев питательной воды и промежуточный выпуск
. Этот
обеспечивает КПД электроэнергии около 25% на электростанциях мощностью от 5 до 10 МВт.
На установках мощностью около 50 МВт и более возможно повышение до более 30% в режиме когенерации
и до более 40% при работе в режиме конденсационной установки.

400 кВт e Установка ORC, сжигаемая колосниковой печью на биомассе с использованием опилок и щепы в качестве топлива в Адмонт, Австрия; оставшееся тепло используется для сушки, а — для централизованного теплоснабжения. (Предоставлено Turboden Srl, Италия)

В качестве альтернативы обычным паровым установкам в диапазоне от 0,5 МВт до 2
МВт также доступны органические циклы Ренкина (ORC), использующие термомасляный котел вместо дорогостоящего парового котла
, что позволяет работать при более низких температурах
.Несколько заводов работают на сжигании биомассы. Установки ORC
могут работать без пароперегревателя, поскольку расширение
насыщенного пара органической среды приводит к образованию сухого пара.

Еще одна интересная разработка для маломасштабного производства энергии из биомассы
— это двигатель Стирлинга с внешним зажиганием. Прототип установки
мощностью 30 кВтэ достиг примерно 20% -ного электрического КПД при работе ТЭЦ.
Эффективность до 28% достигается за счет улучшения процесса и увеличения мощности с
до 150 кВтэ. Ожидается, что двигатели Стирлинга в будущем могут обеспечить экономичное маломасштабное производство энергии
путем сжигания биомассы.

Несмотря на высокую сложность, замкнутые циклы газовых турбин или турбины с горячим воздухом
могут стать привлекательными для средних приложений. Однако перед выходом на рынок
разработка процесса и проектирования компонентов

Использование правильного котла для работы экономики электростанции

Котел сегодня
официальный журнал Американской ассоциации производителей котлов
Осень 2015

В наши дни сложно заставить экономику электростанции работать.Угольные заводы в значительной степени исключены из-за нормативных ограничений, которые требуют установки очень дорогостоящего оборудования для сокращения выбросов. Даже газовые электростанции могут оказаться сложной задачей, несмотря на низкую стоимость природного газа в США

.

Но финансовое уравнение становится жизнеспособным, когда газовые турбины используются в режиме комбинированного цикла вместе с парогенератором-утилизатором (HRSG). Отработанное тепло выхлопных газов затем может улавливаться в HRSG и использоваться для производства пара для привода паровой турбины, которая вырабатывает больше электроэнергии.Это приводит к одному из самых высоких уровней эффективности из всех форм генерации. В качестве альтернативы пар, производимый в HRSG, можно использовать как часть промышленных процессов, а также для нагрева и охлаждения. Когда пар используется не для производства большей мощности, это называется комбинированным производством тепла и электроэнергии (ТЭЦ) или когенерацией.

ФЛОРИДА: СОЛНЕЧНЫЙ ПРОГНОЗ ДЛЯ ТЭЦ

Одна такая ТЭЦ строится на острове Амелия на северо-востоке Флориды для обслуживания Rayonier Performance Fibers. Rayonier, поставщик специальных продуктов из целлюлозы, в партнерстве с Florida Power Utilities (FPU) создает Eight Flags Energy. Он объединит газовую турбину Titan 250 мощностью 20 МВт от Solar Turbines и HRSG от RENTECH Boiler Systems из Абилина, штат Техас, чтобы обеспечить возможность работы либо исключительно как электростанция с комбинированным циклом, либо как план ТЭЦ для обслуживания пара и горячее водоснабжение Районье.

Ожидается, что

Eight Flags Energy будет запущен во второй половине 2016 года.Этот новый объект дополнит два котла на биомассе на нынешнем объекте Rayonier на острове, который сжигает кору, древесную щепу и другие материалы для удовлетворения существующих потребностей в паре и электроэнергии. Тем не менее, поскольку эта установка работает почти на предельных значениях пара, планы расширения требовали большей мощности и большего количества пара. Кроме того, это новое здание предлагает компании возможность вывести котел на техническое обслуживание и переключить ПГРТ с подачи энергии на паровую турбину на подачу пара на завод. Это стало возможным благодаря тому факту, что котел-утилизатор сконструирован так, чтобы утилизировать 70 000 фунтов пара в час. Но у него есть возможность увеличить это количество, когда это необходимо, путем включения канальных горелок.

«Канальные горелки RENTECH между газовой турбиной и ПГРТ могут увеличить производство технологического пара до 125 000 фунтов в час», — сказал C.A. Макдональд, генеральный директор Eight Flags Energy Center, сказал. «Мы можем воспользоваться этими дополнительными возможностями пара, когда у нас не работает котел».

При нормальной работе питательная вода для котла будет преобразована в пар, который будет возвращен в Rayonier для использования в производстве целлюлозы.Кроме того, деминерализованная вода будет проходить через экономайзер горячей воды в HRSG, чтобы повысить температуру воды примерно на 70 градусов по Фаренгейту. Эта горячая вода будет возвращена в Rayonier для использования в производственных процессах. Rayonier выполняет все работы по выработке электроэнергии на месте. Поскольку он подключен к сети, он продает избыточную электроэнергию местному коммунальному предприятию Florida Public Utility (FPU). В случае простоя он может потреблять электроэнергию из сети. FPU, в свою очередь, будет использовать электроэнергию, которую производит Eight Flags Energy, для обеспечения примерно половины потребностей в электроэнергии острова Амелия.

«Стоимость станции и договоренность о ценах на избыточную мощность, которую мы достигли с помощью FPU, сделали привлекательным переход на ТЭЦ, работающие на природном газе, по сравнению с другими дополнительными источниками и видами топлива», — сказал Макдональд. «Эксплуатация газовой турбины в режиме простого цикла дала бы нам гораздо более низкий КПД, поэтому без RENTECH HRSG не было бы никакого проекта».

Solar Titan 250 будет работать непрерывно (за исключением техобслуживания) и снабжать FPU приблизительно 20 МВт электроэнергии для местного использования на острове.Наряду с Районье, FPU провела исчерпывающий анализ многих различных типов объектов, включая множество газовых турбин, поршневых двигателей, котлов и HRSG.