Когенерационни технологии

ЕнергетикаСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 4, 2008

 

Част II. Основни характеристики на двигателите, използвани в мотор-генераторните групи

В предишен брой на списание Инженеринг ревю стартирахме темата за едно от най-актуалните в момента технически решения – комбинираното производство на топлинна и електрическа енергия. Представихме основните му предимства, както и общоевропейската политика, насочена към насърчаване на развитието на когенерацията в държавите-членки на Европейския съюз. Подчертахме, че постигането на висока енергийна ефективност при инвестирането в когенерационно производство не е абсолютно правило, а въпрос на задълбочена технико-икономическа оценка на съществуващите условия. В настоящия брой продължаваме темата с различните видове когенератори в зависимост от вида на основния двигател.

Когенератори с парни турбини

В промишлените когенерационни инсталации парните турбини, в качеството си на основни двигатели, се използват от много години. При тези когенерационни системи произведената от парни котли пара се разширява при преминаване през лопатките на турбина. По този начин топлинната енергия се превръща в механична и се използва от генератора за производство на електроенергия. Електрическата мощност на системата зависи от разликата между наляганията и температурите на парата на входа и изхода на турбината, както и от нейното количество. Най-общо, коефициентът на полезно действие на паротурбинни цикли, използвани единствено за производство на електроенергия, е много нисък - около 25 - 35%. КПД на паротурбинни когенератори в режим само на електропроизводство е по-нисък от ефективността на газовата турбина и двигателя с вътрешно горене. При реализирането на когенерационен цикъл, обаче, сумарната ефективност нараства и би могла да достигне до 80 - 84%.

Тъй като при използването на парна турбина мощността на системата зависи от налягането на парата на входа и на изхода на турбината, за постигането на висока ефективност на системата е необходимо парата да се подава в турбината под високо налягане и с висока температура, например 4,2 МРа при 400 0С или 6,3 МРа при 480 0С. Тези параметри, обаче, обуславят и по-високи изисквания към котелното оборудване, което води и до необходимостта от по-големи първоначални инвестиции. Сред предимствата на тази технология е възможността да се използват различни горива.

Видове парни турбини

Според конструкцията си, използваните в когенерационни инсталации парни турбини са основно два типа - с противоналягане или с пароотнемане.

При турбините с противоналягане, налягането на парата след турбината е по-високо от атмосферното. За загряване на топлоносителя се използва цялото количество пара, а кондензатът се връща към котела. При този тип турбини процесът на добив на топло- и електроенергия е взаимно свързан, а електрическата мощност е функция на консумацията на топлина. Обикновено за покриване на върховите потребности на топлина се използва специален топлообменник, който консумира първична пара. Като предимства на турбините с противоналягане могат да се посочат по-ниската им себестойност в сравнение с другите турбини, по-малката консумация на вода за охлаждане и др.

При парните турбини с пароотнемане, налягането на парата след турбината е по-ниско от атмосферното. При тях част от парата след тракта за високо налягане се отклонява към топлообменника за загряване на топлоносител. Останалата част от парата постъпва в частта на турбината за ниско налягане, а след това в кондензатора. Когато има малка консумация на топлина, парата се насочва към кондензатора и се поддържа пълна електрическа мощност. Основно, добивът на електрическа и топлинна енергия зависи от температурите на входа и на изхода на топлоносителя в мрежата.

Общо за парните турбини са в сила следните предимства - висока производителност, възможност за използване на широк спектър от горива и продължителен срок на експлоатация. Сред недостатъците им са – дългият период на пуск, необходимостта от по-високи начални капиталовложения за единица мощност, сложният и скъп ремонт и други.

Когенератори с газови турбини

Широкото използване на природния газ в енергетиката и разширяването на газопреносната мрежа са сред основните фактори, определящи значителната приложна област на газовите турбини. Обикновено газовите турбини препоръчително се използват за мощности над 5 MW до около 200 - 250 MW. Според специалистите това е диапазонът, в който се постига най-добра ефективност на оборудването.

При газовите турбини в горивната камера се запалва смес от газ и въздух, подаван от турбокомпресор. Получените димни газове с висока температура задвижват турбината на електрогенератора, загряват предварително въздуха, който постъпва в горивната камера, както и водата за топлоснабдителната система, и вече охладени се изхвърлят в атмосферата.

Обикновено, газовите турбини се захранват с природен газ, но биха могли да се използват и други газообразни горива. В повечето случаи се предявяват завишени изисквания към качеството на газа от гледна точка на механични примеси, влажност и др.

Препоръчва се изграждането им на промишлени площадки

Ако газовите турбини се използват само за производство на електроенергия, коефициентът им на полезно действие е от порядъка 25 - 35%, в зависимост от работните параметри и характеристиките на горивото. При работа в режим на комбинирано производство на електрическа енергия и топлина, ефективността би могла да достигне и дори прехвърли 80%. Газовите турбини се характеризират и с много добри екологични параметри, поради ограничените емисии от азотни окиси. Препоръчва се, обаче, тези съоръжения да се разполагат на промишлени площадки, тъй като работата им е съпроводена с високи нива на шум.

Предимствата на газовите турбини са висока надеждност, облекчена експлоатация, кратък период за влизане в режим, малки площи за монтаж и обслужване, възможност за производство на топлина с високи параметри и други. Недостатъците им включват високи нива на шум, необходимост от подготовка на горивото преди изгаряне (очистка, изсушаване, компресия) и други.

Когенератори с двигатели с вътрешно горене

Двигателите с вътрешно горене, които се използват в когенерационните системи, работят при електрическа мощност от 5 до 10 000 kW. Ефективността им при добив на електроенергия е съизмерима с тази на турбините. За двигателите с искрово запалване е около 35%, а за двигателите със запалване чрез компресия е приблизително 38%. При комбинирано производство ефективността им нараства значително и би могла да достигне до 85%.

Когенераторни инсталации с двигатели с вътрешно горене са подходящи да осигуряват независимо топло- и електрозахранване на единични или на група от обекти. Също така при този тип инсталации се наблюдава и разсейване на част от топлината, която се отвежда от системата за охлаждане на двигателите.

Както вече бе споменато, в практиката основно се използват два типа двигатели с вътрешно горене:

със самозапалване (чрез компресия) и с искрово запалване

Двигателите със самозапалване могат да работят с дизелово гориво и с природен газ (с добавено 5% дизелово гориво за самовъзпламеняване на сместа). Обикновено се препоръчва използването на природен газ, поради по-добрите си екологични характеристики, и в по-редки случаи на дизелово гориво. В практиката най-широко приложение са намерили двигателите със самозапалване с изходяща електрическа мощност 15 МW. Изходната електрическа и топлинна мощност на двигателите с искрово запалване е по-ниска от мощността на двигателите със самозапалване. Например, електрическата им мощност е по-ниска с около 15 - 20%. Тези двигатели могат да работят както с чист природен газ, така и с биогаз.

При използването на двигатели с вътрешно горене топлинната енергия обикновено се оползотворява, като се произвежда пара с налягане до 1,5 МРа, гореща вода с температура до 100 0С или изходящите димни газове се отвеждат непосредствено в сушилни или други инсталации.

Не се препоръчва натоварване под 50%

Икономическата ефективност на когенерационните инсталации с тези двигатели силно се влияе от годишната им продължителност на експлоатация. Препоръчително е да не се допуска работа с натоварване под 50% за дълъг период от време. Също така за увеличаване на периода на експлоатация се препоръчва изграждането на инсталации, чиято номинална топлинна мощност е около 50% от тази на консуматорите. По този начин се удовлетворяват около 80% от нуждите на консуматорите, а разликата се поема от върхов котел. Ако към системата се включи и абсорбционна машина, е възможно да се добива и студена вода за климатични инсталации.

При монтиране на двигателите е добре да се вземат предвид генерираните вибрации и шум, който е относително силен, но по-слаб в сравнение с газовите турбини. Обикновено за намаляване на високите емисии на вредни вещества се използват външни каталитични филтри или се цели подобряване конструктивните характеристики на самите двигатели, като увеличаване на времето на горене и степента на изгаряне на горивната смес.

Сред предимствата им са високата производителност, относително малката първоначална инвестиция, възможността да се използва широка гама от горива и др. Основните им недостатъци са високите емисии на вредни вещества, изхвърляни в атмосферата, значителните нива на нискочестотен шум, ниската топлинна ефективност и други.

Комбинирани когенераторни системи

Системите с комбиниран цикъл се изграждат на базата на индустриална газова турбина. В този случай потокът от изходящи газове от турбината се използва за производството на пара с високи температура и налягане, която се подава към парна турбина. Комбинираните системи се използват предимно в приложения, към които са поставени високи изисквания към количеството генерирана електроенергия. Когенерацията се реализира чрез отвеждане на част от топлината от парната турбина.

Тези инсталации работят основно с природен газ, поради което се характеризират с много добри екологични параметри, но също така работата им е съпроводена с високи нива на шум. Препоръчително е изграждането на комбинирани когенераторни инсталации в промишлени зони.

Сред предимствата им са високата производителност, дългият експлоатационен живот, ниските нива на вредни емисии и др. Недостатъците им са свързани с необходимостта от повече място за изграждането им, продължителния и сложен пуск на инсталация, необходимостта от по-големи първоначални капиталовложения, изискването за по-висока квалификация на обслужващия персонал и др.

Когенератори с микротурбини

Според специалисти, микротурбините са подходящи за когенераторни системи с мощност под 1 МW, при които използването на газови турбини не се приема за рационално. Често се използват като двигатели към електрогенератори с неголяма мощност, обикновено в диапазона 25 - 200 kW.

Конструктивно, всички движещи се части на микротурбините - въздушен компресор, генератор и самата турбина, са решени върху общ въртящ се вал. По този начин в конструкцията на микротурбината има само една движеща се част. За охлаждане на двигателя и управляващата електроника обикновено се използва въздух, което намалява експлоатационните разходи на системата. Основното гориво, с което работят микротурбините, е природен газ, но също така могат да се използват и други горива като биогаз, пропан-бутан, дизелово гориво, керосин и др.

Микротурбините в сравнение с всички досега разгледани когенерационни технологии се отличават с най-висока екологичност. Характерни за тях също са ниски нива на шум и отсъствие на вибрации при работа. Микротурбините могат да се монтират и на открити площадки, тъй като в повечето случаи те се изпълняват с влагозащитени корпуси. Ефективността в използването на микротурбини в когенерационни инсталации се определя от температурата на изходящите газове и съотношението на генерираните топлинна и електрическа енергия.

Генерират ниски вредни емисии

Топлинната енергия, произведена от микротурбини, би могла да се използва пряко за сушилни или други промишлени процеси, за отопление или горещо водоснабдяване - чрез подгряване на вода или гликол във външен или интегриран топлообменник и за охлаждане на помещения. Освен това, когенерация на база микротурбини би могла да се реализира като допълнение на индустриални системи за производство на топлинна енергия. Малката единична мощност и възможността за ефективна работа в диапазона 0 - 100% позволява производство на енергия при дълъг срок на експлоатация на инсталацията и икономия на гориво. Когенерацията с микротурбина се приема като подходяща и в случаите, в които като гориво се използва газ с ниска топлотворна способност.

Предимства на микротурбините са високата им надеждност, дългият експлоатационен срок, ниските емисии на вредни вещества и др. Недостатъците им са относително високите начални капиталовложения, сравнително ниската изходяща мощност от един модул и по-високата себестойност на получаваната по този начин електроенергия.

Когенератори с водородни горивни клетки

Използването на водородни клетки като двигатели в системите за когенерация се отличава с редица предимства. Водородните горивни клетки се отличават с висока ефективност, надеждна работа и възможности за удвояване на енергийния КПД на системата.

Сред използваните горивни клетки за когенерация са фосфорно-киселинните и горивните клетки с твърд оксид. При фосфорно-киселинните водородни клетки като електролит се използва течна фосфорна киселина. Коефициентът им на полезно действие при комбинирано производство на топлинна и електрическа енергия е около 85%. Ефективността им при производство само на електроенергия е значително по-ниска и обикновено е в диапазона 37 – 42%. При горивните клетки с твърд оксид като електролит се използва твърда нешуплеста керамична смес. При комбинирано производство на топло- и електроенергия, пълната ефективност на клетката би могла да достигне 80 - 85%.

Когенератори с двигател на Стърлинг

Във връзка с усъвършенстването на когенераторните технологии с ниска изходна мощност, през последните години все повече навлизат стърлинговите двигатели. Те значително се различават от двигателите с вътрешно горене, при които горивният процес се осъществява в самия двигател. Стърлинговият двигател е с външно горене, базиран на херметично затворена система, използваща инертно работеща течност.

Като конструкция, двигателят на Стърлинг се отличава с по-малко движещи се части в сравнение с другите видове двигатели. Стърлинговите двигатели са по-лесни за поддръжка и се характеризират с по-ниски емисии от въглеродни и азотни окиси. Когенераторите, работещи на основата на този принцип, покриват мощностен диапазон, по-висок от 0.5 kW.




Top