Парогазовые когенерационные установки

ПЗ 8. Парогазовые когенерационные установки.

 

Цель: Ознакомление с парогазовыми когенерационными установками и методами их расчета.

Задачи:

- изучить способ реализации  метода когенерации в теплоэнергетике;

- изучить классификацию когенерационных  установок;

- изучить принцип работы парогазовых  когнерационных установок;

- ознакомиться с достоинствами  и недостатками парогазовых когенерационных  установок;

- изучить перспективы развития  когенерационных установок и  метода когенерации в мире;

- рассмотреть термодинамический цикл парогазовой когенерационной установки;

- научиться производить расчет  парогазовых когенерационных установок;

 

 

Введение

В качестве важнейших задач текущего момента развития энергетики является надежное, качественное и экологически безопасное энергоснабжение потребителей на основе внедрения новых прогрессивных видов техники и технологий, эффективного функционирования и развития энергетической системы. Особое место в решении этих задач отводится дальнейшему совершенствованию источников и систем электро- и теплоснабжения.

Существующие системы энергоснабжения городов, базирующиеся на крупных паротурбинных ТЭЦ, постепенно деградируют в результате увеличения количества физически и морально изношенного оборудования, замедления темпов технического перевооружения станций и сетей с использованием передовых технологий, что вызывает снижение надежности энергоснабжения, приводит к увеличению затрат на ремонтное обслуживание и, как следствие, к росту тарифов на энергоносители. Объективно обусловленное удорожание теплоты, отпускаемой от ТЭЦ, а также низкая стоимость газа привели к тому, что в настоящее время сложилась устойчивая тенденция к сооружению промышленными предприятиями, коммунальным сектором собственных котельных и отказу от тепловой энергии ТЭЦ. При этом около 3 млн.кВт мощности турбин с противодавлением простаивают и переведены в резерв из-за отсутствия тепловых нагрузок. При выводе оборудования в резерв электростанции несут дополнительные материальные затраты.

Отказ от комбинированной выработки теплоты и электроэнергии на ТЭЦ в пользу раздельной схемы приводит, как правило, к увеличению расхода топлива в системе энергоснабжения, ухудшает экологическую обстановку в городах и населенных пунктах.

В сложившихся условиях необходимо находить рациональные и эффективные решения по организации энергоснабжения потребителей. Перспективными здесь являются реконструкция и модернизация источников и систем энергоснабжения с использованием передовых технологий, обеспечивающих минимизацию финансовых ресурсов, повышение энергетической и экономической эффективности. На существующих ТЭЦ целесообразна замена изношенного паротурбинного оборудования на газотурбинные и парогазовые установки, а при высокой степени централизации теплоснабжения возможна передача части тепловой нагрузки на строящиеся малые ТЭЦ, которые нашли широкое применение за рубежом в качестве пиковых и полупиковых источников электрической энергии.[1]

 

1 Теоретическая часть

 

1.1 Когенерация

Под понятием когенерация подразумевается комбинированное производство электрической энергии и тепла. По сравнению с классическими электростанциями, где тепло, образованное при производстве электроэнергии, неиспользованное выпускается в окружающее пространство, когенерационные установки его используют для отопления и таким образом экономят как топливо, так и финансовые средства, нужные для его приобретения.[2]

Электрическая энергия образуется на всех электростанциях в процессе вращения электрического генератора с помощью турбины. Tепло, необходимое для производства пара, приводящего в движение турбину, образуется в большинстве случаев в процессе сжигания угля или в результате деления ядер урана. Большая часть тепла, однако, не находит применения и без пользы выбрасывается в окружающую среду. Эффективность теплоэлектростанций составляет около 30 %, современнейшие парогазовые электростанции достигают эффективности около 50 %. К этому следует причислить потери около 11 %, возникающие при трансформации и магистральной передаче электроэнергии. 

В когенерационных установках электрическая энергия образуется подобным способом, как и в остальных электростанциях – при вращении электрогенератора посредством поршневого двигателя внутреннего сгорания. Двигатели когенерационных установок в стандартном исполнении приспособлены для сжигания природного газа, но можно в них сжигать и другое капельное или газообразное топливо. Tепло, возникающее в двигателе внутреннего сгорания, через систему охладителей двигателя, масла и продуктов сгорания в дальнейшем эффективно используется, поэтому производительность когенерационных установок находится в пределах (80÷90) %.[3]

 

1.2 Техническая реализация  технологии когенерации

Технология когенерации это не просто «комбинированное производство электрической (или механической) и тепловой энергии», это уникальная концепция, сочетающая в преимущества когенерации, распределенной энергетики и оптимизации энергопотребления.

Когенерационная установка состоит из четырех основных частей (Рисунок 1).

 

Рисунок 1. Принципиальная схема когенерационной установки.

 

 

В зависимости от существующих требований, роль первичного двигателя может выполнять:

- поршневой двигатель;

- паровая турбина;

- газовая турбина;

- двигатель Стирлинга;

- микротурбина;

- топливные элементы;

- парогазовая установка.

Парогазовая установка основана на комбинации газовой и паровой турбины (первичного двигателя), и она более эффективна только на достаточно больших мощностях (от 30 МВт). Следует отметить, что немалая часть новых мощностей когенерации в мире – это парогазовые системы когенерации.

Электрогенераторы предназначены для преобразования механической энергии вращающегося вала двигателя в электроэнергию. Генераторы могут быть синхронными и асинхронными. Синхронный генератор может работать в автономном режиме или параллельно с сетью. Асинхронный генератор может работать только параллельно с сетью. Если произошел обрыв или другие неполадки в сети, асинхронный генератор прекращает свою работу. Поэтому, для обеспечения гибкости применения распределенных когенерационных энергосистем чаще используются синхронные генераторы.

Система утилизации тепла – основной компонент любой когенерационной системы. Принцип работы основан на использовании энергии отходящих горячих газов двигателя электрогенератора (турбины или поршневого двигателя).

Простейшая схема работы теплоутилизатора состоит в следующем: отходящие газы проходят через теплообменник, где производится перенос тепловой энергии жидкостному теплоносителю (вода, гликоль). После этого охлажденные отходящие газы выбрасываются в атмосферу, при этом их химический и количественный состав не меняется.

Кроме того, в атмосферу уходит и существенная часть неиспользованной тепловой энергии. Тому существует несколько причин:

- для эффективного теплообмена  температура отходящих газов  должна быть выше температуры теплоносителя (не менее чем на 300° С);

- отходящие газы не должны  охлаждаться до температур, при  которых начинается образование  водяного конденсата в дымоходах, что препятствует нормальному выходу газов в атмосферу;

- отходящие газы не должны  охлаждаться до температур, при  которых начинается образования  кислотного конденсата, что приводит  к коррозии материалов (особенно  это справедливо для топлива  с повышенным содержанием сероводорода).

Извлечение дополнительной энергии (скрытой теплоты водяных паров, содержащихся в выхлопных газах) возможно только путем понижения температуры отходящих газов до уровня ниже 100° С, когда водяные пары переходят в жидкую форму. Но при этом необходимо не забывать об ограничениях, указанных выше.

Из вышесказанного следует, что в качестве утилизатора тепла в когенерационной установке трудно использовать готовое типовое теплоэнергетическое оборудование. Теплоутилизатор, как правило, проектируется с учетом параметров и характеристик отходящего потока газов для каждой модели поршневого двигателя или турбогенератора и типа применяемого топлива. Многие производители двигателей имеют собственные наработки или используют продукцию своих партнеров части утилизации тепла, что упрощает проектирование и выбор решения в большинстве случаев.

Для повышения производительности тепловой части когенерационной системы утилизатор может дополняться экономайзером-теплообменником, обеспечивающим предварительный подогрев теплоносителя отходящими из теплоутилизатора газами до его подачи в основной теплообменник, где нагрев теплоносителя обеспечивается уже теплом отходящих газов двигателя. Позитивным моментом, связанным с использованием экономайзера, является дополнительное снижение температуры отходящих газов до уровня 1200° С и ниже.[4]

 

1.3 Виды когенерационных  установок

Тип первичного двигателя — базовый признак, по которому классифицируются системы когенерации. В настоящее время распространены когенерационные установки, представленные в таблице 1.

 

Таблица 1. Классификация когенерационных установок по типу первичного двигателя.

Вид когенерационной установки	Тип первичного двигателя
Газотурбинная	Газовая турбина, паровая турбина
Газопоршневая	Двигатель внутреннего сгорания
Микротурбинная	Газотурбинный генератор

В газотурбинных мини-ТЭЦ роль первичного двигателя (привода электрогенератора) выполняет газовая турбина (ГТ). Установки данного типа используются преимущественно для обеспечения энергетических нужд крупных промышленных потребителей; их применение целесообразно в диапазоне мощностей от 6 МВт и выше. 

К разновидности газотурбинных установок следует отнести паровые турбины, утилизирующие пар от уже действующих котлов. Обычно выходное давление пара значительно выше, чем это необходимо для промышленного потребителя, и его снижают дросселями, при этом на тонне пара теряется около 500 кВт энергии.

Установив параллельно дроссельному устройству турбину с генератором, можно получать электроэнергию. В других случаях может оказаться целесообразным специально установить паровой котел и турбину. В частности, это позволяет использовать для когенерации альтернативное топливо типа древесных отходов. Этим не исчерпываются возможные варианты. Например, для получения электрической энергии с наиболее эффективным использованием топлива разработаны комбинированные парогазотурбинные установки. В них тепло выхлопных газов газотурбинного двигателя утилизируется в паровом котле, а пар приводит в движение отдельно стоящую турбину с собственным электрогенератором. 

Эффективными мощностями, на которых имеет смысл использовать паровые турбины, является диапазон (5÷25) МВт. В нем преимущества паровой турбины — высокая производительность, гибкость по отношению к типу сжигаемого топлива, длительный срок службы, — проявляются наиболее ярко. Впрочем, недостатков тоже хватает: длительный период запуска, большие начальные капиталовложения, дисбаланс производства тепла и электроэнергии, высокий порог эффективного применения.  
Рынок генерации малых и средних мощностей практически заполнен когенераторами двух типов: газопоршневые и микротурбинные. В газопоршневых мини-ТЭЦ приводом электрогенератора служит поршневой ДВС на газообразном топливе. На сегодняшний день этот тип установок является наиболее распространенным. [5]

Основной вид топлива для газопоршневых установок — природный газ. Также в газовых ДВС могут использоваться альтернативные виды газообразного топлива, как высококалорийные (пропан-бутановые смеси), так и газы с низкой и средней теплотворной способностью (древесный, пиролизный, коксовый, попутный нефтяной, биогаз и т. д.). Многие виды газопоршневых когенерационных установок допускают перенастройку с одного вида газового топлива на другой. 

Нижний предел допустимых нагрузок для газопоршневых установок составляет (30÷50) % от номинальной мощности, причем снижение нагрузки в этих пределах почти не влияет на электрический КПД. Ресурс газопоршневых мини-ТЭЦ составляет (200÷250) тыс. моточасов. Газопоршневые установки характеризуются высокой эффективностью топливоиспользования (общий КПД может достигать 90%). Удельная стоимость газопоршневых мини-ТЭЦ находится в пределах $ (750÷1100) за 1 кВт установленной мощности.

Микротурбинные когенераторы представляют собой новейший тип когенерационных установок, в которых выработка тепла и электроэнергии осуществляется газотурбинным генератором малой мощности (25–300 кВт). Единственная движущаяся деталь микротурбинной установки — высокоскоростной вращающийся вал, на котором размещены турбина, электрогенератор и компрессор. Используемый принцип компоновки обеспечивает высокую эксплуатационную надежность и компактность турбинных генераторов.[6]

 

1.4 Выбор когенерационной  установки

В ходе разработки технико-экономического обоснования на строительство автономной теплоэлектростанции необходимо в первую очередь рассчитать возможный экономический эффект. Для этого сравниваются различные варианты покрытия потребности в тепловой и электрической энергии. Классификация затрат на когенерационную установку представлены на рисунке 2.