Интернет журныл о промышленности в Украине

Когенераційні установки на основі двигунів внутрішнього згоряння

При використанні двигунів внутрішнього згоряння (поршневих двигунів) можлива утилізація тепла мастила, охолоджуючої води, а також вихлопних газів, як показано на рис.

У двигунах внутрішнього згоряння (ДВЗ) енергія хімічних зв'язків палива перетворюється на теплову енергію в результаті спалювання. Утворені при згорянні гази розширюються в циліндрі, приводячи в рух поршень. Механічна енергія руху поршня передається маховика за допомогою колінчастого валу, а потім перетворюється в електроенергію за допомогою генератора змінного струму. Завдяки особистій перетворенню енергії високотемпературного теплового розширення в механічну, а потім електричну енергію двигуни внутрішнього згоряння характеризуються найбільшим тепловим ККД (виробництвом електроенергії на одиницю використаного палива) серед одноступінчатих (первинних) двигунів. Як наслідок, вони відрізняються і найменшими питомими викидами CO2 на одиницю виробленої енергії.

Потужність існуючих установок на основі двотактних двигунів з низькими оборотами (<300 об. / Хв.) Може досягати 80 МВте. Потужність існуючих чотиритактних систем із середніми оборотами (300 е. Такі установки, як правило,

використовуються в якості базових систем для постійного виробництва енергії. Чотиритактні системи з високими оборотами (> 1500 об. / Хв.) Мають потужність 3 МВте і зазвичай використовуються в якості пікових джерел.

Найбільш поширеними типами двигунів внутрішнього згоряння є дизель, двигун з іскровим запалюванням і двохпаливний двигун. Установки внутрішнього згоряння можуть використовувати широкий діапазон видів газоподібного і рідкого палива, включаючи природний, попутний, і шахтний гази, газ, що утворюється на полігонах ТПВ, біогаз, продукти піролізу, рідке біопаливо, дизельне паливо, сиру нафту, важкий мазут, паливні емульсії і відходи нафтопереробки.

Установки внутрішнього згоряння можуть використовувати широкий діапазон видів газоподібного і рідкого палива, включаючи природний, попутний, і шахтний гази, газ, що утворюється на полігонах ТПВ, біогаз, продукти піролізу, рідке біопаливо, дизельне паливо, сиру нафту, важкий мазут, паливні емульсії і відходи нафтопереробки

Малюнок. Когенераційна установка на основі двигуна внутрішнього згоряння

Як правило, стаціонарна ДВС-електростанція (тобто, станція, яка не є пересувним генератором) складається з декількох енергоблоків, що працюють паралельно. Ряд незалежно працюючих установок в поєднанні з високим ККД в умовах неповного навантаження забезпечують надійність і гнучкість енергопостачання, дозволяючи найкращим чином задовольняти швидко мінливі потреби. Час запуску подібних систем з холодного стану невелика в порівнянні з аналогічною характеристикою парогазових або парових електростанцій на вугільному, нафтовому або газовому паливі. Запущена система на основі ДВС здатна оперативно реагувати на зміни навантаження, при необхідності забезпечуючи швидку стабілізацію параметрів мережі.

З двигунами внутрішнього згоряння можуть використовуватися замкнуті системи водяного охолодження, що робить водоспоживання відповідних електростанцій вкрай низьким.

Компактна конструкція ДВС-систем робить їх придатними для організації розподіленого виробництва тепла та електроенергії в безпосередній близькості від кінцевих споживачів в міських і промислових районах. Це дозволяє знизити пов'язані з розподілом втрати в трансформаторах, лініях електропередач і трубопроводах. Типові втрати в розподільних і передавальних мережах при централізованому виробництві електроенергії складають 5-8% виробленої енергії; втрати тепла в муніципальних мережах централізованого теплопостачання становлять менше 10%. Слід мати на увазі, що найбільших втрат мають місце в мережах низької напруги, а також в з'єднаннях на рівні

кінцевого споживача. З іншого боку, виробництво електроенергії на великих централізованих електростанціях, як правило, є більш ефективним.

Високий ККД одноступінчатої генерації на основі ДВС в поєднанні з відносно високою температурою вихлопних газів і охолоджуючої води робить цю технологію ідеальним рішенням для когенерації. Як правило, в вихлопних газах міститься близько 30% енергії, що виділяється при спалюванні палива, а в потоках води, що охолоджує - близько 20%. Енергія вихлопних газів може бути утилізована за допомогою котла-утилізатора або теплобоменніка, використовуваних для виробництва пари, гарячої води або гарячого масла. Крім того, гарячі вихлопні гази можуть бути безпосередньо або побічно (за допомогою теплообмінника) використані в різних технологічних процесах, наприклад, для сушки. Потоки води, що охолоджує можуть бути розділені на високотемпературний і низькотемпературний контури. Потенціал утилізації енергії води залежить від мінімальної температури, що відповідає потребам споживача тепла. Потенціал охолоджуючої води може бути використаний практично повністю в централізованій системі теплопостачання з низькими температурами повернення. Утилізація тепла, що відводиться при охолодженні двигуна, в поєднанні з котлом-утилізатором енергії вихлопних газів і економайзером, здатна забезпечити використання (у формі електроенергії і тепла) до 85% енергії рідкого палива і до 90% енергії газоподібного палива.

Теплова енергія може поставлятися кінцевого споживача, в залежності від його потреб, в формі пара (аж до перегрітої пари з тиском до 20 бар), гарячої води або гарячого масла. Тепло може також використовуватися в абсорбційному процесі охолодження для виробництва охолодженої води.

Можливо також використання абсорбційних теплових насосів для підвищення температури води, що охолоджує низькотемпературного контуру до більш високого рівня, що дозволяє використовувати цю воду в системах централізованого теплопостачання з високою температурою повернення.

Для компенсації короткострокових неузгодженостей між графіком потреб в електроенергії і теплі / холоді можуть використовуватися акумулятори гарячої та холодної води.

Типовий ККД (по відношенню до енергії палива) при використанні двигунів внутрішнього згоряння для виробництва електроенергії знаходиться в діапазоні 40-48%; в схемах когенерації з ефективною утилізацією тепла ККД може досягати 85 - 90%. У схемах тригенерації необхідна гнучкість може бути досягнута за рахунок підтримки запасів гарячої та охолодженої води, а також резервних (пікових) потужностей - компресорних холодильних установок і працюють за рахунок безпосереднього спалювання палива резервних водогрійних котлів.

Принципове рішення про використання когенерації та вибір конкретного методу визначаються цілою низкою чинників; навіть підприємства з аналогічними потребами в енергії не можуть вважатися абсолютно однаковими в цьому відношенні. У багатьох випадках принципове рішення про впровадження когенерації визначається наступними факторами:

  • принциповим є наявність достатніх потреб в теплі, що відповідають можливостям когенерації з точки зору кількості, температури і т.п .;
  • наявність у підприємства базисної навантаження, тобто рівня, нижче якого споживання електроенергії опускається рідко;
  • подібний характер графіків потреб в теплової та електричної енергії;
  • співвідношення цін на паливо і тарифів на електроенергію, що забезпечує економічну ефективність когенерації;
  • високий очікуваний рівень завантаження (бажано більше 4-5 тис. год. роботи при повному навантаженні в рік).

В цілому, застосування когенерації виправдано на тих підприємствах, де є значні потреби в теплі при температурах, відповідних низькому або середньому тиску пара. При оцінці потенціалу виробництва з точки зору когенерації важливо переконатися в тому, що немає підстав очікувати істотного скорочення потреб в теплі. В іншому випадку експлуатація системи, розрахованої на виробництво надлишкового тепла, виявиться неефективною.

Використання когенераційних систем на основі двигунів внутрішнього згоряння може бути доцільно на підприємствах, де виконуються наступні умови:

  • потреба в енергії носить циклічний характер і не є постійною;
  • існує потреба в парі низького тиску або гарячій воді середньої / низької температури;
  • потрібно високе значення співвідношення електричної і теплової енергії;
  • якщо доступний природний газ, кращим є використання двигунів внутрішнього згоряння на цьому виді палива;
  • якщо природний газ недоступний, можуть використовуватися дизельні двигуни на мазуті або зрідженому нафтовому газі;
  • при електричної навантаженні менше 1 МВте - іскрове запалювання (доступні системи потужністю від 0,003 до 10 МВте);
  • при електричної навантаженні понад 1 МВте - займання від стиснення (доступні системи потужністю від 3 до 20 МВте).

За матеріалами "Довідкового документа за найкращими доступним технологіям забезпечення енергоефективності"


Газопоршневі установки з утилізацією теплової енергії, 5 (5) 2009 р журнал "Енергорада"

Список використаної літератури