Основным элементом комбинированного источника электроэнергии и тепла, в дальнейшем когенератора (когенерационной установки, мини-ТЭЦ), является первичный газовый двигатель внутреннего сгорания с электрогенератором на валу. При работе газопоршневого двигателя утилизируется тепло выхлопных газов или тепло получаемое с охлаждения рубашки двигателя. При этом в среднем на 100 кВт электрической мощности потребитель получает 120-160 кВт тепловой мощности в виде горячей воды 90 С для отопления и горячего водоснабжения.

Таким образом, когенерация удовлетворяет потребности объекта в электроэнергии и бесплатной тепловой энергии. Главное ее преимущество перед обычными системами состоит в том, что преобразование энергии здесь происходит с большей эффективностью, чем достигается существенное сокращение расходов на производство единицы энергии.

Основные условия для успешного применения когенерационных технологии Мини-ТЭЦ

1. При использовании когенерационной установки (мини-ТЭЦ ) в качестве основного источника энергии, то есть при загрузке 365 дней в году, исключая время на плановое обслуживание.

2. При максимальном приближении когенерационной установки (мини-ТЭЦ ) к потребителю тепла и электроэнергии, в этом случае достигаются минимальные потери при транспортировке энергии.

3. При использовании наиболее дешевого первичного топлива - природного газа. Наибольший эффект применения когенерационной установки (мини-ТЭЦ ) достигается при работе в параллель с центральной сетью. При этом возможна продажа излишков электроэнергии, например, в ночное время, а также при прохождении часов утреннего и вечернего максимумов электрической нагрузки. По такому принципу работают 90% энергообъектов в странах Запада. Но в России это не выгодно, так как МРСК готово покупать 1 кВт электрической энергии по оптовой цене. Это примерно 1-1,30 рубль за 1 кВт. А себестоимость одного кВт вместе с обслуживанием составляет 1,50 рублей.

Сферы применения когенерации в Мини-ТЭЦ:

Максимальный эффект применения когенераторов достигается на следующих городских объектах:

Собственные нужды котельных (от 50 до 600 кВт). При реновации котельных, а также при новом строительстве источников тепловой энергии крайне важным является надежность электроснабжения собственных нужд теплоисточника. Применение газового когенератора (газопоршневой электростанции) оправдано здесь тем, что он является надёжным независимым источником электроэнергии, а сброс тепловой энергии когенератора обеспечен в нагрузку теплоисточника.

Больничные комплексы (от 600 до 5000 кВт). Эти комплексы являются потребителями электроэнергии и тепла. Наличие в составе больничного комплекса когенератора дает двойной эффект: снижение расходов на энергообеспечение и повышение надежности электроснабжения ответственных потребителей больницы - операционного блока и блока реанимации за счет ввода независимого источника электроэнергии.

Спортивные сооружения (от 1000 до 9000 кВт). Это, прежде всего, бассейны и аквапарки, где востребованы и электроэнергия, и тепло. В этом случае когенерационная установка (мини-ТЭЦ ) покрывает потребности в электроэнергии, а тепло сбрасывает на поддержание температуры воды.

Электро- и теплоснабжение объектов строительства в центре города (от 300 до 5000 кВт). С этой проблемой встречаются компании, ведущие реновацию старых городских кварталов. Стоимость подключения объектов к инженерным сетям города в ряде случаев соизмерима с объемом инвестиций в собственный когенерационный источник, однако в последнем случае собственником источника остается компания, что приносит ей дополнительную прибыль при эксплуатации жилого комплекса.

Когенерационные системы классифицируются по типам основного двигателя и генератора

Наибольшим преимуществом пользуются газопоршневые двигатели, работающие на газе. Они отличаются высокой производительностью, относительно низким объемом начальных инвестиций, широким выбором моделей по выходной мощности, возможностью работы в автономном режиме, быстрым запуском, использование различных видов топлива.

Основы когенерации мини ТЭЦ

Обычный (традиционный) способ получения электричества и тепла заключается в их раздельной генерации (электростанция и котельная). При этом значительная часть энергии первичного топлива не используется. Можно значительно уменьшить общее потребление топлива путем применения когенерации (совместного производства электроэнергии и тепла).

Когенерация есть термодинамическое производство двух или более форм полезной энергии из единственного первичного источника энергии.

Две наиболее используемые формы энергии - механическая и тепловая. Механическая энергия обычно используется для вращения электрогенератора. Вот почему именно следующее определение часто используется в литературе (несмотря на свою ограниченность).

Когенерация есть комбинированное производство электрической (или механической) и тепловой энергии из одного и того же первичного источника энергии.

Произведенная механическая энергия также может использоваться для поддержания работы вспомогательного оборудования, такого как компрессоры и насосы. Тепловая энергия может использоваться как для отопления, так и для охлаждения. Холод производится абсорбционным модулем, который может функционировать благодаря горячей воде, пару или горячим газам.

При эксплуатации традиционных (паровых) электростанций, в связи с технологическими особенностями процесса генерации энергии, большое количество выработанного тепла сбрасывается в атмосферу через конденсаторы пара, градирни и т.п. Большая часть этого тепла может быть утилизирована и использована для удовлетворения тепловых потребностей, это повышает эффективность с 30-50% для электростанции до 80-90% в системах когенерации. Исследования, разработки и проекты, реализованные в течение последних 25 лет, привели к существенному усовершенствованию технологии, которая теперь действительно является зрелой и надежной. Уровень распространения когенерации в мире позволяет утверждать, что это наиболее эффективная (из существующих) технология энергообеспечения для огромной части потенциальных потребителей.

Преимущества технологии для мини-ТЭЦ

Технология когенерации действительно одна из ведущих в мире. Что интересно, она прекрасно сочетает такие положительные характеристики, которые недавно считались практически несовместимыми. Наиболее важными чертами следует признать высочайшую эффективность использования топлива, более чем удовлетворительные экологические параметры, а также автономность систем когенерации.

Технология, которой посвящен данный ресурс, не просто "комбинированное производство электрической (или механической) и тепловой энергии", - это уникальная концепция, сочетающая преимущества когенерации, распределенной энергетики и оптимизации энергопотребления.

Следует заметить, что качественная реализация проекта требует наличия специфических знаний и опыта, иначе значительная часть преимуществ наверняка будет потеряна. К сожалению, в России очень мало компаний, которые действительно обладают необходимой информацией и могут грамотно реализовать подобные проекты.

Выгоды от использования систем когенерации условно делятся на четыре группы, тесно связанные друг с другом.

Преимущества надёжности когенерации Мини-ТЭЦ

Когенерация - фактически идеальная форма обеспечения энергией с точки зрения безопасности энергоснабжения.

Развитие современных технологий усиливает зависимость человеческой деятельности от энергоснабжения во всех областях: и в доме, и на работе, и на отдыхе. Непосредственная зависимость человеческой жизни от бесперебойного энергоснабжения растёт на транспорте (начиная с лифтов и заканчивая системами обеспечения безопасности на скоростных железнодорожных магистралях) и в медицине, полагающейся сегодня на сложные и дорогие приборы, а не только на стетоскоп и ланцет.

Повсеместное распространение компьютеров только повышает требования к энергоснабжению. Не только "количество", но и "качество" электроэнергии становятся критичными для банков, телекоммуникационных или промышленных компаний. Скачок или сбой напряжения могут повлечь сегодня не просто остановку или порчу машины, но и потерю информации, восстановление которой иногда несравнимо сложнее ремонта оборудования.

Требования к энергоснабжению формулируются просто - надёжность, постоянство. И для многих становится ясно, что на сегодня единственный путь иметь продукт высшего качества - произвести его самому. Военные во всём мире знают это давно, промышленники уже пришли к таким решениям, а семьи и предприятия малого бизнеса начали осознавать преимущества владения электрогенераторами и тепловыми котлами только сейчас. Кризис сложившейся монополизированной энергетической инфраструктуры и начавшаяся либерализация энергетических рынков одновременно и увеличивают степень неопределённости будущего, и привлекают открывающимися возможностями для бизнеса. И тот и другой фактор увеличивают спрос потребителей энергии на собственные генерирующие мощности.

В случае использования системы когенерации потребитель застрахован от перебоев в централизованном энергоснабжении, время от времени возникающих либо вследствие крайнего износа основных фондов в электроэнергетике, либо природных катаклизмов или других непредвиденных причин. У него, скорее всего, не возникнет организационных, финансовых или технических трудностей при росте мощностей предприятия, поскольку не понадобится прокладка новых линий электропередач, строительство новых трансформаторных подстанций, перекладка теплотрасс и т. д. Более того, вновь приобретенные когенераторы встраиваются в уже существующую систему.

Расположение энергоцентра в непосредственной близости от потребителя подразумевает то, что энергоцентр находится в зоне безопасности конкретного предприятия, и энергоснабжение зависит только от потребителя.

Распределенные (автономные) источники энергии, подобные системам когенерации, снижают уязвимость инфраструктуры энергетики. Станции когенерации, рассеянные по Европе и Америке, менее уязвимы к естественному и умышленному разрушению, чем крупные центральные электростанции. Когенерация в основном работает на природном газе и других "бытовых" видах топлива, то есть не требует экстраординарных мер по обеспечению топливом.

Когенерация повышает надежность энергоснабжения сооружений - это существенное преимущество в условиях меняющегося рынка энергии и высокотехнологичного общества. Высоконадежное электроснабжение критически важно для большинства компаний, работающих в информационной, производственной, исследовательской областях, сфере безопасности и т.д.

Экономические преимущества когенерации Мини-ТЭЦ

• Когенерация предлагает превосходный механизм экономического стимулирования.
• Высокие затраты на энергию могут быть уменьшены в несколько раз (Например, при качественной реализации проекта, система когенерации может вырабатывать энергию, себестоимость которой в 7 раз меньше, чем ее же стоимость у "АО-энерго").
• Уменьшение доли энергии в себестоимости продукции позволяет существенно увеличить конкурентоспособность продукта.

Доля энергии в себестоимости продукта колеблется от 10% до 70%, что в 5-10 раз выше мирового уровня. В себестоимости продукции химической промышленности на энергию приходится порядка 70%. В металлургии - до 27%. Темпы роста тарифов на энергию превышают темпы роста цен на продукцию большинства отраслей хозяйства. Это явилось одной из важнейших причин увеличения удельного веса затрат на энергию в себестоимости продукции. Особо следует подчеркнуть, что при уменьшении выпуска промышленной продукции в 3-4 раза потребление энергии на предприятиях сократилось всего лишь в 1,5-2 раза. Использование в производстве морально и физически устаревшего оборудования, объясняемое, прежде всего, отсутствием у большинства промышленных предприятий средств на его замену или модернизацию, приводит к нерациональному расходу энергетических ресурсов и лишь усугубляет ситуацию.

Некачественное электроснабжение - главный фактор замедления экономического роста. Когенерация является практически самым оптимальным вариантом обеспечения надежности снабжения электрической энергией.

Энергозависимая экономика требует все больше и больше энергии для работы и развития. При традиционном энергообеспечении возникает множество организационных, финансовых и технических трудностей при росте мощностей предприятия, поскольку часто необходимы прокладка новых линий электропередач, строительство новых трансформаторных подстанций, перекладка теплотрасс и т.д.

В то же время, когенерация предлагает крайне гибкие и быстрые в плане наращивания мощностей решения. Наращивание мощностей может осуществляться как малыми, так и достаточно большими долями. Этим поддерживается точная взаимосвязь между генерацией и потреблением энергии. Таким образом, обеспечиваются все энергетические нужды, которые всегда сопровождают экономический рост.

Стоимость прокладки энерго коммуникаций и подключение к сетям могут вылиться в сумму, сравнимую или превосходящую стоимость проекта когенерации. Природоохранные ограничения, стоимость земли и воды, государственное регулирование - есть тысячи препятствий для энергокомпании, решившей построить новую мощную электростанцию.

Топливом является газ, его преимуществом является относительная дешевизна, мобильность и доступность.

Когенерация позволяет воздержаться от бесполезных и экономически неэффективных затрат на средства передачи энергии, к тому же исключаются потери при транспортировке энергии, так как энерго генерирующее оборудование установлено в непосредственной близости от потребителя.

Значительное и быстрое снижение эмиссий вредных веществ приносит существенную пользу не только в экологическом контексте. Также имеет место моральное и экономическое удовлетворение подобных усилий: снижение или полное избавление от штрафов, гранты, налоговые льготы, снятие многих экологических ограничений.

Существует несметное количество экономических выгод когенерации, к сожалению, часть этого потенциала остается незамеченной конечными пользователями, промышленностью, бизнесом и властью или не реализованной компаниями-исполнителями.

Когенерация

Когенерация - (название образовано от слов КОмбинированная ГЕНЕРАЦИЯ электроэнергии и тепла) процесс совместной выработки электрической и тепловой энергии. В советской технической литературе распространён термин теплофикация - централизованное теплоснабжение на базе комбинированного производства электроэнергии и тепла на теплоэлектроцентралях. Когенерация широко используется в энергетике , например на ТЭЦ (теплоэлектроцентралях), где рабочее тепло после использования в выработке электроэнергии, применяется для нужд теплоснабжения . Тем самым значительно повышается КПД - до 90 % и даже выше.

Смысл когенерации в том, что при прямой выработке электрической энергией, создаётся возможность утилизировать попутное тепло.

Когенерационные установки (когенераторы) широко используются в малой энергетике (мини-ТЭЦ). И для этого есть следующие причины:

См. также

Ссылки

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Когенерация" в других словарях:

когенерация - Производство тепловой и электрической или механической энергии на одном и том же объекте. Типичный когенерирующий объект производит электроэнергию и пар для использования в промышленных процессах (Термины Рабочей Группы правового регулирования… …

Сущ., кол во синонимов: 2 генерация (7) теплофикация (5) Словарь синонимов ASIS. В.Н. Тришин. 2013 … Словарь синонимов

когенерация - одновременное порождение физического стимула … Толковый переводоведческий словарь

комбинированное теплообразование (когенерация) - 3.1.15 комбинированное теплообразование (когенерация) (cogeneration, combined head and power): Комбинированная выработка тепловой и электрической энергии или механической энергии. Источник …

теплофикация (когенерация) - 3.1.43 теплофикация (когенерация): Комбинированная выработка электрической или механической энергии. Источник: ГОСТ Р 54860 2011: Теплоснабжение зданий. Общие поло … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

ГОСТ Р 54860-2011: Теплоснабжение зданий. Общие положения методики расчета энергопотребности и эффективности систем теплоснабжения - Терминология ГОСТ Р 54860 2011: Теплоснабжение зданий. Общие положения методики расчета энергопотребности и эффективности систем теплоснабжения оригинал документа: 3.1.1 аккумулированное тепло (heat gains): Сохранение и накопление тепла в… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

Проверить информацию. Необходимо проверить точность фактов и достоверность сведений, изложенных в этой статье. На странице обсуждения должны быть пояснения. Мини ТЭЦ (малая теплоэлектроцентраль) теплосиловые установк … Википедия

Теплоэлектростанция - (Thermal power, ТЭС) Определение ТЭС, типы и характеристики ТЭС. классификация ТЭС Определение ТЭС, типы и характеристики ТЭС. классификация ТЭС, устройство ТЭС Содержание Содержание Определение Градирня Характеристики Классификация Типы… … Энциклопедия инвестора

комбинированное теплообразование - когенерация Комбинированная выработка тепловой и электрической энергии или механической энергии. [ГОСТ Р 54860 2025] Тематики теплоснабжение зданий Синонимы когенерация EN cogenerationcombined head and power … Справочник технического переводчика

Теплофикация - 13. Теплофикация Централизованное теплоснабжение при производстве электрической энергии и тепла в едином технологическом цикле

Введение

В настоящем издании приведены общие сведения о процессах производства, передачи и потребления электрической и тепловой энергии, взаимной связи и объективных закономерностях этих процессов, о различных типах электростанций, их характеристиках, условиях совместной работы и комплексного использования. В отдельной главе рассмотрены вопросы энергосбережения.

Производство электрической и тепловой энергии

Общие положения

Энергетика - это совокупность естественных, природных и искусственных, созданных человеком систем, предназначенных для получения, преобразования, распределения и использования энергетических ресурсов всех видов. Энергоресурсами являются все материальные объекты, в которых сосредоточена энергия для возможного использования ее человеком.

Среди различных видов энергии, используемых людьми, электроэнергия выделяется рядом существенных достоинств. Это относительная простота ее производства, возможность передачи на очень большие расстояния, простота преобразования в механическую, тепловую, световую и иную энергию, что делает электроэнергетику важнейшей отраслью жизнедеятельности человека.

Процессы, происходящие при производстве, распределении, потреблении электрической энергии, неразрывно взаимосвязаны. Также взаимосвязаны и объединены установки по выработке, передаче, распределению и преобразованию электроэнергии. Такие объединения называются электроэнергетическими системами (рис.1.1) и являются составной частью энергетической системы. В соответствии с энергетической системой называют совокупность электрических станций, котельных, электрических и тепловых сетей, соединенных между собой и связанных общностью режима в непрерывном процессе производства, преобразования и распределения электроэнергии и теплоты при общем управлении этими режимами.

Составной частью электроэнергетической системы является система электроснабжения, представляющая собой совокупность электроустановок, предназначенных для обеспечения потребителей электрической энергией.

Аналогичное определение можно дать системе теплоснабжения.

Тепловые электрические станции

Получение энергии из топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) посредством их сжигания в настоящее время является наиболее простым и доступным способом производства энергии. Поэтому до 75% всей электроэнергии в стране вырабатывается на тепловых электростанциях (ТЭС). При этом возможны как совместная выработка тепловой и электрической энергии, например, на тепловых электростанциях (ТЭЦ), так и их раздельное производство (рис. 1.2).

Структурная схема ТЭС приведена на рис. 1.3. Работа происходит следующим образом. Система топливоподачи 1 обеспечивает поступление твердого, жидкого или газообразного топлива к горелке 2 парового котла 3. Предварительно топливо соответствующим образом подготавливается, например, уголь дробится до пылевидного состояния в дробилке 4, подсушивается и насыщается воздухом, который дутьевым вентилятором 5 от воздухо-заборника 6 через подогреватель 7 также подается к горелке. Тепло, выделяемое в топке котла, используется для нагрева воды в теплообменниках 8 и образования пара. Вода подается насосом 9 после того, как проходит специальную систему водоподготовки 10. Пар из барабана 11 при высоком давлении и температуре поступает в паровую турбину 12, где энергия пара преобразуется в механическую энергию вращения вала турбины и электрического генератора 13. Синхронный генератор вырабатывает переменный трехфазный ток. Отработанный в турбине пар конденсируется в конденсаторе 14. Для ускорения этого процесса используется холодная вода естественного или искусственного водоема 15 или специальные охладители - градирни. Конденсат насосами вновь подается в парогенератор (котел). Такой цикл называется конденсационным. Электростанции, использующие этот цикл (КЭС), вырабатывают только электрическую энергию. На ТЭЦ часть пара из турбины забирается при определенном давлении до конденсатора и используется для нужд потребителей тепла.

Рис. 1.1.

G - генераторы электроэнергии; Т - трансформаторы; Р - электрические нагрузки;

W - линии электропередачи (ЛЭП); АТ - автотрансформаторы

Рис.1.2.

а - совмещенное производство; б - раздельное производство

Рис.1.3.

Топливо и его приготовление. На ТЭС используется твердое, жидкое или газообразное органическое топливо. Его общая классификация приведена в таблице 1.1 .

Таблица 1.1. Общая классификация топлива

Топливо в том виде, в каком оно сжигается, называется "рабочим топливом”. В состав рабочего топлива (твердого и жидкого) входят: углерод С, водород Н, кислород О, азот N, зола А и влага W. Выражая компоненты топлива в процентах, отнесенных к одному килограмму массы, получают уравнение состава рабочей массы топлива.

Сера называется летучей и составляет часть общего количества серы, находящейся в топливе, остальная негорючая часть серы входит в состав минеральных примесей.

Естественное газообразное топливо содержит: метан, этан, пропан, бутан, углеводороды, азот, углекислый газ. Последние два компонента - балласт. Искусственное газообразное топливо имеет в своём составе метан, окись углерода, водород, углекислый газ, водяные пары, азот, смолы.

Основной теплотехнической характеристикой топлива является теплота сгорания, которая показывает, какое количество теплоты в килоджоулях выделяется при сжигании одного килограмма твердого, жидкого или одного кубического метра газообразного топлива. Различают высшую и низшую теплоту сгорания.

Высшей теплотой сгорания топлива называют количество теплоты, выделяемой топливом при полном его сгорании c учётом теплоты, выделившейся при конденсации водяных паров, которые образуются при горении.

Низшая теплота сгорания отличается от высшей тем, что не учитывает теплоту, затрачиваемую на образование водяных паров, которые находятся в продуктах сгорания. При расчётах используют низшую теплоту сгорания, т.к. теплота водяных паров бесполезно теряется с уходящими в дымовую трубу продуктами сгорания.

Взаимосвязь высшей и низшей теплоты сгорания для рабочеймассы топлива определяется уравнением

Для сравнения различных видов топлива по величине теплоты сгорания введено понятие "условное топливо" (у. т.). Условным считают топливо, низшая теплота сгорания которого при рабочей массе равна 293 кДж/кг для твёрдого и жидкого топлива или 29300 кДж/м3 для газообразного топлива. В соответствии с этим каждое топливо имеет свой тепловой эквивалент Эт = QНР / 29300.

Перевод расхода рабочего натурального топлива в условное производится по уравнению

Вусл = Эт? Вт.

Краткая характеристика отдельных видов топлива приведена в табл.1.2.

Таблица 1.2. Характеристика топлива

Особо следует отметить низшую теплоту сгорания в кДж/кг мазута - 38000...39000, природного газа - 34000...36000, попутного газа - 50000...60000. Кроме того, это топливо практически не содержит влаги и минеральных примесей.

Перед подачей топлива в топку производят его подготовку. Особенно сложна система приготовления твердого топлива, которое последовательно проходит очистку от механических примесей и посторонних предметов, дробление, сушку, пылеприготовление, перемешивание с воздухом.

Система подготовки жидкого и особенно газообразного топлива значительно проще. Кроме тоготакое топливо экологически более чистое, практически не имеет зольности.

Простота транспортировки, легкость автоматизации управления процессами горения, высокая теплота сгорания обусловливают перспективность использования в энергетике природного газа. Однако запасы этого сырья ограничены.

Водоподготовка. Вода, являясь теплоносителем на ТЭС, непрерывно циркулирует по замкнутому контуру. При этом особое значение имеет очистка воды, подаваемой в котел. Конденсат от паровой турбины (рис.1.3) поступает в систему 10 очистки от химических примесей (химводоочистка - ХВО) и свободных газов (деаэрация). В технологическом цикле вода -пар-конденсат неизбежны потери. Поэтому от внешнего источника 15 (пруд, река) через водозабор 16 производится подпитка водяного тракта. Вода, поступающая в котел, предварительно подогревается в экономайзере (теплообменнике) 17 уходящими продуктами сгорания.

Паровой котел. Котел является парогенератором на ТЭС. Основные конструкции представлены на рис.1.4.

Котел барабанного типа имеет стальной барабан 1, в верхней части которого собирается пар. Питательная вода подогревается в экономайзере 2, находящемся в камере 3 уходящих газов, и поступает в барабан. Коллектор 4 замыкает паро-водяной цикл котла. В топочной камере 5 горение топлива при температуре 1500. ..20000С обеспечивает закипание воды. По стальным подъемным трубам 6, имеющим диаметр 30...90 мм и покрывающим поверхность топочной камеры, вода и пар поступают в барабан. Пар из барабана через трубчатый пароперегреватель 7 подается в турбину. Пароперегреватель может выполняться двух - трехступенчатым и предназначен для дополнительного нагрева и сушки пара. Система имеет опускные трубы 8, по которым вода из нижней части барабана опускается в коллектор.

В котле барабанного типа обеспечивается естественная циркуляция воды и пароводяной смеси за счет их разной плотности.

Такая система позволяет получить докритические параметры пара (критической называется точка состояния, в которой исчезает различие в свойствах жидкости и пара): давление до 22,5 МПа, а практически не более 20 МПа; температура до 374°С (без пароперегревателя). При большем давлении нарушается естественная циркуляция воды и пара. Принудительная циркуляция пока не нашла применения в мощных барабанных котлах из-за своей сложности. Поэтому котлы данного типа используются в энергоблоках мощностью до 500 МВт при паропроизводителъности до 1600 тонн в час.

В котле прямоточного типа специальные насосы осуществляют принудительную циркуляцию воды и пара. Питательная вода насосом 9 через экономайзер 2 подается в трубы-испарители 10,где превращается в пар. Через пароперегреватель 7 пар поступает в турбину. Отсутствие барабана и принудительна циркуляция воды и пара позволяют получить сверхкритические параметры пара: давление до 30 МПа и температуру до 590°С. Это соответствует энергоблокам мощностью до 1200 МВт и паропроизводителъности до 4000 т/ч.

Котлы, предназначенные только для теплоснабжения и устанавливаемые в местных или районных котельных, выполняются на тех же принципах, что рассмотрены выше. Однако параметры теплоносителя, определяемые требованиями потребителей тепла, существенно отличаются от рассмотренных ранее (некоторые технические характеристики таких котлов приведены в табл.1.3).

Таблица 1.3. Технические данные котлов отопительных систем

Например, котельные, пристроенные к зданиям, допускают применение котлов с давлением пара до 0,17 МПа и температурой воды до 1150С, а максимальная мощность встроенных котельных не должна превышать 3,5 МВт при работе на жидком и газообразном топливе или I,7 МВт при работе на твёрдом топливе. Котлы отопительных систем различаются по виду теплоносителя (вода, пар), по производительности и тепловой мощности, по конструкции (чугунные и стальные, малометражные и шатровые и др.).

Эффективность работы системы парогенерации или подготовки горячей воды во многом определяется коэффициентом полезного действий (КПД) котлоагрегата.

В общем случае КПД парового котла и расход топлива определяются выражениями:

Кг/с, (1.1)

где hk - КПД парового котла, %; q2, q3, q4, q5, q6 - потеря теплоты соответственно с уходящими газами, химическим недожогом, механическим недожогом, на наружное охлаждение, со шлаком, %; В - полный расход топлива, кг/с; QПК - теплота, воспринятая рабочей средой в паровом котле, кДж/м; - располагаемая теплота поступающего в топку топлива, кДж/кг.

Рис.1.4.

а - барабанного типа; б - прямоточного типа

1- барабан; 2 - экономайзер; 3 - камера уходящих газов; 4 - коллектор; 5 - топочная камера; 6 - подъёмные трубы; 7 - пароперегреватель; 8 - опускные трубы; 9 - насос; 10 - трубы-испарители

Если теплота уходящих газов не используется, то

а при разомкнутой системе сушки топлива уходящими газами

где Нух, Нотб, - энтальпия соответственно уходящих газов, газов в месте отбора на сушку и холодного воздуха, кДж/кг; r - доля отбора газов на сушку; ?yx - избыток воздуха в уходящих газах.

Энтальпия газа при температуре Т численно равна количеству теплоты, которое подведено к газу в процессе нагревания его от нуля градусов Кельвина до температуры Т при постоянном давлении.

При разомкнутой системе сушки все данные о топливе относят к подсушенному топливу.

В этом случае расход сырого топлива при изменении влажности от WР до Wсуш составляет

где Всуш - расход подсушенного топлива по (1.1), кг/с; Wсуш, WР - влажность подсушенного и неподсушенного топлива, %.

При изменении влажности меняется и низшая теплота сгораниятоплива от до:

КДж/кг (1.4)

Низшая теплота сгорания соответствует количеству теплоты, выделяемой топливом при полном его сгорании без учёта теплоты, затрачиваемой на образование водяных паров, которые находятся в продуктах сгорания.

Полная располагаемая теплота поступающего в топку топлива

КДж/кг, (1.5)

где - низшая теплота сгорания топлива, кДж/кг; - дополнительная теплота, вносимая в котел подогретым снаружи воздухом, паровым дутьем и т.д., кДж/кг.

Для ориентировочных расчетов.

Теплота, воспринимаемая рабочей средой в паровом котле

КДж/с, (1.6)

где Dп - паропроизводительность котла, кг/с; hпп, hпв - энтальпия перегретого пара и питающей воды, кДж/кг; ?Qпк - дополнительно воспринимаемая теплота при наличии в котле пароперегревателя, продувки водой и т.д., кДж/с.

Для ориентировочных расчетов?Qпк=0,2…0,3 Dп(hпп - hпв).

где?ун- доля уноса золы с продуктами сгорания; Ншл - энтальпия шлака, кДж/кг; АР - рабочая зольность топлива, %.

Значения q3, q4, q5, Wр, Aр, приводятся в специальной литературе, а также в учебных пособиях .

При твердом шлакоудалении можно принять?ух=1,2…1,25; ?ун=0,95; Ншл=560 кДж/кг.

Кроме того, при температуре воздуха перед котлом 300С =223 кДж/кг, а при температуре уходящих газов 1200С Нух=1256 кДж/кг.

Пример расчета. Определить КПД и расход топлива для парового котла при следующих условиях: Dп=186 кг/с; топливо - подсушенный Березовский угль с Wсуш=13%; разомкнутая система сушки, r=0,34; отбираемый на сушку газ имеет Нотб=4000кДж/кг; энтальпия перегретого пара и питательной воды соответственно hпп =3449 кДж/кг, hпв=1086,5 кДж/кг.

Решение. Предварительно по (1.4) определяется низшая теплота сгорания подсушенного топлива.

Здесь Wр=33% и =16200 кДж/кг приняты по .

Принимая по (1.5)

находим по (1.2)

По находим: q3=1%, q4=0,2%, q5=0,26% и с учётом (1.7)

Для расчета расхода топлива по (1.6) находим

Расход подсушенного топлива по (1.1)

Расход сырого топлива при Wр =33% по (1.3) составляет

Паровая турбина. Это тепловой двигатель, в котором энергия пара превращается в механическую энергию вращения ротора (вала) и закреплённых на нём рабочих лопаток. Упрощенная схема устройства паровой турбины приведена на рис.1.5. На валу 1 турбины крепятся диски 2 с рабочими лопатками 3. На эти лопатки из сопла 4 подаётся пар из котла, подводимый по паропроводу 5. Энергия пара приводит во вращение рабочее колесо турбины, а вращение вала передаётся через муфту 6 валу 7 синхронного генератора. Отработавший пар через камеру 8 направляется в конденсатор.

Паровые турбины по конструкции разделяются на активные и реактивные. В активной турбине (рис.1.5в) объем пара V2 при входе на рабочие лопатки равен объёму пара V3 при выходе с лопаток. Расширение объёма пара от V1 до V2 происходит только в соплах. Там же изменяется давление от р1 до p2 и скорость пара от с1 до с2. В этом случае остаётся неизменным давление пара на входе р2 и выходе р3 с лопаток, а скорость пара падает от с2 до с3 за счет передачи кинетической энергии пара лопаткам турбины:

Gп?(с2-с3)2 / 2 Gт?ст2 / 2,

где Gп, Gт - масса пара и рабочего колеса турбины; с2, с3, ст - скорость пара на входе и выходе с лопаток и скорость перемещения рабочего колеса.

Конструкция лопаток реактивной турбины такова (рис.1.5г), что пар расширяется не только в соплах от V1 до V2, но и между лопатками рабочего колеса от V2 до V3. При этом изменяется давление пара от р2 до р3 и скорость пара от с2 до с3. Поскольку V2p3 и в соответствии с первым законом термодинамики элементарная работа расширения единицы пара

где F - площадь лопатки, м2; (р2 - р3) - разность давления на входе и выходе с лопаток, Па; dS - перемещение лопатки, м.

При этом - работа, используемая для вращения рабочего колеса турбины. Таким образом, в реактивных турбинах помимо центробежных сил, возникающих при изменении скорости движения пара, на лопатки действуют реактивные силы, вызванные расширением пара.

Современные турбины выполняются как активными, так и реактивными. В мощных агрегатах параметры пара на входе приближается к значениям 30 МПа и 6000С. При этом истечение пара из сопла происходит со скоростью, превышающей скорость звука. Это ведёт к необходимости большой частоты вращения ротора. Возникают огромные центробежные силы, действующие на вращающиеся части турбины.

Практически частота вращения ротора, обусловленная конструктивными особенностями, как самой турбины, так и синхронного генератора, составляет 3000 1/мин. При этом линейная скорость на окружности колеса турбины диаметром один метр составляет 157 м/с. В этих условиях частицы стремятся оторваться с поверхности колеса с силой в 2500 раз превышающей их вес. Инерционные нагрузки уменьшают применением ступеней скорости и давления. Каждой ступени отдаётся не вся энергия пара, а только часть ее. Это обеспечивает и оптимальный теплоперепад на ступени, который составляет 40...80 кДж/кг при окружной скорости 140...210 м/с. Общий теплоперепад, срабатываемый в современных турбинах, составляет 1400...1600 кДж/кг.

По конструктивным соображениям 5...12 ступеней группируются в одном корпусе, который называют цилиндром. Современная мощная турбина может иметь цилиндр высокого давления (ЦВД) с давлением пара на входе 15...30 МПа, цилиндр среднего давления (ЦСД) с давлением 8...10 МПа и цилиндр низкого давления (ЦНД) с давлением 3...4 МПа. Турбины мощностью до 50 МВт обычно выполняются в одном цилиндре.

Отработавший в турбине пар поступает в конденсатор для охлаждения и конденсации. В трубчатый теплообменник конденсатора подаётся охлаждающая вода с температурой 10...15°С, что способствует интенсивной конденсации пара. С этой же целью давление в конденсаторе поддерживается в пределах 3...4 кПа. Охлаждённый конденсат вновь подаётся в котёл (рис.1.5), а охлаждающая вода, нагревшаяся до 20...25°С, удаляется из конденсатора. Если вода для охлаждения забирается из водоёма и затем безвозвратно сбрасывается, система называется разомкнутой прямоточной. В замкнутых системах охлаждения вода, нагревшаяся в конденсаторе, подается насосами на градирни - конусообразные башни. С верхней части градирен с высоты 40…80 м вода струится вниз, охлаждаясь при этом до необходимой температуры. Затем вода снова поступает в конденсатор.

Обе системы охлаждения имеют свои достоинства и недостатки и находят применение на электростанциях.

Рис.1.5. Устройство паровой турбины:

а - рабочее колесо турбины; б - схема трехступенчатой активной турбины; в - работа пара в активной ступени турбины; г - работа пара в реактивной ступени турбины.

1 - вал турбины; 2 - диски; 3 - рабочие лопатки; 4 - сопла; 5 - паропровод; 6 - муфта; 7 - вал синхронного генератора; 8 - камера отработавшего пара.

Турбины, у которых весь поданный в них пар после совершения работы поступает в конденсатор, называются конденсационными и используются для получения только механической энергии с последующим преобразованием её в электрическую. Такой цикл называется конденсационным, используется на ГРЭС и КЭС. Пример конденсационной турбины - К300-240 мощностью 300 МВт с начальными параметрами пара 23,5 МПа и 600°С.

В теплофикационных турбинах часть пара отбирается до конденсатора и используется для подогрева воды, которая затем направляется в систему теплоснабжения жилых, административных, производственных зданий. Цикл называется теплофикационным и используются на ТЭЦ и ГРЭС. Например, турбина Т100-130/565 мощностью 100 МВт на начальные параметры пара 13 МПа и 5650С имеет несколько регулируемых отборов пара.

Промышленно-теплофикационные турбины имеют конденсатор и несколько регулируемых отборов пара для теплофикационных и промышленных нужд. Они используется на ТЭЦ и ГРЭС. Например, турбина П150-130/7 мощностью 50 МВт на начальные параметры пара 13 МПа и 5650С обеспечивает промышленный отбор пара при давлении 0,7 МПа.

Турбины с противодавлением работают без конденсатора, а весь отработавший пар поступает теплофикационным и промышленным потребителям. Цикл называется противодавленческим, а турбины используются на ТЭЦ и ГРЭС. Например, турбина Р50-130/5 мощностью 50 МВт на начальное давление пара 13 МПа и конечное давление (противодавление) 0,5 МПа с несколькими отборами пара.

Использование теплофикационного цикла позволяет достичь на ТЭЦ КПД до 70% с учетом отпуска тепла потребителям. При конденсационном цикле КПД составляет 25...40% в зависимости от начальных параметров пара и мощности агрегатов. Поэтому КЭС размещаются в местах добычи топлива, что снижает затрата на транспортировку, а ТЭЦ приближаются к потребителям тепла.

Синхронные генераторы. Конструкция и характеристики этой машины, преобразующей механическую энергию в электрическую, подробно рассматриваются в специальных дисциплинах. Поэтому ограничимся общими сведениями.

Основные элементы конструкции синхронного генератора (рис.1.6): ротор 1, обмотка 2 ротора, статор 3, обмотка 4 статора, корпус 5, возбудитель 6 - источник постоянного тока.

Неявнополюсной ротор быстроходных машин - турбогенераторов (n = 3000 1/мин) выполняется из листовой электротехнической стали в форме цилиндра, находящегося на валу 7. Тихоходные машины - гидрогенераторы (n ? 1500 1/мин) имеют явнополюсный ротор (показан пунктиром). В пазах на поверхности ротора располагается медная изолированная обмотка, подключённая с помощью скользящих контактов 8 (щёток) к возбудителю. Статор представляет собой полный цилиндр из электротехнической стали, на внутренней поверхности которого в пазах располагаются три фазные обмотки - А, В, С. Обмотки выполняется медным изолированным проводом, идентичны друг другу и имеют осевую симметрию, занимая секторы по 120°. Начала фазных обмоток А, В, С через изоляторы выводятся наружу, а концы обмоток Х, У, Z соединяются в общую точку N - нейтраль.

Работа генератора происходит следующим образом. Ток возбуждения iB в обмотке ротора создает магнитный поток Ф, пересекающий обмотки статора. Вал генератора приводится во вращение турбиной. Тем самым обеспечивается равномерное вращение магнитного поля ротора с угловой частотой?=2?f, где f - частота переменного тока, 1/с - Гц. Для получения частоты переменного тока 50 Гц при числе пар магнитных полюсов р необходима частота вращения ротора n=60?f /p.

При р = 1, что соответствует наявнополюсному ротору, n= 3000 1/мин. Вращающееся магнитное поле пересекая обмотки статора наводит в них электродвижущую силу (ЭДС). В соответствии с законом электромагнитной индукции мгновенное значение ЭДС

где w - число витков.

ЭДС в обмотках статора наводятся синхронно с изменением магнитного поля по мере вращения ротора.

Рис.1.6.

а - конструкция генератора; б - схема соединения обмоток;

в - ЭДС на выводах обмоток генератора

1 - ротор; 2 - обмотка ротора; 3 - статор; 4 - обмотка статора; 5 - корпус; 6 - возбудитель; 7 - вал (ось) ротора; 8 - контактные кольца

При равномерном вращении ротора и осевой симметрии обмоток статора мгновенные значения фазных ЭДС равны:

где ЕМ - амплитудное значение ЭДС.

Если к выводам обмоток статора генератора подключена электрическая нагрузка Z во внешней цепи протекает электрически ток

где - напряжение на выводах обмоток при протекании в них тока i и сопротивлении обмотки статора Zвн.

На практике удобнее использовать не мгновенные, а действующие значения электрических величин. Необходимые соотношения известны из курса физики и теоретических основ электротехники.

Работа генератора во многом зависит от режима возбуждения и охлаждения машины. Различные системы возбуждения (независимое и самовозбуждение, электромашинное и тиристорное и т.д.) позволяют изменять величину iB и, следовательно, магнитного потока Ф и ЭДС в обмотках статора. Это даёт возможность регулировать напряжение на выводах генератора в определённых пределах (обычно ±5%).

Величина активной мощности, отдаваемой турбогенератором в электрическую сеть, определяется мощностью на валу турбины и регулируется подачей в турбину пара.

В процессе работы генератора происходит его нагрев, прежде всего из-за выделения тепла в обмотках, обтекаемых током. Поэтому существенное значение имеет эффективность системы охлаждения.

Генераторы малой мощности (1...30 МВт) имеют воздушное охлаждение внутренних поверхностей по проточной (разомкнутой) или регенеративной (замкнутой) схеме. На генераторах средней мощности (25...100 МВт) применяют поверхностное водородное охлаждение по замкнутой схеме, что более эффективно, но требует применения специальных мер безопасности. Мощные генераторы (более 100 МВт) имеют форсированное водородное, водяное или масляное охлаждение, при котором охладитель прокачивается под давлением внутри статора, ротора, обмоток по специальным полостям (каналам).

Основные технические характеристики генераторов: номинальное напряжение на выводах обмотки статора генератора, Uном: 6,3-10,5-21 кВ (бoльшие значения соответствуют более мощным генераторам); номинальная активная мощность, Рном, МВт; номинальный коэффициент мощности; номинальный КПД, составляющий 90...99%.

Эти параметры связаны между собой:

Собственные нужды электростанций. Не вся электрическая и тепловая энергия, произведённая на ТЭС, отдаётся потребителям. Часть остаётся на станции и используется для обеспечения её работы. Основными потребителями этой энергии являются: система транспортировки и подготовки топлива; насосы подачи воды, воздуха; система очистки воды, воздуха, уходящих газов и др.; отопление, освещение, вентиляция бытовых и производственных помещений, а также целый ряд других потребителей.

Многие элементы собственных нужд относятся к первой категории по надёжности электроснабжения . Поэтому они подключаются, по крайней мере, к двум независимым источникам энергии, например, к источникам на своей станции и к энергосистеме.

Распределительное устройство. Электроэнергия, выработанная генераторами, собирается на распределительном устройстве (РУ), а затем распределяется между потребителями. Для этого выводы обмоток статоров генераторов через специальные коммутационные аппараты (выключатели, разъединители и др.) жесткими или гибкими проводниками (шинами) присоединяются к сборным шинам РУ. Каждое присоединение в РУ осуществляется посредством специальной ячейки, содержащей необходимый комплект аппаратуры. Поскольку передача, распределение и генерация электроэнергии, а также ее потребление происходят при разном напряжении, на станции есть несколько РУ. На номинальное напряжение генераторов, например, 10,5 кВ, выполняется РУ генераторного напряжения. Обычно оно находится в здании станции и по конструкции является закрытым (ЗРУ). К этому РУ подключаются близко расположенные потребители. Для передачи электроэнергии по линиям электропередачи (ЛЭП) на большие расстояния и связи с другими станциями и системой необходимо использовать напряжение 35...330 кВ. Такая связь осуществляется с помощью отдельных РУ, обычно открытого исполнения (ОРУ), где устанавливаются повышающие трансформаторы. Для подключения потребителей собственных нужд служит - РУСН. С шин РУСН электроэнергия непосредственно и через понижающие трансформаторы передаётся потребителям на электростанции.

Схожие принципы используются и при распределении тепловой энергии, вырабатываемой на ТЭЦ. Специальные коллекторы, паропроводы, насосы обеспечивают подачу тепла промышленным и коммунальным потребителям, а также в систему собственных нужд.

Когенерация.

Когенераторная станция представляет собой использование первичного источника энергии - газа, для получения двух форм энергии - тепловой и электрической. Главное преимущество когенераторной электростанции перед обычными электростанциями состоит в том, что преобразование энергии здесь происходит с большей эффективностью. Иными словами, когенераторная (когенерационная) установка позволяет использовать то тепло, которое обычно теряется. Значительно снижается потребность в топливе. Использование когенерационной установки сокращает расходы на энергообеспечение ~ 100$/кВт. Когенераторная установка - это энергетическая независимость и снижение затрат на тепло.

Устройство когенерационных установок.

Когенерационная установка состоит из газового двигателя, генератора, системы отбора тепла и системы управления. Тепло отбирается из системы выхлопа, масляного радиатора и системы охлаждения двигателя. На 100 кВт электрической мощности потребитель получает ~120 кВт тепловой мощности в виде пара и горячей воды для отопления и водоснабжения. Когенераторные электростанции успешно покрывают потребность в недорогой электрической и тепловой энергии

* Используя пар и горячую воду возможно получение охлажденной воды с помощью установок абсорбционного типа (тригенирация).

Когенерационные установки - промышленная экспансия.

Применение когенераторных электростанций в городах позволяет эффективно дополнять рынок энергоснабжения, без реконструкции сетей. При этом значительно увеличивается качество электрической и тепловой энергий. Автономная работа установки позволяет обеспечить потребителей электроэнергией со стабильными параметрами по частоте и по напряжению, тепловой энергией со стабильными параметрами по температуре. Потенциальными объектами для применения когенерационных установок в России выступают промышленные производства, нефтеперерабатывающие заводы, больницы, объекты жилищной сферы, газоперекачивающие станции, компрессорные станции, котельные и т.д. В результате внедрения когенераторных электростанций возможно решение проблемы обеспечения потребителей теплом и электроэнергией без дополнительного строительства мощных линий электропередачи и теплотрасс. Приближенность источников к потребителям позволит значительно снизить потери передачи энергии и улучшить ее качество, а значит, и повысить коэффициент использования энергии природного газа.

Когенерационная установка - альтернатива теплоцентрали.

Когенерационная установка является эффективной альтернативой тепловым сетям, благодаря гибкому изменению параметров теплоносителя в зависимости от требований потребителя в любое время года. Она не подвержена зависимости от экономического состояния дел в крупных теплоэнергетических компаниях. Когенераторная установка вырабатывает электроэнергию и тепловую энергию в соотношение ~1:1,2. Доход (или экономия) от реализации электричества и тепловой энергии покрывает все расходы на когенераторную электростанцию; окупаемость капитальных вложений на когенераторную установку происходит быстрее окупаемости средств, затраченных на подключение к тепловым сетям, обеспечивая тем самым быстрый и устойчивый возврат инвестиций. Когенераторная установка хорошо вписываются в электрическую схему отдельных потребителей и в электрические сети города при параллельной работе с сетью. Когенераторные электростанции покрывают недостаток генерирующих мощностей в городах. Появление установок позволяет разгрузить электрические сети, обеспечить стабильное качество электроэнергии и делает возможным подключение новых потребителей.

Перспективы когенерации.

Существенная разница между капитальными затратами на энергоснабжение от сетей и энергоснабжение от собственного источника заключается в том, что капитальные затраты, связанные с приобретением когенераторной установки, возмещаются, а капитальные затраты на подключение к сетям безвозвратно теряются при передаче вновь построенных подстанций на баланс энергетических компаний. Капитальные затраты при применении когенераторной установки компенсируются за счет низкой себестоимости энергии в целом. Обычно полное возмещение капитальных и эксплуатационных затрат происходит после эксплуатации когенераторной электростанции в течение трех-четырех лет. Более того, энергоснабжение от когенераторной установки позволяет снизить ежегодные расходы на электро- и теплоснабжение по сравнению с энергоснабжением от энергосистем примерно на 100$ за каждый кВт номинальной электрической мощности когенераторной электростанции, в том случае, когда когенераторная установка работает в базовом режиме генерации энергии (при 100% нагрузке круглогодично). Такое возможно, когда когенераторная установка питает нагрузку в непрерывном цикле работы, или если она работает параллельно с сетью. Последнее решение является выгодным также для электро- и тепловых сетей.

Применение когенераторов.

Сфера применения когенераторов весьма широка.
Когенераторные станции могут вырабатывать энергию для нужд всех отраслей хозяйственной деятельности, в том числе:

На промышленных предприятиях
. в сельском хозяйстве
. в сфере обслуживания
. в гостиницах
. торговых и административных центрах
. в жилых массивах
. частных домах
. больницах, курортных и лечебных заведениях
. бассейнах, спортивных центрах

Источники тепла и электрической энергии - когенераторы.

Источники тепла — для систем отопления, для поддержания устойчивой температуры, для использования в технологических процессах промышленных предприятий.
Источники электроэнергии — для совместной работы с электросетью, как автономный источник электроснабжения, как резервный источник электроснабжения в случае пропадания напряжения в сети.

Когенераторы и экономия энергетических ресурсов.

В настоящее время в мировой энергетике прослеживается стойкая тенденция к увеличению производства и потребления энергии. Даже с учетом значительных структурных изменений в промышленности и перехода на энергосберегающие технологии, потребности в тепло- и электроэнергии в ближайшие десятилетия будут увеличиваться. Поэтому особо широкое применение когенераторов в мире говорит о новой тенденции к развитию локальной энергетики, как наиболее экономически эффективной и экологичной отрасли топливно-энергетического комплекса.
В России необходимость в применении когенераторов для тепло- и энергоснабжения очевидна, поскольку качество центрального снабжения оставляет желать лучшего, да и монопольный характер российских энергоносителей вынуждает покупать электричество и тепло по дорогим тарифам. Таким образом, внедрение когенераторов позволяет существенно снизить затраты на потребляемую энергию, что дает существенный экономический эффект для конечного потребителя, а также решить проблему пиковых нагрузок, недостатков централизованных систем и тем самым обеспечить качественным, бесперебойным энергоснабжением

Специфика когенераторов.

Недостатком когенераторов является только ограниченная мощность до 3 МВт для одной машины. Средний промышленный потребитель в России имеет установленную мощность в 1-2 МВт. При необходимости могут быть установлены несколько параллельно работающих когенераторов. Когенераторы легко перевозить и устанавливать. Они позволяют решить острый вопрос неравномерного суточного потребления электроэнергии, неразрешимый для крупных генерирующих установок. Действительно, для когенератора, линейная зависимость потребления топлива имеет место, начиная с 15-20% номинальной мощности. Секционируя (пакетируя) общую мощность на 4-8 блоков, работающих параллельно, появляется возможность работы с 1.5-4% до 100% номинальной нагрузки при расчетном удельном потреблении топлива. При отсутствии нагрузки невостребованные когенераторы останавливаются, на этом в значительной степени экономится моторесурс первичных двигателей

Когенераторные кластеры .

Секционирование (пакетирование) когенераторов стало возможным лишь в последнее время, когда появились надежные, высокоточные системы управления, основанные на достижениях микропроцессорной техники и компьютерных технологий. С помощью пакетирования (секционирования) стало возможным построение больших когенераторных установок, экономическая эффективность которых не хуже единичного блока, работающего при номинальной нагрузке. Особенно важным применением таких когенераторов является электроснабжение жилых массивов, в которых отсутствуют промышленные потребители и отношение максимальной и минимальной нагрузки в течение суток достигает десятков раз, так как российские условия делают невозможным продажу вырабатываемой в ночное время электроэнергии сетям как, например в Европе. Важным экономическим фактором распространения секционированных когенераторных систем является то, что удельная стоимость (в расчете на 1 кВт мощности) малых установок ниже, чем удельная стоимость единичных когенераторов большей мощности. Положительной особенностью секционированных когенераторных систем является их более высокая надежность. Действительно при выходе из строя, плановом ремонте или техническом обслуживании общая мощность системы составляет (n-1)/n% номинальной мощности, где n-число блоков в системе. Для российского промышленного и гражданского потребителя предлагаются когенераторы мощностью от 0.02 до 3 МВт, секционированные блоками с общим компьютерным управлением.

Когенераторы — экологическая безопасность.

Важным фактором в пользу выбора когенератора является его экологическая безопасность. Подобные установки имеют низкий уровень выбросов в атмосферу токсичных веществ и удовлетворяют самым жестким международным и российским стандартам. Предприятия, имеющие собственную когенераторную установку, смогут обеспечить собственные потребности в электроэнергии. При этом не только снизится себестоимость основной продукции предприятий, но и значительно возрастет его энергетическая безопасность, поскольку потери в подаче электроэнергии от центральных энергетических компаний не будут влиять на ход технологического процесса.

Когенерационные электростанции обеспечивают одновременное производство тепловой и электрической энергии. В табл.1 представлены различные методы когенерации и характерное для них соотношение производимой электрической и тепловой энергии.

Таблица 1: Технологии когенерации и характерные для них величины соотношения электрической и тепловой энергии

Важной характеристикой процесса когенерации является отношение количества произведенной электроэнергии к количеству произведенной тепловой энергии. Эта величина меньше 1 в том случае, если установка производит меньше электрической энергии, чем тепловой. При анализе установок следует использовать значения соотношения электрической и тепловой энергии, основанные на фактических данных.

При выборе технологии когенерации и масштаба установки могут использоваться данные о динамике потребностей в энергии на протяжении года.

Когенерация на основе сжигания отходов

Как Справочный документ по сжиганию отходов (WI BREF), так и Директива WFD36 содержат коэффициенты пересчета и величины, которые могут использоваться для:

• расчета коэффициента использования энергии и/или КПД установки;
• пересчета и суммирования различных типов энергии, что может использоваться, например, при сравнительном анализе предприятий.

Это позволяет сопоставлять и суммировать данные о производстве энергии в различных формах, например, в форме тепла, пара и электроэнергии. В частности, с помощью этих показателей можно сравнивать эффективность производства энергии на данном мусоросжигательном предприятии с эффективностью внешних энергетических предприятий. В частности, средний европейский КПД при производстве электроэнергии на электростанциях составляет 38%, при производстве тепла – 91 %. При использовании энергии, например, топлива или пара, максимально возможный коэффициент использования составляет 100%. При сравнительном анализе следует принимать во внимание разницу между единицами измерения энергии (МВт ч, МВт чэ, МВт чт).

Системы с противодавлением

Простейшим методом когенерации является схема, использующая т.н. «турбины с противодавлением». При этом как электрическая, так и тепловая энергия производится в паровой турбине (см. рис.1). Электрическая мощность станций, использующих турбины с противодавлением, как правило, составляет несколько десятков мегаватт. Типичное соотношение производимой электрической и тепловой энергии составляет 0,3 – 0,5. Мощность газотурбинных когенерационных электростанций, как правило, несколько ниже, чем паровых, однако соотношение электрической и тепловой энергии во многих случаях достигает 0,5.

Мощность установок с противодавлением, используемых в промышленности, зависит от энергопотребления технологических процессов, а также свойств пара высокого давления, среднего давления и противодавления. Важной характеристикой систем с противодавлением является соотношение электрической и тепловой энергии.

В когенерационных установках, обслуживающих централизованные системы теплоснабжения (теплоэлектроцентралях или ТЭЦ), покидающий турбину пар конденсируется в теплообменниках и направляется потребителям в виде горячей воды. В когенерационных установках промышленных предприятий отработавший в турбине пар возвращается на предприятие для использования его тепловой энергии. На ТЭЦ противодавление пара ниже, чем на промышленных когенерационных установках с противодавлением. Поэтому соотношение производимой электрической и тепловой энергии в случае промышленных когенерационных установок ниже, чем в случае ТЭЦ.

Рисунок 1: Когенерационная установка с противодавлением

Конденсационные системы с отбором пара

В отличие от традиционной конденсационной электростанции, производящей только электроэнергию, в конденсационной системе с отбором пара часть пара отбирается из турбины для использования в качестве источника тепла (см. рис. 2).

Рисунок 2: Когенерационная установка с отбором пара

Газотурбинные системы с утилизацией тепла

В газотурбинных системах с утилизацией тепла тепловая энергия производится за счет энергии горячих дымовых газов турбины в котле-утилизаторе (см. рис. 3). В качестве топлива для таких установок, как правило, используются природный газ, нефть или сочетание этих видов топлива. Кроме того, в качестве топлива для газовых турбин могут использоваться продукты газификации твердого или жидкого топлива.

Рисунок 3: Газотурбинная когенерационная установка с утилизацией тепла

Парогазовые системы

Парогазовая установка (установка комбинированного цикла) состоит из одной или нескольких газовых турбин, соединенных с одной или несколькими паровыми турбинами (см. рис. 4). Во многих случаях такие установки используются для комбинированного производства тепловой и электрической энергии. Тепло выхлопных газов газовой турбины утилизируется и используется для производства пара, приводящего в действие паровые турбины. Как правило, тепло, полученное в результате утилизации, используется для производства дополнительной электроэнергии, а не для отопления или нагрева. Преимуществами подобных систем являются высокое отношение электрической к тепловой энергии, а также высокий КПД. Газификация твердого топлива – одно из перспективных направлений развития технологий сжигания – также используется в сочетании с парогазовыми системами и когенерацией. Газификация топлива позволяет значительно снизить выбросы оксидов серы и азота по сравнению с традиционным сжиганием твердого топлива благодаря очистке газа после газификации, но до сжигания в турбине.

Рисунок 4: Парогазовая когенерационная установка

Двигатели внутреннего сгорания

При использовании двигателей внутреннего сгорания (поршневых двигателей) возможна утилизация тепла смазочного масла, охлаждающей воды, а также выхлопных газов, как показано на рис.5.

В двигателях внутреннего сгорания (ДВС) энергия химических связей топлива преобразуется в тепловую энергию в результате сжигания. Образующиеся при сгорании газы расширяются в цилиндре, приводя в движение поршень. Механическая энергия движения поршня передается маховику посредством коленчатого вала, а затем преобразуется в электроэнергию при помощи генератора переменного тока. Благодаря непосредственному преобразованию энергии высокотемпературного теплового расширения в механическую, а затем электрическую энергию двигатели внутреннего сгорания характеризуются наибольшим тепловым КПД (производством электроэнергии на единицу использованного топлива) среди одноступенчатых (первичных) двигателей. Как следствие, они отличаются и наименьшими удельными выбросами CO2 на единицу произведенной энергии.

Мощность существующих установок на основе двухтактных двигателей с низкими оборотами (<300 об./мин.) может достигать 80 МВтэ. Мощность существующих четырехтактных систем со средними оборотами (300 <1500 об. мин.)="" достигает="" 20 МВтэ. Такие="" установки,="" как="" правило,="" используются="" в качестве="" базовых="" систем="" для="" постоянного="" производства="" энергии. Четырехтактные="" системы="" с высокими="" оборотами="" (="">1500 об./мин.) имеют мощность 3 МВтэ и обычно используются в качестве пиковых источников.

Наиболее распространенными типами двигателей внутреннего сгорания являются дизель, двигатель с искровым зажиганием и двухтопливный двигатель. Установки внутреннего сгорания могут использовать широкий диапазон видов газообразного и жидкого топлива, включая природный, попутный, и шахтный газы, газ, образующийся на полигонах ТБО, биогаз, продукты пиролиза, жидкое биотопливо, дизельное топливо, сырую нефть, тяжелый мазут, топливные эмульсии и отходы нефтепереработки.

Рисунок 5: Когенерационная установка на основе двигателя внутреннего сгорания

Как правило, стационарная ДВС-электростанция (т.е., станция, не являющаяся передвижным генератором) состоит из нескольких энергоблоков, работающих параллельно. Ряд независимо работающих установок в сочетании с высоким КПД в условиях неполной нагрузки обеспечивают надежность и гибкость энергоснабжения, позволяя наилучшим образом удовлетворять быстро меняющиеся потребности. Время запуска подобных систем из холодного состояния невелико по сравнению с аналогичной характеристикой парогазовых или паровых электростанций на угольном, нефтяном или газовом топливе. Запущенная система на основе ДВС способна оперативно реагировать на изменения нагрузки, при необходимости обеспечивая быструю стабилизацию параметров сети.

С двигателями внутреннего сгорания могут использоваться замкнутые системы водяного охлаждения, что делает водопотребление соответствующих электростанций крайне низким.

Компактная конструкция ДВС-систем делает их пригодными для организации распределенного производства тепла и электроэнергии в непосредственной близости от конечных потребителей в городских и промышленных районах. Это позволяет снизить связанные с распределением потери в трансформаторах, линиях электропередач и трубопроводах. Типичные потери в распределительных и передающих сетях при централизованном производстве электроэнергии составляют 5–8% произведенной энергии; потери тепла в муниципальных сетях централизованного теплоснабжения составляют менее 10%. Следует иметь в виду, что наибольшие потери имеют место в сетях низкого напряжения, а также в соединениях на уровне конечного потребителя. С другой стороны, производство электроэнергии на крупных централизованных электростанциях, как правило, является более эффективным.

Высокий КПД одноступенчатой генерации на основе ДВС в сочетании с относительно высокой температурой выхлопных газов и охлаждающей воды делает эту технологию идеальным решением для когенерации. Как правило, в выхлопных газах содержится около 30% энергии, выделяющейся при сжигании топлива, а в потоках охлаждающей воды – около 20%. Энергия выхлопных газов может быть утилизирована при помощи котла-утилизатора или теплобоменника, используемых для производства пара, горячей воды или горячего масла. Кроме того, горячие выхлопные газы могут быть непосредственно или косвенно (при помощи теплообменника) использованы в различных технологических процессах, например, для сушки.

Потоки охлаждающей воды могут быть разделены на высокотемпературный и низкотемпературный контуры. Потенциал утилизации энергии воды зависит от минимальной температуры, отвечающей потребностям потребителя тепла. Потенциал охлаждающей воды может быть использован практически полностью в централизованной системе теплоснабжения с низкими температурами возврата. Утилизация тепла, отводимого при охлаждении двигателя, в сочетании с котлом-утилизатором энергии выхлопных газов и экономайзером, способна обеспечить использование (в форме электроэнергии и тепла) до 85% энергии жидкого топлива и до 90% энергии газообразного топлива.

Тепловая энергия может поставляться конечному потребителю, в зависимости от его потребностей, в форме пара (вплоть до перегретого пара с давлением до 20 бар), горячей воды или горячего масла. Тепло может также использоваться в абсорбционном процессе охлаждения для производства охлажденной воды.

Возможно также использование абсорбционных тепловых насосов для повышения температуры охлаждающей воды низкотемпературного контура до более высокого уровня, позволяющего использовать эту воду в системах централизованного теплоснабжения с высокой температурой возврата.

Для компенсации краткосрочных рассогласований между графиком потребностей в электроэнергии и тепле/холоде могут использоваться аккумуляторы горячей и холодной воды.

Типичный КПД (по отношению к энергии топлива) при использовании двигателей внутреннего сгорания для производства электроэнергии находится в диапазоне 40–48%; в схемах когенерации с эффективной утилизацией тепла КПД может достигать 85 – 90%. В схемах тригенерации необходимая гибкость может быть достигнута за счет поддержания запасов горячей и охлажденной воды, а также резервных (пиковых) мощностей – компрессорных холодильных установок и работающих за счет непосредственного сжигания топлива резервных водогрейных котлов.

Экологические преимущества

Использование когенерации связано со значительными экономическими и экологическими преимуществами. Когенерационные установки комбинированного цикла обеспечивают максимально эффективное использование энергии топлива за счет одновременного производства электрической и тепловой энергии с минимальными потерями. Подобные установки обеспечивают эффективность использования энергии топлива (КПД) до 80–90 %, в то время как для традиционных конденсационных ТЭС аналогичная величина находится в диапазоне 35–45 %, а для электростанций комбинированного цикла (без когенерации) она не превышает 58 %.

Высокий КПД процессов когенерации обеспечивает значительные объемы энергосбережения и сокращения выбросов. На рис.6 показаны характерные значения для когенерационной электростанции в сравнении с отдельными электростанцией и котельной для производства тепла. Данные, выраженные в условных единицах энергии, приведены для угольного топлива, однако аналогичная ситуация имеет место и при использовании других видов топлива. В этом примере когенерационная установка производит то же количество полезной энергии (электричества и тепла), что и отдельные установки. Однако при отдельном производстве общие потери энергии достигают 98 единиц, тогда как в случае когенерации потери составляют всего 33 единицы. При раздельном производстве тепла и энергии КПД (эффективность использования топлива) составляет 55%, тогда как в случае когенерации величина КПД достигает 78%. Поэтому когенерация требует на 30% меньше топлива для производства тех же количеств полезной энергии. Это означает, что при использовании когенерации выбросы загрязняющих веществ сокращаются на ту же величину. Однако точная величина снижения выбросов зависит от местной структуры топливного баланса при производстве электроэнергии и/или тепла (пара).

Рисунок 6: Сравнение эффективности когенерации и раздельного производства электроэнергии и тепла

Как и в случае отдельного производства электроэнергии, для когенерации может использоваться широкий диапазон видов топлива, включая, например, отходы, возобновляемое топливо (биомассу), а также ископаемые виды топлива – уголь, нефть и природный газ.

Воздействие на различные компоненты окружающей среды

Объем производства электроэнергии может оказаться ниже, если система когенерации оптимизирована для утилизации тепла (например, в случае производства энергии на основе сжигания отходов, см. WI BREF). Можно показать (используя данные WI BREF и WFD), что установка по сжиганию отходов, утилизирующая, например, 18% энергии сжигаемых материалов в форме электроэнергии, эквивалентна установке, утилизирующей 42,5% энергии в форме централизованно распределяемого тепла или пара, пригодного для коммерческого использования (согласно WFD, коэффициент пересчета равен 0,468).

Применимость

Принципиальное решение об использовании когенерации и выбор конкретного метода определяются рядом факторов; даже предприятия с аналогичными потребностями в энергии не могут считаться абсолютно одинаковыми в этом отношении. Во многих случаях принципиальное решение о внедрении когенерации определяется следующими факторами:

• принципиальным является наличие достаточных потребностей в тепле, отвечающих возможностям когенерации с точки зрения количества, температуры и т.п.;
• наличие у предприятия базисной нагрузки, т.е. уровня, ниже которого потребление электроэнергии опускается редко;
• сходный характер графиков потребностей в тепловой и электрической энергии;
• соотношение цен на топливо и тарифов на электроэнергию, обеспечивающее экономическую эффективность когенерации;
• высокий ожидаемый уровень загрузки (желательно более 4–5 тыс. час. работы при полной нагрузке в год).

В целом, применение когенерации оправдано на тех предприятиях, где имеются значительные потребности в тепле при температурах, соответствующих низкому или среднему давлению пара. При оценке потенциала производства с точки зрения когенерации важно убедиться в том, что нет оснований ожидать существенного сокращения потребностей в тепле. В противном случае эксплуатация системы, рассчитанной на производство избыточного тепла, окажется неэффективной.

По состоянию на 2007 г., даже относительно небольшая когенерационная система могла быть рентабельной. Ниже в этом разделе приводятся рекомендации относительно типов когенерационных систем, пригодных для тех или иных конкретных условий. Следует, однако, иметь в виду, что приводимые количественные критерии носят ориентировочный характер и могут зависеть от местных условий. Как правило, существует возможность продажи избыточной электроэнергии национальным сетям, поскольку собственное энергопотребление предприятия может существенно варьировать. Моделирование производства и потребления энергоресурсов способствует оптимизации систем генерации электроэнергии и утилизации тепла, а также решений о закупках недостающей и продажах избыточной энергии.

Выбор типа когенерационной системы

Паровые турбины могут быть адекватным вариантом при выполнении следующих условий:

• существует применение для низкопотенциального пара, и требуемое соотношение электрической и тепловой энергии превышает 1:4;
• доступность недорогого топлива с невысокой торговой наценкой;
• доступность адекватной площади для размещения системы;
• наличие высокопотенциального тепла, отходящего от технологических процессов (например, от печей или мусоросжигательных установок);
• необходимость замены существующей котельной;
• необходимо сведение к минимуму соотношения электрической и тепловой энергии к минимуму. В когенерационных системах максимизация соотношения электрической и тепловой энергии требует минимизации уровня противодавления и максимизации уровня высокого давления.

Использование газовых турбин может быть целесообразно при выполнении следующих условий:

• предполагается довести до максимума отношение производимой электрической энергии к тепловой;
• потребность в электроэнергии является постоянной и превышает 3 МВтэ (на момент подготовки данного документа газовые турбины меньшей мощности лишь начинают выходить на рынок);
• доступность природного газа (однако его отсутствие не является лимитирующим фактором);
• существует значительная потребность в паре среднего/высокого давления или в горячей воде, в частности, с температурой, превышающей 500°C;
• наличие применения для горячих дымовых газов с температурой 450°C или выше – газы могут разбавляться холодным атмосферным воздухом или пропускаться через газо-воздушный теплообменник. (Кроме того, целесообразно рассмотреть возможность добавления паровой турбины и создания парогазовой системы комбинированного цикла).

Использование когенерационных систем на основе двигателей внутреннего сгорания может быть целесообразно на предприятиях, где выполняются следующие условия:

• потребность в энергии носит циклический характер или не является постоянной;
• существует потребность в паре низкого давления или горячей воде средней/низкой температуры;
• требуется высокое значение соотношения электрической и тепловой энергии;
• если доступен природный газ, предпочтительным является использование двигателей внутреннего сгорания на этом виде топлива;
• если природный газ недоступен, могут использоваться дизельные двигатели на мазуте или сжиженном нефтяном газе;
• при электрической нагрузке менее 1 МВтэ – искровое зажигание (доступны системы мощностью от 0,003 до 10 МВтэ);
• при электрической нагрузке более 1 МВтэ – воспламенение от сжатия (доступны системы мощностью от 3 до 20 МВтэ).

Экономические аспекты

• экономика когенерации существенно зависит от соотношения цен на топливо и электроэнергию, цен на тепло, коэффициента загрузки и КПД системы;
• экономика когенерации существенно зависит от способности обеспечить стабильное производство тепла и электроэнергии в долгосрочной перспективе, а также наличия долгосрочной потребности в них;
• важную роль играет политическая поддержка и рыночные механизмы, например, налоговые льготы и либерализация рынков энергии.

Мотивы внедрения

Политическая поддержка и рыночные механизмы (см. «Экономические аспекты» выше).

Примеры

• когенерационная электростанция в г. Аанекоски, Финляндия;
• когенерационная электростанция в г. Раухалахти, Финляндия
• используется на предприятиях по производству кальцинированной соды, см. Справочный документ по производству твердых неорганических веществ;
• предприятие Bindewald Kupfermuhle, Германия:
• мукомольный завод: 100 тыс. т/год пшеницы и ржи;
• солодовенный завод: 35000 т/год солода;
• предприятие Dava KVV, когенерационная установка по сжиганию отходов, г. Умеа, Швеция;
• предприятие Sysav, когенерационная установка по сжиганию отходов, г. Мальмё, Швеция.

Все статьи раздела Когенерация

м. Київ, вул. Богдана Хмельницького 16-22 ,
оф. № 805, 01030, Україна
Тел./факс +380 44 351 21 33
[email protected]