Апгрейдэнерго

Когенерирующая энергетика

Апгрейдэнерго

Когенерирующая энергетика

Апгрейдэнерго

Когенерирующая энергетика

Апгрейдэнерго

Когенерирующая энергетика

Апгрейдэнерго

Когенерирующая энергетика

Сравнение различных типов когенераторов, применяемых в мини-ТЭЦ

Газовые турбины

Принцип работы газовых турбин состоит в следующем: газ, нагнетаемый  в камеру сгорания компрессором, смешивается с воздухом, формируя топливную смесь, и поджигается. Образующиеся продукты горения с высокой температурой (9000С-12000С), проходя через несколько рядов лопаток, установленных на валу турбины, приводят к вращению турбины. Механическая энергия вала передается через (понижающий) редуктор (в случае свободной турбины редуктор отсутствует) электрическому генератору. Тепловая энергия выходящих из турбины газов поступает в теплоутилизатор.

Наиболее традиционным видом топлива для газовых турбин является природный газ, хотя это не исключает возможности использования других видов  топлива.

Температура исходящих из турбины газов составляет 3500С – 5500С. Количественное соотношение тепловой энергии к электрической у газовых турбин составляет от 1,5:1 до 2,5:1, что позволяет строить когенерационные системы, различающиеся по типу теплоносителя:

  • Непосредственное (прямое) использование отходящих горячих газов;
  • Производство пара низкого или среднего давления (8-18 кг/см2) во внешнем котле;
  • Производство горячей воды (лучше, когда требуемая температура превышает 140 0С);
  • Производство пара высокого давления (турбины комбинированного цикла).

КПД газовой турбины составляет 25% - 45%, в зависимости от параметров работы конкретной модели турбины и характеристик топлива. Газовые турбины обладают хорошими экологическими параметрами (эмиссия NOx на уровне 25 ppm).

Работа турбины сопровождается средним уровнем шума, а для микротурбин очень низким шумом, поэтому для больших установок применяются индустриального типа здания (в том числе контейнерного типа), которые также обеспечивают влагозащищенность оборудования.

Поршневые двигатели

Поршневые двигатели, используемые в энергосистемах, обладают, с одной стороны, соизмеримой с турбинами эффективностью в части генерации электроэнергии. С другой стороны, создание когенерационных систем на базе поршневых двигателей осложнено рассеиванием тепловой энергии, часть которой отводится системой охлаждения двигателя (двигатель и масло, используемое в системе смазки, должны постоянно охлаждаться), а также пульсирующим характером потока отходящих газов (с температурой на уровне 400 0С). Количественное соотношение тепловой энергии и электрической у поршневых двигателей составляет от 1:1 до 1,3:1 ( ниже чем у турбин).

Подготовка места установки поршневых двигателей должна обязательно включать решение вопросов, связанных с вибрацией. Наиболее эффективным методом является использование платформы с пневматической системой амортизации.

Поршневой двигатель конструктивно имеет больше движущихся частей по сравнению с турбиной. Следовательно, интервалы сервисного обслуживания, связанного с остановкой и ремонтом двигателя короче, чем у турбин.  Существенное ограничение состоит в работе на неполной мощности – поршневой двигатель, как правило, не рекомендуется запускать с нагрузкой менее 50% на продолжительный период времени.

Для борьбы с высокой эмиссией вредных веществ в поршневых двигателях используются как внешние каталитические фильтры, так и конструктивные модификации самих двигателей, направленные на увеличение времени горения и степени сжатия топливной смеси. Это, в свою очередь, приводит к росту стоимости самого оборудования и расходов на его сопровождение. Высокая эмиссия поршневых двигателей связана в первую очередь с тем, что развитие этих технологии происходило в период отсутствия экологических ограничений и основное внимание уделялось максимизации выходной мощности и производительности.

Микротурбины

Микротурбина используется в качестве двигателя модульных мини-ТЭС, работающих в диапазоне мощностей от 30 до 6000 кВт.

Все движущиеся части микротурбинного двигателя – воздушный компрессор, генератор и сама турбина – расположены на одном валу, скорость вращения которого достигает – 96000 оборотов в минуту. Вал закреплен на воздушных подшипниках, что позволяет отказаться от жидкостной смазки и использовать для этого воздух. Воздух также обеспечивает охлаждение двигателя и управляющей электроники. Это позволяет значительно снизить стоимость обслуживания оборудования по сравнению с другими технологиями. Для микротурбин стандартным считается проведение регламентных работ не чаще чем 1 раз в год.

Хотя основным видом топлива для микротурбин является природный газ,  они также могут не менее  эффективно работать и на другом топливе (попутный нефтяной, биологический газы, шахтный метан, сжиженный пропан, бутан, дизель или керосин).

Микротурбины демонстрируют наилучшие показатели по экологическим параметрам по сравнению с остальными приведенными в настоящем обзоре технологиями: содержание NОх в отходящих газах не превышает 9 ppm, CO – до 15 ppm (на номинальной мощности), что в 10 раз лучше, чем у поршневых двигателей и в 5 – чем у индустриальных турбин.

Микротурбины не вибрируют, акустическая эмиссия не превышает 65 ДБ и легко гасится с помощью дополнительных кожухов. Корпус микротурбины имеет защиту от влаги и позволяет устанавливать оборудование на открытой площадке, снижая тем самым расходы на организацию специальных помещений.

По совокупности все эти преимущества позволяют применять микротурбины в качестве постоянно работающего энергоисточника генератора даже в густонаселенных городских центрах внутри и вне помещений, отводя сети роль резерва.

Применение микротурбин в когенерации определяется температурой отходящих газов (3050С) и количественным соотношением тепловой энергии к электрической (от 2:1 до 2.5:1), составом и экологической безопасностью выхлопа:

  • Прямое использование газа для сушки, обогрева помещений, производства CO2 (теплицы);
  • Комплектация интегрированным или подключение внешнего теплообменника, в котором теплоносителем выступает вода или гликоль (горячее водоснабжение, отопление);
  • Интеграция с климатическими системами для охлаждения и осушки помещений (например, в абсорбционном чиллере).

Малая единичная мощность, масштабируемость и возможность эффективно работать в диапазоне нагрузок от 0 до 100% позволяют оптимизировать схемы производства энергии, что приводит к существенной экономии топлива и увеличивает срок службы оборудования.

Системы комбинированного цикла

Комбинированная система строится на основе индустриальной газовой турбины, поток горячих отходящих газов которой, направляется на производство пара, который, в свою очередь, поступает в паровую турбину. Как правило, такие системы используются генерирующими компаниями в случае, когда необходимо максимизировать производство электрической энергии. Когенерация в этом случае играет подчиненную роль и обеспечивается за счет отвода части тепла из паровой турбины. В принципе, комбинированные системы можно построить и на базе других типов двигателей (кроме газовых турбин).

В нижеследующей таблице приведены основные данные по двигателям, используемым в когенерационных системах:

Наименование

Преимущества

Недостатки

Индустриальная газовая турбина

Надежность
Отсутствие водяной системы охлаждения
Гибкость по отношению к выбору топлива
Низкая эмиссия вредных веществ

Нижний порог эффективного применения (от 2.5 МВт электроэнергии)
Требуется подготовка топлива (очистка, осушка, компрессия)

Поршневой двигатель

Высокая производительность
Широкий спектр моделей по выходной мощности
Возможность автономной работы
Гибкость технологической схемы
Гибкость по отношению к выбору топлива

Дорогое обслуживание (обслуживающий персонал, использование смазочных масел и охлаждающих жидкостей)
Высокая эмиссия вредных веществ
Высокий уровень (низкочастотного) шума
Высокое соотношение вес/выходная мощность

Микротурбина

Низкая стоимость обслуживания (отсутствие жидкостной смазки, удаленный мониторинг)
Быстрый запуск
Масштабируемость
Возможность автономной работы
Гибкость по отношению к выбору топлива
Самая низкая эмиссия вредных веществ по сравнению с другими приведенными выше технологиями
Практически отсутствует - вибрация

Относительно низкая выходная мощность одного турбогенератора (30-250 квт).
Более высокая относительная стоимость