Автономные источники теплоснабжения

Автономные источники теплоснабжения

Альтернативные источники от мини-ТЭЦ 

Сегодня актуальной является проблема тепло- и электроснабжения объектов от альтернативных источников, в частности от мини-ТЭЦ малой и средней мощности. 

С этой целью принимаются меры по реконструкции котельных в мини-ТЭЦ, создаются источники на базе газотурбинных установок, используются турбины с противодавлением, двигатели внутреннего сгорания. 

Анализ производства тепловой энергии в производственно-отопительных котельных показывает, что есть возможности повышения эффективности их работы за счет утилизации бросовой энергии, например, при дросселировании водяного пара. 

С этой целью авторами предлагается заменить на действующих производственно-отопительных котельных, где давление генерируемого пара составляет 1,3--1,4 МПа (тогда как для технологии необходимо 0,3--0,7 МПа), редукционно-охладительные установки на мини-турбины с противодавлением. Это позволит полезно использовать бросовую энергию дросселирования для получения электроэнергии. 

Если установка противодавленческих турбин возможна только в котельных установках с паровыми котлами, то установка теплофикационных газотурбинных установок возможна в котельных и с водогрейными котлами при условии наличия дополнительных рабочих площадей. 

Проблемными являются вопросы размещения дожимающих газокомпрессорных станций (требуемое давление в камере сгорания 1,8--2,5 МПа). 

Как показывают исследования, в децентрализованных системах теплоснабжения целесообразна реконструкция котельных с размещением в них газотурбинных установок небольшой мощности и утилизацией продуктов сгорания в топках существующих котлов (так называемая сбросная схема). 

Находят применение энергетические газотурбинные установки мощностью от 2,5 до 12 МВт, выполненные на базе авиационных и судовых двигателей. 

В последние годы признается эффективным создание мини-ТЭЦ на базе двигателей внутреннего сгорания для электрификации и отопления производственных объектов и жилых комплексов. Это объясняется тем, что КПД поршневых машин выше и составляет 36--45 %, а газовых турбин -- 25--34 %. 

Кроме того, установка газовых турбин требует высоких давлений газа (до 2,5 МПа), в то время как газопоршневые установки работают с низким давлением и им не требуется установка газодожимного компрессора. 

Мини-ТЭЦ на базе двигателей внутреннего сгорания способны работать на различных видах топлива: природном газе, промышленном (коксовом, биогазе, шахтном), дизельном топливе, бензине. По данным исследований при единичных мощностях менее 3,5 МВт наиболее целесообразно применение поршневых машин. Удельный расход топлива на выработанный кВт/ч меньше у газопоршневых генераторных установок, причем при любом нагрузочном режиме. 

Автономные источники малой энергетики на базе мини-ТЭЦ в настоящее время на российском рынке представлены бензиновыми и дизельными электростанциями мощностью от 10 до 30 МВт как отечественного, так и зарубежного производства. 

Наблюдается потребительский спрос на мини-электростанции. Это вызвано тем, что автономизация производства электрической энергии обусловлена обеспечением энергетической безопасности объектов, особенно тех, где задействованы компьютерные технологии. 

В качестве привода генераторная установка использует газопоршневые двигатели, работающие на обедненной газовой смеси, с номинальными мощностями до 2 МВт. При этом эксплуатационные расходы остаются такими же или даже меньшими, чем у конкурируемых ТЭЦ. Стандартные уровни содержания NОх в выхлопе равны 250 и 500 мг/м3, в то же время удельная мощность остается высокой. 

Особенно перспективны газопоршневые двигатели, работающие на газообразном топливе. Разработка новой серии двигателей на природном газе отвечает прогнозам Министерства энергетики США, согласно которым в течение следующих 20 лет использование природного газа для децентрализованного производства электроэнергии возрастет в мире в два раза [5]. В США доля природного газа в производстве электроэнергии, как ожидается, увеличится с 15 % в 1999 году до 32 % к 2020 году. Аналогичная ситуация наблюдается и в России. Это связано с ростом использования газопоршневых генераторных установок для производства электрической энергии. 

Кроме того, перевод двигателей мини-ТЭЦ на газообразное топливо позволит улучшить экологические параметры окружающей среды, что соответствует законодательным требованиям по обеспечению качества воздуха с учетом ужесточения допустимых уровней загрязнения окружающей среды оксидами азота и другими веществами, содержащимися в выхлопных газах двигателей. 

Общий вид новой серии С3500 электрогенераторных установок, а ее номинальные характеристики -- в табл. 1. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Таблица 1 

Номинальные характеристики электрогенераторной установки G3520C 

 
 

Из табл. 1 следует, что электрогенерирующей установкой производится около 80 % электроэнергии и 21 % -- теплоты. 

Перспективны электрогенераторные установки в комплексе с вихревыми теплогенераторами и тепловыми насосами. 

Подбор оборудования мини-ТЭЦ должен базироваться на расчетах себестоимости вырабатываемой энергии в электрогенераторах. 

Из анализа технических литературных источников следует, что сегодня отсутствуют нормативная и методическая база по проектированию мини-ТЭЦ, перспективные тепловые и электрические схемы по использованию их энергии, особенно комплексных схем на базе электрогенераторов совместно с теплогенераторами и тепловыми насосами. 

Несмотря на обширный рынок как отечественных, так и импортных электрогенераторов, необходимо проводить работы по их совершенствованию, особенно отечественных поршневых установок малой мощности для коттеджей, сельхозпредприятий, фермерских хозяйств. 

Ниже представлены результаты исследований и перспективы использования бензиновых и газовых поршневых двигателей для маломощных электрогенераторов мини-ТЭЦ, а также их перевода на газообразное топливо. 

Для исследования мини-ТЭЦ малой мощности на базе двигателя внутреннего сгорания для разработки методики их проектирования была смонтирована экспериментальная установка на базе двигателя УД-25. 

Двигатель и генератор соединены фланцем и образуют единый блок, установленный на раме, через четыре резиновых амортизатора. Двигатель приводит во вращение генератор через упругую муфту. На раме смонтирован блок управления 5, представляющий собой металлический корпус, в котором располагаются частотомер, вольтметр, омметр, счетчик моточасов работы двигателя, кнопка возбуждения генератора, кнопка проверки исправности прибора контроля изоляции, выключатель нагрузки, розетки для подключения нагрузки. Таким же способом закреплены бак-аккумулятор и утилизатор выхлопных газов, соединенные трубками циркуляции. Все горячие поверхности изолированы. На циркуляционном контуре установлен насос, электропривод которого потребляет электрическую мощность от генератора. В результате создана стендовая автономная, не нуждающаяся в подводе энергии извне генерирующая установка, способная генерировать и электричество, и теплоту. 

Технические характеристики двигателя и генератора представлены в табл. 2. 

Таблица 2 

 Технические характеристики мини-ТЭЦ 

 
 

В ходе эксперимента измерялись основные параметры: температура уходящих газов в выходном патрубке цилиндра, на входе и выходе из теплообменника, масла в картере двигателя, воздуха после охлаждения цилиндров двигателя; давления газового потока в различных сечениях, параметры генератора, время нагрева воды в баке до 90 °С. Замеры проводились при различных оборотах вала двигателя, измеряемых тахометром. 
 

Масла в картере двигателя, выхлопных газов в выходном патрубке цилиндра от оборотов двигателя. Обработка опытных данных показала, что экспериментальные точки удовлетворительно аппроксимируются аналитическими зависимостями: 

где t -- время прогрева воды в баке-аккумуляторе (масса воды -- 20 кг); 

tвзд, tух, tв -- соответственно температура воздуха, подаваемого на охлаждение, уходящих газов на выходе из цилиндра, воды в тепловом аккумуляторе, справедливыми в диапазоне изменения 1 000 ≤ n ≤ 3 000 об/мин. 

Эмпирические зависимости (1)--(3), дополненные уравнениями теплового и электрического балансов, составляют основу методики проектирования поршневых мини-ТЭЦ. 

Важным параметром, характеризующим эффективность работы мини-ТЭЦ, является температура воды в теплообменнике от времени нагрева при фиксированных нагрузках двигателя, n, об/мин. 
 

Опыты показали, что температура охлаждающего воздуха после его прогрева при номинальной нагрузке (3 000 об/мин) составляет 94 °С, а температура масла -- 76 °С. Это позволяет использовать тепловой потенциал для дополнительного нагрева воды.

На Схеме 1 приведена одна из возможных схем мини-ТЭЦ на базе поршневых двигателей внутреннего сгорания 

Принцип работы следующий: холодная вода, подаваемая насосом, разделяется на два потока, один попадает в электродный котел (или вихревой теплогенератор), работающий от генератора, а другой проходит три ступени подогрева. Сначала вода попадает в теплообменник системы охлаждения масла, затем в теплообменник системы охлаждения двигателя 6 и в последней ступени нагревается уходящими газами в утилизаторе. В результате получается два тепловых потока. Один используется для снабжения горячей водой (t = 60--65 °С), а второй идет на отопление (t = 90 °С). Конечная температура воды регулируется нагрузкой двигателя.