диплом_1 / 2 Когенерація-15

21

2 КОГЕНЕРАЦІЯ ЯК ШЛЯХ ДО ЕНЕРГОЗБЕРЕЖЕННЯ

Директива Європейського Співтовариства про розвиток когенерації визначає когенерацію як «одночасне виробництво в рамках одного процесу теплової енергії і електричної і/або механічної енергії». Когенерація відома також під назвою «Комбінованого виробництва теплової і електричної енергії». У данному розділі розглядаються різні методи когенерації, а також їх застосовуваність у різних ситуаціях. В даний час доступні рішення і методи, що роблять можливим економічно ефективне використання когенерації в малій енергетиці [6].

2.1 Різні методи когенерації

Когенераційні електростанції забезпечують одночасне виробництво теплової і електричної енергії. У табл. 2.1 представлені різні методи когенерації і характерне для них співвідношення вироблюваної електричної і теплової енергії.

Технологія когенерації	Характерне співвідношення електричної і теплової енергії
Парогазові установки (газові турбіни у поєднанні з утилізацією тепла, що відходить, і паровою турбіною одного з типів, перерахованих нижче)	0,95
Паротурбінні установки (з протитиском)	0,45
Конденсаційні турбіни з відбором пари (з противодавлением, регульованим або нерегульованим відбором пари)	0,45
Газові турбіни з утилізацією тепла, що відходить	0,55
Двигуни внутрішнього згорання (поршневі двигуни Отто або дизельні двигуни з утилізацією тепла)	0,75
Мікротурбіни
Двигуни Стірлінга
Паливні елементи (з утилізацією тепла)
Парові двигуни
Органічний цикл Ренкіна
Інші типи

Таблиця 2.1 Технології когенерації і характерні для них величини співвідношення електричної і теплової енергії

Важливою характеристикою процесу когенерації є відношення кількості виробленої електроенергії до кількості виробленої теплової енергії. Ця величина менше 1 в тому випадку, якщо установка виробляє менше електричної енергії, ніж теплової. При аналізі установок слід використовувати значення співвідношення електричної і теплової енергії, засновані на фактичних даних.

При виборі технології когенерації і масштабу установки можуть використовуватися дані про динаміку потреб в енергії протягом року.

2.1.1 Системи з протитиском

Простим методом когенерації є схема, що використовує так звані «турбіни з протитиском». При цьому як електрична, так і теплова енергія виробляються у паровій турбіні (див. рис. 2.1). Електрична потужність станцій, що використовують турбіни з противодавлением, як правило, складає декілька десятків мегават. Типове співвідношення вироблюваної електричної і теплової енергії складає 0,3 – 0,5. Потужність газотурбінних когенераційних електростанцій, як правило, декілька нижче, ніж парових, проте співвідношення електричної і теплової енергії у багатьох випадках досягає 0,5.

Потужність установок з протитиском, використовуваних в промисловості, залежить від енергоспоживання технологічних процесів, а також властивостей пари високого тиску, середнього тиску і протитиску. Важливою характеристикою систем з протитиском є співвідношення електричної і теплової енергії.

У когенераційних установках, обслуговуючих централізовані системи теплопостачання (теплоелектроцентралях або ТЕЦ), що покидає турбіну пар конденсується в теплообмінниках і прямує споживачам у вигляді гарячої води. У когенераційних установках промислових підприємств відпрацьована в турбіні пара повертається на підприємство для використання його теплової енергії. На ТЕЦ противодавление пари нижчий, ніж на промислових когенераційних установках з протитиском. Тому співвідношення вироблюваної електричної і теплової енергії у разі промислових когенераційних установок нижче, ніж у випадку ТЕЦ [6].

Рисунок 2.1 Когенераційна установка з протитиском

2.1.2 Конденсаційні системи з відбором пари

На відміну від традиційної конденсаційної електростанції, що проводить тільки електроенергію, в конденсаційній системі з відбором пари частина пари відбирається з турбіни для використання як джерело тепла (див. рис. 2.2) [6].

Рисунок 2.2: Когенераційна установка з відбором пари

2.1.3 Газотурбінні системи з утилізацією тепла

У газотурбінних системах з утилізацією тепла теплова енергія виробляється за рахунок енергії гарячих димових газів турбіни в котлі-утилізаторі (див. рис. 2.3). Як паливо для таких установок, як правило, використовуються природний газ, нафта або поєднання цих видів палива. Крім того, як паливо для газових турбін можуть використовуватися продукти газифікації твердого або рідкого палива [6].

Рисунок 2.3 Газотурбінна когенераційна установка з утилізацією тепла

2.1.4 Парогазові системи

Парогазова установка (установка комбінованого циклу) складається з однієї або декількох газових турбін, сполучених з однією або декількома паровими турбінами (див. рис. 2.4). У багатьох випадках такі установки використовуються для комбінованого виробництва теплової і електричної енергії. Тепло вихлопних газів газової турбіни утилізувався і використовується для виробництва пари, що приводить в дію парові турбіни. Як правило, тепло, отримане в результаті утилізації, використовується для виробництва додаткової електроенергії, а не для опалювання або нагріву. Перевагами подібних систем є високе відношення електричної до теплової енергії, а також високий ККД. Газифікація твердого палива – один з перспективних напрямів розвитку технологій спалювання – також використовується у поєднанні з парогазовимх системами і когенерації. Газифікація палива дозволяє значно знизити викиди оксидів сірі і азоту в порівнянні з традиційним спалюванням твердого палива завдяки очищенню газу після газифікації, але до спалювання в турбіні [6].

Рисунок 2.4 Когенерационная парогазова установка

2.1.5 Двигуни внутрішнього згорання

При використанні двигунів внутрішнього згорання можлива утилізація тепла змащувального масла, що охолоджує води, а також вихлопних газів, як показано на рис. 2.5.

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

Потужність існуючих установок на основі двотактних двигунів з низькими оборотами (<300 об./хв.) може досягати 80 МВт_е. Потужність існуючих чотиритактних систем з середніми оборотами (300 <n <1500 об./хв.) досягає 20 МВт_е. Такі установки, як правило, використовуються як базові системи для постійного виробництва енергії. Чотиритактні системи з високими оборотами (>1500 об./хв.) мають потужність 3 МВт_е і зазвичай використовуються як пікові джерела енлектроенергії.

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

Як правило, стаціонарна ДВС-електростанція (тобто, станція, що не є пересувним генератором) складається з декількох енергоблоків, що працюють паралельно. Ряд незалежно працюючих установок у поєднанні з високим ККД в умовах неповного навантаження забезпечують надійність і гнучкість енергопостачання, дозволяючи найкращим чином задовольняти швидкі змінні потреби. Час запуску подібних систем з холодного стану невеликий в порівнянні з аналогічною характеристикою парогазовых або парових електростанцій на вугільному, нафтовому або газовому паливі. Запущена система на основі ДВС здатна оперативно реагувати на зміни навантаження, при необхідності забезпечуючи швидку стабілізацію параметрів мережі [6].

Рисунок 2.5 Когенерационная установка на основі двигуна внутрішнього згорання

З двигунами внутрішнього згорання можуть використовуватися замкнуті системи водяного охолоджування, що робить водоспоживання відповідних електростанцій украй низьким.

Компактна конструкція ДВС-СИСТЕМ робить їх придатними для організації розподіленого виробництва тепла і електроенергії в безпосередній близькості від кінцевих споживачів в міських і промислових районах. Це дозволяє понизити пов'язані з розподілом втрати в трансформаторах, лініях електропередач і трубопроводах. Типові втрати в розподільних і передавальних мережах при централізованому виробництві електроенергії складають 5–8% виробленої енергії; втрати тепла в муніципальних мережах централізованого теплопостачання складають близько 10%. Слід мати на увазі, що найбільші втрати мають місце в мережах низької напруги, а також в з'єднаннях на рівні кінцевого споживача. З іншого боку, виробництво електроенергії на великих централізованих електростанціях, як правило, є ефективнішим.

Високий ККД одноступінчатої генерації на основі ДВС у поєднанні з щодо високою температурою вихлопних газів і води, що охолоджує, робить цю технологію ідеальним рішенням для когенерації. Як правило, у вихлопних газах міститься близько 30% енергії, що виділяється при спалюванні палива, а в потоках води, що охолоджує, – близько 20%. Енергія вихлопних газів може утилізувати за допомогою котла-утилізатора або теплобомінника, використовуваних для виробництва пари, гарячої води або гарячого масла. Крім того, гарячі вихлопні гази можуть бути безпосередньо або побічно (за допомогою теплообмінника) використані в різних технологічних процесах, наприклад, для сушки.

Потоки води, що охолоджує, можуть бути розділені на високотемпературний і низькотемпературний контури. Потенціал утилізації енергії води залежить від мінімальної температури, що відповідає потребам споживача тепла. Потенціал води, що охолоджує, може бути використаний практично повністю в централізованій системі теплопостачання з низькими температурами повернення. Утилізація тепла, що відводиться при охолоджуванні двигуна, у поєднанні з котлом-утилізатором енергії вихлопних газів і економайзером, здатна забезпечити використання (у формі електроенергії і тепла) до 85% енергії рідкого палива і до 90% енергії газоподібного палива.

Теплова енергія може поставлятися кінцевому споживачеві, залежно від його потреб, у формі пари (аж до перегрітої пари з тиском до 20 бар), гарячої води або гарячого масла. Тепло може також використовуватися в процесі абсорбції охолоджування для виробництва охолодженої води.

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

Для компенсації короткострокових розузгоджень між графіком потреб в електроенергії і теплі/холоді можуть використовуватися акумулятори гарячіше і холодної води.

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

2.2 Екологічні переваги

Використання когенерації пов'язане із значними економічними і екологічними перевагами. Когенераційні установки комбінованого циклу забезпечують максимально ефективне використання енергії палива за рахунок одночасного виробництва електричної і теплової енергії з мінімальними втратами. Подібні установки забезпечують ефективність використання енергії палива (ККД) до 80–90 %, тоді як для традиційних конденсаційних ТЕС аналогічна величина знаходиться в діапазоні 35–45 %, а для електростанцій комбінованого циклу (без когенерації) вона не перевищує 58 %.

Високий ККД процесів когенерації забезпечує значні об'єми енергозбереження і скорочення викидів. На рис. 2.6 показані характерні значення для когенерационной електростанції порівняно з окремими електростанцією і котельною для виробництва тепла. Дані, виражені в умовних одиницях енергії, приведені для вугільного палива, проте аналогічна ситуація має місце і при використанні інших видів палива. В даному прикладі когенерационная установка виробляє ту ж кількість корисної енергії (електрики і тепла), що і окремі установки. Проте при окремому виробництві загальні втрати енергії досягають 98 одиниць, тоді як у разі когенерації втрати складають всього 33 одиниці. При роздільному виробництві тепла і енергії ККД (ефективність використання палива) складає 55%, тоді як у разі когенерації величина ККД досягає 78%. Тому когенерація вимагає на 30% менше палива для виробництва тих же кількостей корисної енергії. Це означає, що при використанні когенерації викиди забруднюючих речовин скорочуються на ту ж величину. Проте точна величина зниження викидів залежить від місцевої структури паливного балансу при виробництві електроенергії і/або тепла (пара) [6].

Рисунок 2.6 Порівняння ефективності когенерації і роздільного виробництва електроенергії і тепла

Як і у разі окремого виробництва електроенергії, для когенерації може використовуватися широкий діапазон видів палива, включаючи, наприклад, відходи, поновлюване паливо (біомасу), а також викопні види палива – вугілля, нафта і природний газ.

Дія на різні компоненти навколишнього середовища

Об'єм виробництва електроенергії може опинитися нижче, якщо система когенерації оптимізована для утилізації тепла. Можна показати, що установка по спалюванню відходів, що утилізувала, наприклад, 18% енергії спалюваних матеріалів у формі електроенергії, еквівалентна установці, що утилізувала 42,5% енергії у формі централізованого розподілюваного тепла або пари, придатної для комерційного використання.

2.3 Застосовність когенерації

Принципове рішення про використання когенерації і вибір конкретного методу визначаються рядом факторів; навіть підприємства з аналогічними потребами в енергії не можуть вважатися абсолютно однаковими в цьому відношенні. У багатьох випадках принципове рішення про впровадження когенерації визначається наступними чинниками:

1. - принциповою є наявність достатніх потреб в теплі, що відповідають можливостям когенерації з погляду кількості, температури і т.п.;

2. - наявність у підприємства базисного навантаження, тобто рівня, нижче за яке споживання електроенергії опускається рідко;

3. - схожий характер графіків потреб в тепловій і електричній енергії;

4. - співвідношення цін на паливо і тарифів на електроенергію, що забезпечує економічну ефективність когенерації;

1. - високий очікуваний рівень завантаження (бажано більше 4 тис. години роботи при повному навантаженні в рік).

В цілому, застосування когенерації виправдане на тих підприємствах, де є значні потреби в теплі при температурах, відповідних низькому або середньому тиску пари. При оцінці потенціалу виробництва з погляду когенерації важливо переконатися в тому, що немає підстав чекати істотного скорочення потреб в теплі. Інакше експлуатація системи, розрахованої на виробництво надмірного тепла, виявиться неефективною.

За станом на 2007 р., навіть відносно невелика когенераційна система могла бути рентабельною.

Нижче в цьому розділі приводяться рекомендації щодо типів когенераційних систем, придатних для тих або інших конкретних умов. Слідує, проте, мати на увазі, що кількісні критерії, що приводяться, носять орієнтовний характер і можуть залежати від місцевих умов. Як правило, існує можливість продажу надмірній електроенергії національним мережам, оскільки власне енергоспоживання підприємства може істотно варіювати. Моделювання виробництва і споживання енергоресурсів сприяє оптимізації систем генерації електроенергії і утилізації тепла, а також рішень про закупівлі бракуючої і продажі надмірній енергії [7].

2.4 Вибір типу когенерационной системи

Парові турбіни можуть бути адекватним варіантом при виконанні наступних умов:

1. - базисне електричне навантаження перевищує 3–5 МВт_е;

2. - існує застосування для низкопотенциального пари, і необхідне співвідношення електричної і теплової енергії перевищує 1:4;

3. - доступність недорогого палива з невисокою торговою націнкою;

4. - доступність адекватної площі для розміщення системи;

5. - наявність високопотенційного тепла, що відходить від технологічних процесів (наприклад, від печей або сміттєспалювальних установок);

6. - необхідність заміни існуючої котельної;

7. - необхідне зведення до мінімуму співвідношення електричної і теплової енергії до мінімуму.

8. У когенераційних системах максимізація співвідношення електричної і теплової енергії вимагає мінімізації рівня противодавления і максимізації рівня високого тиску.

Використання газових турбін може бути доцільне при виконанні наступних умов:

1. - передбачається довести до максимуму відношення вироблюваної електричної енергії до теплової;

2. - потреба в електроенергії є постійною і перевищує 3 Мвте (на момент підготовки даного документа газові турбіни меншої потужності лише починають виходити на ринок);

3. - доступність природного газу (проте його відсутність не є лімітуючим чинником);

4. - існує значна потреба в парі среднего/высокого тиску або в гарячій воді, зокрема, з температурою, 500°C, що перевищує;

5. - наявність застосування для гарячих димових газів з температурою 450°C або вище – гази можуть розбавлятися холодним атмосферним повітрям або пропускатися через газо-воздушный теплообмінник. (Крім того, доцільно розглянути можливість додавання парової турбіни і створення парогазовой системи комбінованого циклу).

Використання когенерационных систем на основі двигунів внутрішнього згорання може бути доцільне на підприємствах, де виконуються наступні умови:

1. - потреба в енергії носить циклічний характер або не є постійною;

2. - існує потреба в парі низького тиску або гарячій воді средней/низкой температури;

3. - потрібне високе значення співвідношення електричної і теплової енергії;

4. - якщо доступний природний газ, переважним є використання двигунів внутрішнього згорання на цьому виді палива;

5. - якщо природний газ недоступний, можуть використовуватися дизельні двигуни на мазуті або зрідженому нафтовому газі;

6. - при електричному навантаженні менше 1 МВт_е – іскрове запалення (доступні системи потужністю від 0,003 до 10 МВт_е);

7. - при електричному навантаженні більше 1 МВт_е – займання від стиснення (доступні системи потужністю від 3 до 20 МВт_е).

2.5 Економічні аспекти

1. - економіка когенерації істотно залежить від співвідношення цін на паливо і електроенергію, цін на тепло, коефіцієнта завантаження і ККД системи;

2. - економіка когенерації істотно залежить від здатності забезпечити стабільне виробництво тепла і електроенергії в довгостроковій перспективі, а також наявності довгострокової потреби в них;

3. - важливу роль грає політична підтримка і ринкові механізми, наприклад, податкові пільги і лібералізація ринків енергії [7].