Оптимизация системы охлаждения с целью снижения ее воздействия на окружающую среду представляет собой сложный процесс, который не может быть сведен к простому сравнению некоторых количественных характеристик. Иными словами, механическое комбинирование методов, выбранных из таблиц НДТ, не обязательно позволяет получить систему охлаждения,
отвечающую принципам НДТ. Окончательное решение, отвечающее этим принципам, всегда будет зависеть от конкретных условий. Тем не менее, предполагается, что на основе практического опыта промышленности могут быть выработаны рекомендации по НДТ, там, где это возможно, – количественного характера.
Справочная информация
[237, Fernández-Ramos, 2007]
3.4. Когенерация
[65, Nuutila, 2005], [97, Kreith, 1997].
Директива Европейского Сообщества 2004/8/EC о развитии когенерации определяет когенерацию как «одновременное производство в рамках одного процесса тепловой энергии и электрической и/или механической энергии». Когенерация известна также под названием «комбиниованного производства тепловой и электрической энергии». Существует значительный интерес к когенерации, поддержанный на уровне Европейского Сообщества посредством принятия Директивы 2003/96/EC о налогообложении энергии, создающей благоприятные условия для развития когенерации. Подготовленный Европейской Комиссией «Зеленый» доклад об энергоэффективности (the Green Paper on energy efficiency) отмечает масштабы потерь при производстве и передаче электроэнергии и указывает на утилизацию тепла и развитие когенерации на местном уровне как на возможные способы сокращения этих потерь.
В настоящем разделе рассматриваются различные методы когенерации, а также их применимость в различных ситуациях. В настоящее время доступны решения и методы, делающие возможным экономически эффективное использование когенерации в малой энергетике.
3.4.1. Различные методы когенерации
Когенерационные электростанции обеспечивают одновременное производство тепловой и электрической энергии. В табл. 3.20 представлены различные методы когенерации и характерное для них соотношение производимой электрической и тепловой энергии.
|
Характерное соотношение |
|
Технология когенерации |
электрической и тепловой |
|
|
энергии |
|
Парогазовые установки (газовые турбины в сочетании с утилизацией |
0,95 |
|
отходящего тепла и паровой турбиной одного из типов, перечисленных |
||
ниже) |
|
|
Паротурбинные установки (с противодавлением) |
0,45 |
|
Конденсационные турбины с отбором пара (с противодавлением, |
0,45 |
|
регулируемым или нерегулируемым отбором пара) |
||
|
||
Газовые турбины с утилизацией отходящего тепла |
0,55 |
|
Двигатели внутреннего сгорания (поршневые двигатели Отто или |
0,75 |
|
дизельные двигатели с утилизацией тепла) |
||
|
||
Микротурбины |
|
|
Двигатели Стирлинга |
|
|
Топливные элементы (с утилизацией тепла) |
|
|
Паровые двигатели |
|
|
Органический цикл Ренкина |
|
|
Другие типы |
|
Таблица 3.20: Технологии когенерации и характерные для них величины соотношения электрической и тепловой энергии
[146, EC, 2004]
195
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% (см. также Приложение 7.10.3), 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. 3.12). 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.
36Рамочная директива ЕС по отходам.
196
Рисунок 3.12: Когенерационная установка с противодавлением
[65, Nuutila, 2005]
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. 3.13). Вопросы, связанные с распределением и использованием пара, обсуждаются в разделе 3.2.
Рисунок 3.13: Когенерационная установка с отбором пара
[65, Nuutila, 2005]
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. 3.14). 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.
197
Рисунок 3.14: Газотурбинная когенерационная установка с утилизацией тепла
[65, Nuutila, 2005]
Парогазовые системы
Парогазовая установка (установка комбинированного цикла) состоит из одной или нескольких газовых турбин, соединенных с одной или несколькими паровыми турбинами (см. рис. 3.15). 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.
198
Рисунок 3.15: Парогазовая когенерационная установка
[65, Nuutila, 2005]
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. 3.16.
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 <n <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.
199
Рисунок 3.16: Когенерационная установка на основе двигателя внутреннего сгорания
[65, Nuutila, 2005]
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.
200
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. См. раздел 3.4.3.
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. 3.17 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).
201
Рисунок 3.17: Сравнение эффективности когенерации и раздельного производства электроэнергии и тепла
[65, Nuutila, 2005]
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).
Производственная информация
См. описание различных методов когенерации выше.
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;
202
•высокий ожидаемый уровень загрузки (желательно более 4–5 тыс. час. работы при полной нагрузке в год).
Вцелом, 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 (см. пример больницы «Атриум», Приложение 7.7, пример 2). 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 (см. раздел 2.15.2) 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:
•базисная электрическая нагрузка превышает 3–5 МВтэ;
•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 газовоздушный 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:
203