Когенераційна технологія

Когенераційна технологія

Всі генератори, що продаються, виробляють певну кількість тепла під час виробництва електроенергії, яку можна використовувати в методі, званому когенерацією. Когенерація, або рекуперація відпрацьованого тепла, може використовуватися як для обігріву, так і для охолодження великих будівель або використання потенційної енергії для живлення будь-якої кількості промислових додатків.

У середньому більшість двигунів втрачають близько 50% теплової енергії. За допомогою когенерації електростанції потенційно можуть досягти загальної ефективності до 80%. У цій статті будуть обговорюватися інженерні аспекти когенерації та практичні програми, що використовуються в даний час у всьому світі.

Когенерацію або ТЕЦ (комбіноване виробництво тепла та електроенергії) можна визначити як одержання двох видів енергії з одного джерела палива. Наприклад, генератор, що продається, виробляє електроенергію в якості первинного джерела енергії і відпрацьоване тепло в якості вторинного джерела енергії. Часто термін "когенерація" використовується неправильно. Когенерація не відноситься до роботи двох генеруючих джерел, що працюють паралельно; наприклад, два генератори, з'єднані разом як єдине джерело енергії.

Інший приклад - генератор вітряної турбіни, що працює паралельно із генераторною установкою двигуна. У цих прикладах система не отримує електрику та тепло одночасно, використовуючи пару від одного і того ж казана. Енергія, що уловлюється справжньою когенераційною системою, зазвичай виділяється в природне середовище.

Когенерація - одне з провідних технологічних досягнень у досягненні паливної ефективності. За правильних обставин системи вироблення електроенергії можуть досягти приросту ефективності на 50–200% або більше порівняно з поточними налаштуваннями. Зростання занепокоєння з приводу викидів вуглекислого газу робить необхідність скорочення використання викопного палива в майбутньому невідкладною. Замість повної зміни технологій виробництва енергії (сонячна, вітрова, гідроелектростанція) компанії набагато дешевше досягають ефективності за рахунок когенерації.

Первинне джерело енергії може бути будь-якою формою енергії, що приводиться в дію первинним двигуном, такий як, крім іншого, системи вироблення електроенергії, нагнітачі, опріснювальні установки, насоси, повітряні компресори або відцентрові (абсорбційні) охолоджувачі. Термодинамічне тепло, що рекуперується первинним двигуном, зазвичай знаходиться у формі пари або гарячої води. Процес первинного двигуна трансформується в систему когенерації, коли тепло, яке викидається первинним двигуном, яке зазвичай витрачається марно, рекуперується і використовується у пристрої, що споживає тепло. Основна відмінність між газотурбінним двигуном та поршневим двигуном – це спосіб відведення тепла.

Важливо, що проекти когенерації слід розглядати тільки в тому випадку, якщо існує постійна потреба у використанні тепла, що відходить. Це неекономічне рішення, якщо відпрацьоване тепло використовується лише кілька місяців на рік. Система когенерації, яка використовує відпрацьоване тепло взимку для обігріву приміщення, також повинна використовувати це відпрацьоване тепло в інші сезони. Наприклад, через 7 когенераційних установок щорічно розподіляє 66 мільярдів кілограмів пари при температурі 176 °C в 100 000 будинок. Більшість цих будівель налаштовані як для обігріву, так кондиціювання повітря через пару. Було б марною тратою грошей використовувати пари тільки для обігріву будівлі, а потім встановлювати окремі кондиціонери. Найменші когенераційні установки ідеально підходять для лікарень, готелів, промислових підприємств та університетських містечок.

Якщо існує невідповідність між споживанням електроенергії та тепла, то одна з них може бути продана у договорі купівлі-продажу електроенергії. Наприклад, якщо виникає більший попит на тепло, ніж електроенергію, його можна продати безпосередньо комунальній компанії. І навпаки, у деяких холодніших міських районах надмірне виробництво тепла може бути продано газовій компанії для розподілу серед житлових будинків.

Типи когенераційних установок
Найбільш поширеним типом систем утилізації тепла, що відходить, є пара і гаряча вода. Більшість двигунів мають максимальну температуру води на виході із сорочки 98 °C. Інші двигуни можуть працювати за температури 126 °C. Двигуни повинні бути спеціально налаштовані для роботи за більш високих температур.

Однак для більшості програм 98 °C досить жарко, щоб задовольнити всі потреби. Пара низького тиску може генеруватися з води сорочки охолодження при температурі 121°C - 126°C. Цю температуру (при правильно налаштованому двигуні) можна створити за допомогою системи охолодження, при якій пара утворюється в самих сорочках двигуна, а потім підвищується через різницю в щільності води та пари. Перш ніж розглядати ког 

енераційну установку, краще поговорити з професійним підрядником з електрики, щоб визначити, яка конфігурація води в сорочці необхідна.

Інший метод виробництва пари низького тиску з води в сорочці двигуна полягає у циркуляції води за допомогою насоса через систему охолодження. Рідка вода з парового барабана перекачується через двигуни, і тепло води у сорочці перетворюється на пару, що він надходить у відсік парового барабана.

Від 6 до 113 кг на квадратний метр пари також може бути виготовлено з вихлопом будь-якої газової турбіни або дизельного генератора. Більшість вихлопних систем також спроектовані з додатковим паровим казаном, який використовується перепускним клапаном вихлопних газів. Тепло вихлопних газів можна використовувати разом із теплом води у сорочці для створення пари під тиском 6 кг на кв. м, або його можна використовувати в окремій системі для вироблення пари під вищим тиском.

У поршневих (поршневих) двигунах приблизно 34% тепла, що підводиться, утилізується у вигляді потужності, а 66% не утилізується. Все тепло, що відводиться у воду сорочки охолодження, може бути рекуперировано разом з залежно від двигуна приблизно 40% -60% тепла, що відводиться у вихлопну трубу. У деяких випадках, хоча і в окремих випадках, тепло доохолоджувача і мастило можуть бути рекуперовані. У газотурбінному двигуні приблизно 29% тепла, що підводиться, використовується для вироблення енергії, а 71% втрачається через вихлопні гази. При використанні когенераційної системи 40%-60% вихлопних газів зазвичай відновлюється.

У конфігурації когенерації є два різні цикли: цикл долива і цикл опускання. У системі верхнього циклу електрика є основним продуктом, а залишкове тепло - основним двигуном. Іншими словами, установки з верхнім циклом виробляють електроенергію із парової турбіни, побічним продуктом якої є відпрацьоване тепло. Під час нижнього циклу пар, що утворюється першим, використовується для забезпечення енергією промислових процесів, таких як парова турбіна (первинний продукт), а відпрацьована пара нижчого тиску використовується для вироблення електроенергії (первинний двигун). Установки з донним циклом менш поширені у всьому світі через потрібні високі температури.

Поршневі двигуни
Газова турбіна в когенераційній установці

Безумовно, найпоширеніший метод когенерації. Тепло від поршневих двигунів меншого розміру, зазвичай дизельних, уловлюється радіатором або вихлопними газами. Ці системи популярні, тому що вони прості в обслуговуванні, дешевші і легко адаптуються до різних вимог до розміру.

Газомоторне обладнання
На цих установках використовується газовий двигун, який зазвичай легше обслуговувати, ніж газова турбіна меншого розміру (5 МВт). Найчастіше використовується природний газ чи пропан. Ці установки зазвичай постачаються в комплекті та зберігаються у великому складському приміщенні з підключенням до опалювальних, електричних та газових систем.

Газотурбінні установки
На цих установках тепло, що відходить, генерується в димових газах турбіни. Найбільш поширене паливо – природний газ. Газотурбінні установки мають великі розміри і зберігаються не в приміщенні, а в шумопоглинаючих корпусах з доступом до газової лінії.

Паротурбінні установки
Ці установки досить поширені та працюють за принципом системи опалення, що використовує конденсатор пари для живлення парової турбіни.

Біопаливні об'єкти
У цих типах установок використовується поршневий газовий або дизельний двигун залежно від конфігурації біопалива, що використовується. Ця конструкція дуже подібна до установки з газовим двигуном. Основна перевага біопаливної установки – зниження витрати вуглеводневого палива та зменшення викидів вуглецю.

Історично склалося, що когенераційним установкам, які працюють на біопаливі, легше отримати дозвіл, ніж іншим когенераційним установкам, але, як правило, вони мають менший обсяг виробництва.

Об'єкти мазуту
Лінії електропередач від когенераційної установки

Установки на HFO не широко використовуються в когенерації в Україні, але більш поширені в країнах, що розвиваються. Мазут є найважчим товарним паливом, яке, можливо, отримують під час переробки сирої нафти, і вважається низькосортним паливом.

HFO номер 5 та номер 6, які вимагають попереднього нагріву до 70 °C - 126 °C, є найбільш поширеними варіантами, що використовуються в когенераційних установках. Перевага HFO полягає в тому, що його дешево купувати, але недоліком є ​​те, що він виробляє значні викиди.

Об'єкти комбінованого циклу
Установки з комбінованим циклом працюють за принципом, що вихлопні гази одного теплового двигуна працюють від іншого, виробляючи електрику або рухаючи механічні процеси. Комбінація кількох термодинамічних циклів призводить до підвищення ефективності та зниження витрат на паливо. Зворотною стороною є те, що