Автономные источники теплоснабжения

Альтернативные источники от мини-ТЭЦ

В. С. Турбин, доктор техн. наук, профессор;

О. А. Сотникова, доктор техн. наук, профессор;

Д. Н. Китаев, Воронежский государственный архитектурно-строительный университет

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 [2] 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 [2].

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 [2], 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 [4] 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 [1, 4].

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.

Рисунок 1. (подробнее) Схема экспериментальной установки поршневой мини-ТЭЦ малой мощности

Общий вид новой серии С3500 электрогенераторных установок приведен на рис. 1, а ее номинальные характеристики — в табл. 1 [5].

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 [1].

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 (рис. 1) на базе двигателя УД-25.

Двигатель 1 и генератор 2 соединены фланцем 10 и образуют единый блок, установленный на раме 3, через четыре резиновых амортизатора 7. Двигатель приводит во вращение генератор через упругую муфту 11. 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 15 и утилизатор выхлопных газов 13, соединенные трубками циркуляции. Все горячие поверхности изолированы. На циркуляционном контуре установлен насос 14, 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.

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.

Рисунок 2. Зависимость изменения температуры охлаждающего воздуха и масла в картере от оборотов двигателя

Рисунок 3. Зависимость температуры выхлопных газов в выходном патрубке цилиндра от нагрузки двигателя

На рис. 2—3 приведены экспериментальные зависимости температур охлаждающего воздуха, масла в картере двигателя, выхлопных газов в выходном патрубке цилиндра от оборотов двигателя. Обработка опытных данных рис. 2—3 показала, что экспериментальные точки удовлетворительно аппроксимируются аналитическими зависимостями:

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

t_взд, t_ух, t_в — 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 (рис. 4).

Рисунок 4. Зависимость температуры воды в теплообменнике-аккумуляторе от времени нагрева при различных нагрузках двигателя (n, об/мин)

Рисунок 5. Зависимость давления выхлопных газов в выходном патрубке цилиндра от нагрузки двигателя

Опыты показали, что температура охлаждающего воздуха после его прогрева при номинальной нагрузке (3 000 об/мин) составляет 94 °С, а температура масла — 76 °С (рис. 2). Это позволяет использовать тепловой потенциал для дополнительного нагрева воды.

На рис. 6 приведена одна из возможных схем мини-ТЭЦ на базе поршневых двигателей внутреннего сгорания.

Принцип работы следующий: холодная вода, подаваемая насосом 8, разделяется на два потока, один попадает в электродный котел (или вихревой теплогенератор) 7, работающий от генератора 2, а другой проходит три ступени подогрева. Сначала вода попадает в теплообменник системы охлаждения масла 5, затем в теплообменник системы охлаждения двигателя 6 и в последней ступени нагревается уходящими газами в утилизаторе 4. 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.

Рисунок 6. Схема мини-ТЭЦ на базе двигателя внутреннего сгорания: 1 — поршневой двигатель внутреннего сгорания; 2 — электрогенератор; 3 — нейтрализатор (система очистки выхлопных газов); 4 — теплоутилизатор выхлопных газов; 5 — теплообменник системы охлаждения масла; 6 — теплообменник воздушной системы охлаждения двигателя; 7 — электрокотел (или вихревой теплогенератор); 8 — водяной насос

Как следует из зависимости полного давления потока уходящих газов (сумма статического и динамического давлений) при различной нагрузке (рис. 5), перепада давления достаточно, чтобы в тепловой схеме использовать микротурбины на базе двигателя внутреннего сгорания. Лопатки турбины приводятся во вращение выхлопными газами. При использовании такой схемы в некоторых случаях потребуется установка дожимающего компрессора, повышающего давление газов перед турбиной. Использование турбины представляется выгодным решением, т. к., во-первых, это позволит получать дополнительную электрическую мощность, во-вторых, упрощается регулирование соотношения тепловой и электрической нагрузки (коэффициент теплофикации), в-третьих, турбина позволяет использовать больший потенциал уходящих газов (при установке теплообменника, работающего при температуре газов около 500 °С, требуются специальные жаропрочные материалы).

Исследования показали, что мини-ТЭЦ с воздушным охлаждением перспективны при использовании их для воздушного отопления горячим воздухом (летом — для кондиционирования), горячего водоснабжения и электроснабжения коттеджа, фермерского дома при отсутствии вблизи объектов стационарного природного газа или сжиженного газа.

Важная проблема, которая возникает при внедрении мини-ТЭЦ, — воздействие шумов на окружающую среду от двигателя привода. Для их снижения используется в выхлопном патрубке нейтрализатор адсорбционного типа, совмещенный с глушителем. Кроме того, для ограждения установки используются шумопоглощающие материалы, т. е. двигатель мини-ТЭЦ находится в шумозащитном изолированном корпусе.

Литература

1. Мелькумов В. Н. и др. Энергосбережение в системах традиционного и альтернативного теплоснабжения // АВОК. 2004. № 2.

2. Мелькумов В. Н., Капошин И. С. Мини-ТЭЦ с противодавленческими турбинами // Межвузовский сборник научных трудов. Воронеж: ВГАСУ, 2000. № 1.

3. Смирнов И. А., Хрилев Л. С. Определение эффективности ввода газотурбинных агрегатов на площадках действующих ТЭЦ // Теплоэнергетика. 2000. № 12.

4. Замоторин Р. В. Малые теплоэлектроцентрали — поршневые или турбинные // Энергосбережение в Саратовской области. 2001. № 2.

5. Новые генераторные установки на природном газе серии G3500 компании «Caterpillar» / Строительные материалы, оборудование, технологии ХХI века. 2003. № 10(57).

Тел. (0732) 71-53-21