Совместное производство теплоты и электроэнергии

Системы совместного производства теплоты и электроэнергии: балансировка соотношения производимой теплоты и мощности

A. Abedin, член Американского общества инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха (ASHRAE)

Конфигурация системы совместного производства (когенерации) теплоты и электроэнергии определяется тем, насколько фактические тепловые и электрические нагрузки соответствуют выработке тепловой и электрической мощности. Если имеется рынок, готовый потребить излишек тепла или электроэнергии, балансировка соотношения тепловой и электрической мощности не является критической для системы.

Например, если электроэнергия может быть потреблена (на приемлемых условиях), тогда основой работы системы совместного производства становится потребность на месте в тепловой энергии (система предназначается для обеспечения тепловой нагрузки). Излишняя электроэнергия может быть продана, а ее недостаток может быть компенсирован закупками из других источников. В результате обеспечивается высокая энергетическая эффективность, и фактическое соотношение выработки тепла и электроэнергии для энергетической установки соответствует потребностям на месте эксплуатации установки.

В качестве примера эффективного соотношения тепловой и электрической мощности рассмотрим паровой котел, вырабатывающий в час 4 540 кг пара, подаваемого под давлением около 8 бар, и потребляющий для этого 4 400 кВт энергии топочного газа (при среднем КПД котла 75 %). При таком же количестве потребленной энергии топливного газа в стандартной газовой турбине мощностью 1,2 МВт может быть выработано необходимое количество пара при помощи утилизации отходящей теплоты. В результате около 1 100 кВт электроэнергии может быть выработано «без затрат» топлива. Это является примером очень хорошего соотношения тепла и мощности, благодаря которому система обладает привлекательными экономическими показателями.

Представим теперь абсорбционный чиллер, обслуживающий систему кондиционирования воздуха с такими же потребностями в паре. Во время работы в режиме неполной нагрузки та же самая газовая турбина вырабатывает электроэнергию неэффективным образом (обычно). В такой системе отходящая теплота используется не полностью, если только на месте нет какого-либо другого потребителя этой теплоты. Таким образом, если система работает в режиме неполной нагрузки длительное время, ее экономические показатели невысоки.

Проектировщик системы совместного производства теплоты и электроэнергии должен решать непростые задачи обеспечения оптимального соотношения тепловой и электрической мощностей, учитывая также дневные и сезонные изменения этого соотношения. Далее рассматриваются типичные методы балансировки соотношения выработки теплоты и электроэнергии.

Метод I: использование газовых турбин и генераторов с газовыми двигателями

Сравним конфигурации газотурбинной энергетической установки с высоким соотношением тепловой и электрической мощностей и установки газовыми двигателями внутреннего сгорания (газомоторные) с низким отношением тепловой и электрической мощностей. Как будет показано ниже, в зависимости от энергетических нагрузок объекта, целесообразными могут быть как газотурбинные, так и газомоторные установки.

Пример А. Обычно в здании с центральной системой кондиционирования воздуха при пиковых расчетных условиях существует высокая потребность в холоде, для чего необходимо большое количество тепловой энергии, если абсорбционные чиллеры работают на совместно вырабатываемой отходящей теплоте.

Допустим, при пиковом потреблении необходимость в охлаждении в здании составляет 1 760 кВт и около 1 100 кВт электрической мощности.

Газотурбинная установка может работать с высокой эффективностью когенерации следующим образом:

1. Параметры производительности газовой турбины при 35 °С: 1 200 кВт электрической мощности при 5 340 кВт потребляемой энергии топочного газа (выработка электроэнергии 22,5 %), выход пара 7 кг/с при температуре 540 °С.

2. В условиях примера А котел-утилизатор отходящей теплоты обеспечивает одноступенчатый абсорбционный чиллер теплотой в количестве приблизительно 2 990 кВт. При потерях тепловой энергии, составляющих 7 % (на излучение и потери в трубах с горячей водой), для обеспечения необходимой холодильной производительности абсорбционного чиллера котел подает на него горячую воду с температурой 121 °С.

3. Соотношение тепловой и электрической мощностей (количество тепловой энергии в британских единицах MBtu/h на 1 кВт/ч [Btu/h – британская единица теплоты в час. 1 Btu/h = 0,293067 Вт.]) в примере А равно 8,5 (10 200 / 1 200).

Пример Б. Для такого же здания, что и в примере А, при потреблении только 750 кВт электроэнергии и 616 кВт «холода» для кондиционирования воздуха при работе в режиме неполной нагрузки соотношение тепловой и электрической мощностей определяется следующими факторами:

1. Параметры производительности газомоторной энергоустановки при 25 °С: 750 кВт электрической мощности при 2 000 кВт потребляемой энергии топочного газа (выработка электроэнергии 37,5 %), утилизация отходящей теплоты охлаждающей воды в количестве 100 кВт из контура последовательного охладителя и утилизация теплоты выхлопных газов двигателя в количестве 500 кВт.

2.  Утилизированная теплота общим количеством 959 кВт позволяет производить около 616 кВт холода с помощью одноступенчатого абсорбционного чиллера при подаче на него горячей воды с температурой 90 °С.

3. Соотношение тепловой и электрической мощностей (количество тепловой энергии в единицах MBtu/ч на 1 кВт/ч) в примере Б равно 4,4 (3 300 / 750).

Соотношение тепловой и электрической мощностей изменяется с 8,5 (для газотурбинной установки) при пиковых нагрузках до показателя 4,4, для газомоторной установки в режиме неполной нагрузки. Рациональный выбор конфигурации когенерационной системы позволяет достичь оптимального соотношения нагрузок и обеспечить наивысшую эффективность совместного производства теплоты и электроэнергии.

Метод 2: использование гибридных чиллеров

Для балансировки выработки теплоты и электроэнергии в когенерационных энергетических установках, обеспечивающих утилизируемой теплотой центральные системы кондиционирования воздуха, необходим гибридный чиллер.

В периоды сравнительно низкой нагрузки электроэнергии (когда для абсорбционного чиллера имеется немного утилизируемого теплоты) сбалансировать указанное соотношение помогает электрический чиллер, повышающий электрическую нагрузку, увеличивая при этом количество отходящей теплоты для повышения эффективности когенерации.

Метод 3: использование накопителя тепловой энергии

Накопители (аккумуляторы) тепловой энергии используются как в системах охлаждения, так и в системах теплоснабжения. Применение накопительных баков-аккумуляторов с использованием горячей воды (температурой от 85 до 90 °С) может «сберечь» имеющееся «сбросное» тепло. Система может быть спроектирована и для использования горячей воды с температурой выше 100 °С (при повышенном давлении).

Поскольку экономически невыгодно «хранить» электроэнергию (особенно для небольших энергетических установок совместного производства теплоты и электроэнергии) для обеспечения высокой эффективности выработки тепла, в таких установках излишняя тепловая энергия должна накапливаться для удовлетворения потребности в электроэнергии.

При полном использовании теплоты отходящих газов для совместного производства теплоты и электроэнергии, предназначенных для центральных систем кондиционирования воздуха, необходимо, чтобы использующие теплоту чиллеры работали в режиме максимальной производительности, и вся излишняя холодильная производительность сохранялась в виде охлажденной воды, хранимой в накопительных баках.

Для этого могут использоваться существующие баки для воды (например предназначенные для системы пожаротушения) или специально изготовленные баки.

Накопители тепловой энергии могут использоваться для хранения горячей воды с температурой в диапазоне от 85 до 90 °С (вода с такой температурой интенсивно используется, например, на текстильных фабриках). Поскольку энергетическая установка совместного производства теплоты и электроэнергии вырабатывает горячую воду непрерывно, горячая вода может храниться в баках для использования в производственных целях.

На рисунке показана упрощенная схема трубной системы установки производства и хранения горячей воды, являющейся частью энергетической установки совместного производства теплоты и электроэнергии, в которой используется генератор, приводимый в действие газовым двигателем с турбонаддувом мощностью 900 кВт, со скоростью вращения 1 000 об/мин. На схеме не показаны все необходимые регулирующие клапаны и приборы, предназначенные для безопасной и экономичной работы.

Рисунок (подробнее) Энергетическая установка совместного производства теплоты и электроэнергии с газовым двигателем мощностью 900 кВт, вырабатывающая горячую воду с температурой 90 °С

Метод 4: кондиционирование входного воздуха при помощи газовой турбины

Пример А. Кондиционирование входного воздуха при помощи газовой турбины является технологией, которая может использоваться в установках с генераторами с газовыми турбинами для балансировки соотношения тепловой и электрической мощностей. В этой технологии применяется охлаждение входного воздуха для увеличения производительности при пиковых нагрузках летом (при помощи или аккумуляторов тепловой энергии или находящихся на линии чиллеров, использующих отходящую теплоту) или нагрев входного воздуха для увеличения эффективности когенерации при неполной нагрузке, особенно зимой (вырабатывается дополнительное количество тепловой энергии на 1 кВт электроэнергии).

Охлаждение входного воздуха увеличивает производительность и эффективность генератора с газовой турбиной. Оно широко используется в системах совместного производства теплоты и электроэнергии, в которых отходящая теплота применяется для централизованной подачи охлажденной воды.

В таких системах имеется или отсутствует хранилище тепловой энергии. Такая конструкция обеспечивает работу генераторов с газовыми турбинами в соответствии с необходимыми нагрузками, т. к. увеличение выработки электроэнергии, благодаря охлаждению входного воздуха, также приводит к увеличению отходящей теплоты, подаваемой на абсорбционные чиллеры.

В условиях неполной нагрузки применение газовой турбины с охлаждающими змеевиками на входе невыгодно, т. к. дополнительное падение давления на охлаждающем змеевике (теперь уже лишнем) вызывает повышение тепловой мощности (повышенное потребление топлива). В установках совместного производства теплоты и электроэнергии эффективность работы при неполной нагрузке может быть повышена, как показано в таблице, при помощи обычной газовой турбины с номинальной мощностью 1 200 кВт, используемой в установке совместного производства теплоты и электроэнергии, вырабатывающей применяемый для промышленных целей пар с давлением 3 бара.

При работе с нагрузкой 40 % от максимальной для балансировки соотношения выработки теплоты и электроэнергии может использоваться подогрев входного воздуха для газовой турбины (ограниченный конструкцией установки), т. к. пониженная эффективность газовой турбины приводит к повышению имеющейся отходящей теплоты и в результате к повышению общей эффективности когенерации. Указывается, что эффективность совместного производства теплоты и электроэнергии возрастает более чем на 15 %, если в условиях неполной нагрузки воздух на входе нагревается с 15 до 60 °С. Большинство производителей газовых турбин могут предоставить данные производительности при температуре воздуха вплоть до 60 °С. Перед проектированием системы с такой возможностью должны быть проверены совместно с производителем газовой турбины ограничения на нагрев входного воздуха.

Пример Б. Для увеличения генерации «отходящей» теплоты в имеющих высокую температуру, обогащенных кислородом выхлопных газах газовой турбины применяется дополнительное дожигание в потоке отходящей теплоты. Большее количество тепла означает более высокое соотношение теплоты и мощности, улучшающее экономические показатели процесса совместного производства теплоты и мощности.

Заключение

Системы совместного производства теплоты и электроэнергии работают эффективно, если используется вся или большая часть электрической и тепловой энергии.

В реальных условиях нагрузка меняется, поэтому для большинства систем необходима балансировка соотношения производимой тепловой и электрической мощностей, обеспечивающая эффективную и экономичную работу установки совместного производства энергии.

Системы балансировки соотношения теплоты и мощности должны быть приняты на установках совместного производства с самого начала для обеспечения оптимального использования выходной электрической и тепловой мощности и сокращения, тем самым, затрат на топливо, а также для улучшения экономических показателей системы.

Переведено с сокращениями из журнала «ASHRAE».

Перевод с английского Л. И. Баранова.