Применение когенерационной установки для котельной с котлами «POLIKRAFT» DUOTHERM-2500, расположенной в городе Выкса Нижегородской области

Аннотация. В данной работе производится оценка эффективности когенерационной установки при проектировании отопительной котельной с водогрейными с котлами «POLIKRAFT» DUOTHERM-2500, расположенной в городе Выкса Нижегородской области. Для этого необходимо сопоставить различные типы когенерационных установок, выбрать когенерационную установку и произвести корректировку тепловой схемы для котельной с котлами «POLIKRAFT» DUOTHERM-2500, расположенной в городе Выкса Нижегородской области.

Ключевые слова: когенерация; когенерационная установка; котельная; ТЭЦ.

1. Понятие «когенерация» и когенерационные установки

Когенерация - это комбинированное производство тепла и электроэнергии. На электростанции с применением технологии когенерации топливо используется для получения двух форм энергии - тепловой и электрической. Когенераторные электростанции более эффективны в сравнении с электростанциями производящими только электрическую энергию.  Применение когенерации в значительной степени сокращает затраты на приобретение топлива.

Когенерационные установки представляют собой технологическое оборудование, используемое для совместного производства электро- и тепловой энергии. В качестве топлива для когенерационных установок может использоваться газ — природный, коксовый, биогаз, попутный нефтяной газ (ПНГ) и т.д. [3].

Рисунок 1. Схема работы когенерационной установки

В когенерационной установке имеются 4 основных узла: газопоршневой двигатель внутреннего сгорания, электрогенератор, система утилизации тепла, система управления [4].

2. Сопоставление различных типов когенерационных установок

2.1 Мини-ТЭЦ с противодавленческой паровой турбиной:

Экономический выигрыш у таких турбин обусловлен тем, что в конденсационных установках скрытая теплота парообразования теряется, а здесь используется для бытовых и промышленных потребителей [1, с.12].

Рисунок 2. Мини-ТЭЦ с противодавленческой паровой турбиной

1-паровой котёл; 2-турбина; 3-теплообменник; 4-насос; 5- пароперегреватель.

2.2  Мини-ТЭЦ с конденсационной турбиной:

Паровая турбина, в которой рабочий цикл заканчивается конденсацией пара, а одним из главных преимуществ конденсационной турбины является возможность получения в одной установке большой мощности (до 1200 МВт и более). На всех крупных тепловых и атомных электростанциях для привода электрических генераторов применяются такие турбины. Кроме того, они применяются в качестве главных двигателей на кораблях, а также для привода доменных воздуходувок и т. д. [1, с.12].

Рисунок 3. Мини-ТЭЦ с конденсационной паровой турбиной

1-паровой котёл; 2-турбина; 4-насос; 5- пароперегреватель; 6-конденсатор.

2.3 Мини-ТЭЦ с теплофикационной паровой турбиной:

Теплофикационная турбина- паровая турбина для одновременного получения электрической и тепловой энергии. У теплофикационной турбины с противодавлением весь отработавший пар идет на технологическиецели. В теплофикационной турбине с регулируемым отбором часть пара отводится и промежуточных ступеней, а остальной пар направляется в  конденсатор [1, с.13].

Рисунок 4. Мини-ТЭЦ с теплофикационной паровой турбиной

1-паровой котёл; 2-турбина; 3-теплообменник; 4-насос; 5- пароперегреватель; 6-конденсатор.

2.4 Мини-ТЭЦ с газопоршневым агрегатом:

Поршневые двигатели, используемые в энергосистемах, обладают эффективностью в части генерации электроэнергии. Но создание когенерационных систем на базе поршневых двигателей осложнено рассеиванием тепловой энергии,а также пульсирующим характером потока отходящих газов (с температурой на уровне 400 °С) [1, с.14].

Рисунок 5. Мини-ТЭЦ с газопоршневым агрегатом

1-газопоршневой агрегат; 2, 3-теплообменники.

2.5 Мини-ТЭЦ с газовой турбиной:

Газотурбинная установка - силовая установка, состоящая из газовой турбины и механизмов, обеспечивающих ее работу. Вместо производства электричества, механическая энергия турбины может использоваться для работы насосов, компрессоров и т.п. [1, с.14].

Рисунок 6. Мини-ТЭЦ с газовой турбиной

1-воздушный компрессор; 2-газовая турбина, 3-камера сгорания; 4-дожимающий компрессор; 6-газо-водяной теплообменник.

2.6 Мини-ТЭЦ с парогазовой турбиной:

Парогазовая установка содержит два отдельных двигателя: паросиловой  и газотурбинный. В газотурбинной установке турбину вращают газообразные продукты сгорания топлива. С выхода газовой турбины продукты сгорания попадают в паросиловую установку, в котел-утилизатор, где нагревают воду и образующийся водяной пар. Паровая турбина приводит в действие второй электрогенератор [1, с. 15].

Рисунок 7. Мини-ТЭЦ с парогазовой турбиной

1-воздушный компрессор; 2-газовая турбина, 3-камера сгорания; 4-дожимающий компрессор; 6-газо-водяной теплообменник.

3. Выбор когенерационной установки и корректировка тепловой схемы для котельной с котлами «POLIKRAFT» DUOTHERM-2500, расположенной в городе Выкса Нижегородской области

3.1 Выбор когенерационной установки

Самым оптимальным из поршневых установок являются газопоршневые когенерационные установки (мини-ТЭЦ). Актуальный диапазон электрической мощности, при котором целесообразно использовать газопоршневые когенерационные установки от 1 до 12 МВт [2, с.8].

Особенности газо-поршневых когенерационных установок:

- необходимое давление газа от 1 до 3 бар;

- рабочий диапазон единичного генератора от 50 до 100% номинальной мощности;

- ипоряд производимых агрегатов имеет четкие мощностные ступени;

- тепло снимается с системы утилизации в виде горячей воды до 100 градусов;

- время принятия нагрузки 2-3 минуты;

- наивысший электрический КПД около 40%;

По необходимой электрической мощности выбираем газопоршневую установку CATERPILLAR G3412.

Рисунок 8. Внешний вид когенерационной установки на базе поршневого двигателя

Таблица 1.

Технические характеристики CATERPILLAR G3412

3.2 Корректировка тепловой схемы для котельной с котлами «POLIKRAFT» DUOTHERM-2500, расположенной в городе Выкса Нижегородской области.

Газогенератарная установка может производить не только электрическую энергию, но и тепловую.

Теплоносителями являются дымовые газы, имеющие температуру 450⁰С, и охлаждающая двигатель жидкость, имеющая температуру 99⁰С

Для утилизации теплоты дымовых газов предусматриваем установку котла утилизатора КУВИв. Водогрейные котлы – утилизаторы интенсифицированные серии КУВИв предназначены для утилизации теплоты отработавших газов когенерационных установок, работающих в составе мини-ТЭС или других объектов теплоэнергетики.

Подбор типоразмера котла утилизатора осуществляем по ориентировочному диапазону мощности установки, на которую может быть установлен утилизатор. Принимаем к установке КУВИв – 250.610.1250 (для установок мощностью от 250 до 700 кВт).

Рисунок 9. Котёл-утилизатор водогрейный КУВИв-250.610.1250

Определение параметров для расчёта водоподогревателя:

1. Температура нагреваемой воды:

- на входе в котёл-утилизатор t_1н=70⁰С

- на выходе из котла-утилизатора t_1к =105⁰С

2. Температуру греющей среды (дымовые газы):

- на входе в котёл-утилизатор t2н =450⁰С.

3. Расход воды через водоподогреватель принимаем:кг/с

Расход дымовых газов согласно паспортным данным ГПА:кг/с

4. Количество теплоты, принимаемое жидкостью:

кДж/с                                                                                  (1)

5. Тогда температура дымовых газов на выходе из котла- утилизатора будет равна:

                                                                                                      (2)

                                                                                           (3)

Для утилизации теплоты охлаждающей жидкости газопоршневой установки предусматриваем установку газоводяного теплообменника .

В теплообменнике будем подогревать природный газ.

Определение параметров для расчёта теплообменника:

1. Температура нагреваемого газа:

- на входе в теплообменник t_1н=5⁰С

- на выходе из теплообменника t_1к =40⁰С

2. Температуру греющей среды (вода):

- на входе в теплообменник t_2н =99⁰С.

3. Расход воды через теплообменник принимаем:кг/с

Расход дымовых газов согласно паспортным данным ГПА: кг/с

4. Количество теплоты, принимаемое природным газом:

кДж/с                                                                                   (4)

5. Тогда температура воды на выходе из теплообменника будет равна:

                                                                                                        (5)

                                                                                                (6)

Принимаем к установке теплообменник 200ТПГ-2,5-М1/20Г-6-4-У-И

Рисунок 10. Теплообменник 200ТПГ-2,5-М1/20Г-6-4-У-И

Заключение:

Исходя из вышесказанного, можно сделать вывод о том, что когенерационные установки имеют больший ресурсный потенциал, а так же преимущества в надежности, диапазоне мощностных ресурсов.

Очевидным является и то, что монопольное владение электроэнергетическим рынком, подкрепленное технико-правовыми нормами и существующей практикой ставит российского промышленного, сельскохозяйственного и гражданского потребителя в безвыходное положение, вынуждая его к приобретению когенерацинных установок.

Благодаря меньшим денежным затратам на строительство, использование когенерационных установок положительно повлияет экономичность ресурсов.

Экологическая выгода от использования когенерационных систем так же является очевидной: их использование значительно уменьшает уровень выброса загрязняющих веществ в атмосферу.