 |
КОМБИНИРОВАННЫЕ ЭНЕРГОУСТАНОВКИ НА БАЗЕ ДВС ДЛЯ МАЛОЙ ЭНЕРГЕТИКИ
Когенерация (по зарубежной терминологии CHP – combined heat and power) – одна из наиболее рентабельных технологий с точки зрения экономии топлива – всё чаще используется в установках автономного энергоснабжения.
Специалисты ВИТУ имеют богатый опыт разработки комбинированных энергоустановок (КЭУ) на базе поршневых ДВС для совместного производства электроэнергии и тепла на объектах малой энергетики. Статья Алексея Константиновича Михайлова, Александра Николаевича Агафонова, Виктора Олеговича Сайданова и Александра Анатольевича Горланова знакомит с основными особенностями проектирования таких установок.
Алексей Михайлов, д.т.н. профессор
Александр Агафонов, д.т.н. профессор
Виктор Сайданов, к.т.н. доцент
Александр Горланов, инженер
Военный инженерно-технический университет, г. Санкт-Петербург
Рис. 1. Структурные схемы систем децентрализованного энергоснабжения
 |  | ДВС – двигатель внутреннего сгорания;
РУ – распределительное устройство;
ТГУ – теплогенерирующая установка;
РТП – распределительный тепловой пункт;
СКУТ – система комплексной утилизации теплоты ДВС;
УТ – углеводородное топливо;
Р – электрическая энергия;
Q – теплота. |
КЭУ в условиях малой энергетики
Энергоустановки для совместной выработки электрической энергии и теплоты на базе поршневых ДВС известны достаточно давно. На рис. 1 представлены структурные схемы систем децентрализованного энергоснабжения с раздельной (схема А) и комбинированной (схема Б) выработкой электроэнергии и теплоты.
Энергетическую эффективность систем энергоснабжения (электро- и теплоснабжения) принято оценивать величиной коэффициента использования теплоты сгорания углеводородного топлива, затрачиваемого на выработку электроэнергии и теплоты – hИТ.
Для схемы А коэффициент hИТ можно определить по формуле:
 . (1)
Для cхемы Б зависимость hИТ имеет вид:
 , (2)
где P – суммарный отпуск электроэнергии потребителям за время Т;
Q – суммарный отпуск теплоты потребителям за время Т;
ВДВС – расход топлива ДВС для схемы А;
ВТГУ – расход топлива ТГУ для схемы А;
QДВС – низшая теплотворная способность топлива ДВС;
QТГУ – низшая теплотворная способность топлива ТГУ;
QСКУТ – количество теплоты, вырабатываемое СКУТ ДВС за время Т;
hТ – коэффициент использования теплоты сгорания топлива в ТГУ (КПД ТГУ).
Идея повысить практически в два раза КПД ТГУ энергоустановки с ДВС, утилизируя отходящую теплоту двигателя, не нова. Так, с 20-х годов ХХ века начали широко распространяться судовые утилизационные установки, которые разрабатывались в основном английскими фирмами Havthorn и Doxford [1] (современные схемы судовых систем утилизации см. [2]).
Однако условия потребления электроэнергии и теплоты в системах малой энергетики существенно отличаются от условий на других объектах. Во-первых, электрические и тепловые нагрузки стационарных потребителей изменяются значительно чаще и в более широком диапазоне, чем в судовых условиях, причем максимумы годовых и суточных графиков электро- и теплопотребления на автономных объектах, как правило, не совпадают.
Во-вторых, анализ показал, что соотношение между максимальными величинами тепловых и электрических нагрузок типичных объектов малой энергетики России находится в пределах от 1,4 до 5. Существенное преобладание тепловой нагрузки над электрической не позволяет обеспечить потребителей теплом только за счет утилизации отходящей теплоты ДВС. Недостающее количество теплоты можно восполнить, включив в состав теплоутилизационных схем пиковые ТГУ, аккумуляторы теплоты и т.п.
В-третьих, по нормам проектирования расчетная температура воды в обратном трубопроводе системы отопления автономных объектов обычно составляет 70OС. В то же время температурный уровень потерь теплоты с охлаждающей жидкостью большинства тихоходных отечественных ДВС существенно ниже, поэтому без повышения температуры воды, охлаждающей ДЭС, невозможна утилизация её теплоты для отопления.
Комбинированные энергоустановки: базовые схемы
Еще в 80-х годах ХХ века ученые ВИТУ научно обосновали три приоритетных направления развития комбинированных энергоустановок (КЭУ) для совместной выработки электроэнергии и теплоты на базе поршневых ДВС для объектов малой энергетики с учетом их специфики [3–6] и разработали базовые структурные схемы для каждого направления (рис. 2).
Рис. 2. Структурные схемы комбинированных энергоустановок
Базовая структурная схема КЭУ первого направления (рис. 2а)
Особенность схемы – традиционное использование рекуперативных теплообменных аппаратов для утилизации тепловых потерь от наддувочного воздуха, моторного масла, теплоносителя системы охлаждения и отработавших газов ДВС без трансформации по-следних (т.е. без повышения температурного уровня этих потерь).
Вместе с тем использование рекуперативных теплообменных аппаратов может привести к тому, что при стабильно высокой тепловой нагрузке объекта (например, зимой) и снижении электропотребления (например, в ночное время) количества отходящей от ДВС теплоты будет недостаточно для обеспечения потребностей объекта в теплоте. Положение будет осложняться тем, что тепло-утилизационное оборудование в этот момент будет работать в нерасчетном режиме с низким КПД, а поверхности теплообмена утилизатора теплоты отработавших газов будут интенсивно засоряться продуктами неполного сгорания топлива и масла, которые в большом количестве содержатся в отработанных газах дизелей, работающих на малых нагрузках. Всё это приведет к существенному росту аэродинамических сопротивлений в выпускных системах ДВС, ухудшит техническое состояние и топливную экономичность дизелей, увеличит пожароопасность газовыпускных систем и теплоутилизационного оборудования.
Поэтому в состав такой схемы включен электронагреватель 7 теплоносителя системы теплоснабжения. В качестве электрона-гревателя целесообразно использовать электродные водогрейные котлы – электрокотлы (ЭК). Нагреватель, подключенный к установке, которая работает на малых нагрузках, позволяет стабилизировать нагрузку на ДВС, обеспечить потребителей теплотой в необходимых количествах при снижении электропотребления на объекте и свести к минимуму загрязнение хвостовых поверхностей теплообменных аппаратов.
 | | 1 – ДВС;
2 – электрический генератор;
3 – утилизатор теплоты наддувочного воздуха;
4 – утилизатор теплоты моторного масла;
5 – утилизатор теплоты охлаждающей жидкости;
6 – утилизатор теплоты отработавших газов (пассивный);
7 – электронагреватель;
8 – конденсатор теплового насоса;
9 – испаритель теплового насоса;
10 – компрессор;
11 – дроссель теплового насоса;
12 – насосы;
13 – котел-утилизатор теплоты отработавших газов с огневой топкой (активный);
14 – пиковый водогрейный котел;
15 – запас топлива |
Базовая структурная схема КЭУ второго направления (рис. 2б)
Её применение обосновано, когда в КЭУ используются ДВС с низкими температурными потенциалами потерь теплоты.
В состав схемы включен тепловой насос для повышения температурного потенциала теплоты от охлаждения наддувочного воздуха, моторного масла и жидкости внутреннего контура системы охлаждения ДВС до уровня, на котором возможно её использование в системах теплоснабжения объектов. Испаритель теплового насоса 9 включен в контур охлаждения дизеля, а конденсатор 8 – в трубопровод системы теплоснабжения.
Базовая структурная схема КЭУ третьего направления (рис. 2в)
Схема включает в себя один источник электроэнергии (электрический генератор 2 с приводом от ДВС) и три источника теплоты: ДВС, котел-утилизатор теплоты отработавших газов с огневой топкой 13 и пиковый водогрейный котел 14. Все они работают на жидком или газообразном углеводородном топливе единого вида.
Первая особенность такой схемы – использование котлов-утилизаторов с огневой топкой – активных котлов-утилизаторов (АКУ) [6]. Для повышения температуры потерь в АКУ дополнительно сжигается углеводородное топливо. Зарубежный опыт и исследования ВИТУ говорят о том, что разумнее проектировать АКУ под конкретный ДВС, а не использовать в качестве АКУ серийные паровые и водогрейные котлы.
Вторая важная особенность данной схемы – применение пикового котла (ПК), который включается в работу при малых нагрузках ДВС и позволяет обеспечить потребителей теплотой в необходимых количествах при снижении электропотребления на объекте. Вместо ПК может быть использован ЭК, как в базовой схеме первого направления.
Области применения КЭУ
Схемы КЭУ первого и второго направлений (рис. 2а, 2б) наиболее эффективны по коэффициенту использования топлива при функ-ционировании ДВС с нагрузками, близкими к графику номинальной выработки (коэффициент загрузки КЭУ на уровне 70–100%).
Однако анализ типовых графиков электропотребления таких потребителей, как объекты жилищно-коммунального хозяйства (ЖКХ), показывает, что здесь коэффициент загрузки автономных источников электроэнергии в течение года не превышает 30–50%. Его можно повысить за счет гармонизации режимов производства и потребления энергии, а также рационального выбора количества источников энергии.
Возможно и более простое решение: эксплуатация КЭУ с номинальной электрической нагрузкой и продажа излишков энергии в единую энергосистему, что предусмотрено ст. 14 ФЗ РФ «Об энергосбережении». Однако сейчас в России компании-монополисты, владеющие крупными централизованными энергосистемами, препятствуют выходу на энергорынок предприятий малой энергетики – собственников КЭУ, а нормативно-правовых актов, регламентирующих эти отношения, нет.
Поэтому при эксплуатации КЭУ на режимах частичных (долевых) электрических и максимальных тепловых нагрузок наиболее целесообразно применять схему третьего направления (рис. 2в) с АКУ и ПК, которые позволяют обеспечить максимальную тепловую мощность при малой электрической.
Сегодня в практике децентрализованного энергоснабжения объектов малой энергетики России используются наиболее простые схемы: КЭУ первого направления, дополненные пиковыми водогрейными котлами.
Типовой ряд КЭУ на базе ДВС
ВИТУ в кооперации с ведущими отечественными проектно-конструкторскими организациями и машиностроительными предприятиями разработал конструкторскую документацию типового ряда КЭУ на базе отечественных ДВС (таблица 1). По ней созданы опытные образцы энергоустановок, размещенные на объектах российской военной инфраструктуры и ЖКХ в зоне децентрализованного энергоснабжения.
Каждая КЭУ типового ряда включает в себя базовую энергоустановку с ДВС, которая дооборудована СКУТ. В составе СКУТ – утилизаторы теплоты жидких сред ДВС (водяные, масляные), утилизатор теплоты отработавших газов (котел-утилизатор), запорно-регулирующая арматура и подсистема автоматического управления и защиты.
Для безопасной и надежной работы СКУТ разработана подсистема автоматического регулирования и защиты, предохраняющая от перегрева охлаждающей жидкости внутреннего контура ДВС и теплоносителя утилизационного контура в полости газового утилизатора, от нарушения циркуляции теплоносителя утилизационного контура, а также автоматически отключающая газовый утилизатор.
КЭУ могут размещаться либо в транспортабельных контейнерах, либо в быстровозводимых модульных зданиях.
ОСОБЕННОСТИ КЭУ ДИКТУЕТ СПЕЦИФИКА ОБЪЕКТА
Опыт внедрения КЭУ, разработанных авторами статьи, а также материалы ряда публикаций, например [8], подтверждают: для того чтобы гарантировать эффективную работу таких энергоустановок на конкретных объектах, необходимо:
- провести анализ электрических и тепловых нагрузок потребителей объекта и гармонизировать их как с суточными, так и с годовыми режимами выработки соответствующих видов энергии;
- обеспечить на объекте режимы потребления электроэнергии и тепла, близкие к графику номинальной выработки, или найти внешнего платежеспособного потребителя для реализации излишков производимой энергии.
Соответственно процесс создания КЭУ может быть представлен в виде упрощенного алгоритма (рис. 3).
При выборе автономных источников электроэнергии (ЭУ с ДВС) нужно помнить, что глубина регулирования их мощности находится, как правило, в пределах 50–100%. Например, если ночная потребность в электроэнергии составляет 10% от дневной, то необходимо не менее 2–3 энергоустановок с соответствующим подбором мощности.
Следует также учитывать, что даже в режиме номинальной электрической мощности КЭУ вырабатывает электроэнергию и тепло в соотношении 1:1,2. При этом в России тепловые нагрузки на отопление и вентиляцию превышают электрические в несколько раз. Поэтому, как уже отмечалось, для восполнения дефицита теплоты в состав КЭУ необходимо включать пиковые водогрейные котлы или аккумуляторы теплоты. В теплый период года потребность объектов ЖКХ в теплоте ограничивается горячим водоснабжением (10–15% от тепловой нагрузки отопления), поэтому в КЭУ должны быть устройства для отвода лишней теплоты в окружающую среду.
В заключение еще раз подчеркнем, что в каждом конкретном случае, до того как будет принято решение об использовании КЭУ в составе системы энергоснабжения объекта, необходим глубокий анализ и оптимизация режимов энергопотребления на объекте по отдельным составляющим.
Рис. 3. Алгоритм создания комбинированной энергоустановки
ЛИТЕРАТУРА
1. Великсон Г.Г., Златопольский И.Д. Использование тепла отходящих газов дизелей // Труды НИДИ. – Вып. 3. – М.-Л.: Госэнергоиздат, 1934. – 54 c.
2. Селиверстов В.И. Утилизация тепла в судовых дизельных установках. – Л.: Судостроение, 1973. – 218 с.
3. Кривов В.Г., Синатов С.А. Повышение эффективности дизельных энергоустановок путем утилизации отходящей теплоты // Двигателестроение. – 1979. – № 10. – С. 14–18.
4. Кривов В.Г., Синатов С.А., Гулин С.Д., Орлов А.Н., Поляков А.А. Комплексное электроснабжение на базе дизельных электростанций с внешней утилизацией отходящей теплоты // Двигателестроение. – 1988. – № 9. – С. 3–7.
5. Кривов В.Г., Синатов С.А., Гулин С.Д., Поляков А.А. Дизельные теплоэлектростанции с тепловыми насосами // Двигателестроение. – 1989. – № 1. – С. 3–5.
6. Синатов С.А., Орлов А.Н., Скоков С.Н., Коппель Е.И. Дизельные теплоэлектростанции с активными котлами-утилизаторами // Двигателестроение. – 1988. – № 12. – С. 5–7.
7. Агафонов А.Н., Сайданов В.О., Гудзь В.Н. Комбинированные энергоустановки объектов малой энергетики. – СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2005. – 262 с.
8. Наумов А.Л. Мини-ТЭЦ – очередной бум или объективная потребность отечественной энергетики// АВОК. – 2005. – № 7. – С. 22–26.
| 
|
