Загальні відомості про міні-ТЕЦ

Останнім часом розвивається енергопостачання, яке базується на установках міні-ТЕЦ. Система утилізації тепла міні-ТЕЦ передбачає також виробництво гарячої води або пари для опалення (когенерація) і холоду для систем кондиціонування і вентиляції (тригенерація).

Розрізняють такі типи міні-ТЕЦ:

- паротурбінну з протитисковими турбіною з відпусткою тепловим споживачам всього або частини відпрацьованого в ній пара;

- паротурбінну з конденсаційної турбіною, яка має теплофікаційний відбір або відбори для відпустки пара тепловим споживачам;

- газотурбінну з використанням тепла вихлопних газів в котлі-утилізатори або безпосередньо в технологічному процесі;

- дизельну з виробництвом високопотенційного тепла завдяки енергії вихлопних газів і низько потенційного - з контурів охолодження двигуна;

- парогазову з використанням тепла вихлопних газів для виробництва пари, який повністю або частково направляється в одну або кілька парових турбін.

В даний час використовуються також наступні види установок для виробництва електроенергії і теплоти малої і середньої потужності:

- теплофікаційні ГТУ на базі газотурбінних двигунів літаків і суден одиничної електричною потужністю від 50 до 6000 кВт і тепловою потужністю від 0,6 до 50 МВт для установки в місцях розміщення опалювальних і промислових котелень, що працюють на природному газі;

- теплофікаційні парові установки малої потужності з протитиском на промислові параметри пара електричною потужністю до 1200 кВт і тепловою потужністю до 12 МВт, що працюють на мазуті та твердому паливі;

- теплофікаційні дизельні установки для енергопостачання на базі двигунів судів, колісних і гусеничних машин електричною потужністю до 600 кВ;

Перспективними альтернативними рішеннями є міні-ТЕЦ, наприклад на основі газо-дизель-генераторів. Для отримання теплової енергії в камері згоряння використовується дизельне паливо, природний або скраплений газ. Особливо перспективні міні-ТЕЦ для віддалених районів сільської місцевості. В якості альтернативного палива в цьому випадку можливо використовувати біопаливо, наприклад, метан, отриманий в метантенках з відходів сільського господарства.

В останні роки також впроваджуються мікро-ТЕЦ потужністю 45-100 кВт для автономного енергопостачання на базі мікротурбін і електротехнічних генераторів.

У малій енергетиці недоцільно розглядати можливості застосування складних комбінованих циклів ПГУ для виробництв електроенергії, а газові турбіни як приводи електрогенераторів істотно програють газовим двигунам по ККД і експлуатаційними характеристиками при малих потужностях. У широкому діапазоні потужностей (від сотень кіловат до десяток мегават) ККД моторного приводу на 13-17% вище, ніж газотурбінного; при зниженні навантаження з 100 до 50% ККД електрогенератора з приводом від газового двигуна змінюється слабо, ККД газового двигуна практично не змінюється до температури повітря 25 0 С. Потужність газової турбіни падає при зміні температури повітря від -30 до 30 0 С, при температурах вище 40 0 С зменшення потужності газової турбіни (від номінальної 15 0 С) становить 20%.

Газотурбінні міні-ТЕЦ

Газові турбіни знаходять широке застосування у виробництві електроенергії. Електричний ККД великих установок становить 35 -38%, характеристики при частковому навантаженні швидше незадовільні. Великий термін служби, дуже незначні інвестиційні витрати в широкому діапазоні потужностей, велика частка придатною для використання енергії газів і дуже невелика емісія внаслідок безперервного горіння є достоїнствами цієї технології. До теперішнього часу було недоцільно застосовувати турбіни в діапазоні потужностей менше 500 кВт. Це стало можливим тільки в результаті комбінації двох заходів: рекуперації і зворотної подачі частини об'ємного потоку, що минає газу в компресор з одного боку і прямого приєднання генератора. У поєднанні з не залежних від швидкості обертання інвертуванням струму за допомогою силової електорнікі досягаються поряд з прийнятними показниками електричного ККД понад 25% і загального ККД більше 70% також хороші показники ККД при неповному навантаженні. Ці параметри мають вирішальне значення для використання на не великих об'єктах.

Можливість отримання великої потужності при невеликих розмірах і

масі, висока надійність і економічності газотурбінних установок дозволяють широко використовувати їх в промисловій енергетиці. Зокрема на промислових підприємствах їх можна застосовувати як для окремої, так і комбінованого виробництва теплової та електричної енергії, як джерела живлення, для покриття піків навантажень, як надбудов на водогрійних котелень.

Міні-ТЕЦ на базі ДВС

Принцип вироблення електричної до теплової енергії з використанням ДВС відомий вже кілька десятиліть. Перші установки цього типу використовувалися на кораблях, в тепловозах, для аварійного електропостачання.

В області потужностей від 10 кВт до 4 МВт істотні переваги перед газотурбінними установками мають поршневі приводи. У таких установок менші витрати палива і експлуатаційні витрати.

Его пояснюється тим, що ККД поршневих машин становить -36-45%, а газових турбін - 25-34%. Установки газових турбін вимагають високих тисків газу (до 2,0 МПа), в той час як газопоршневі установки працюють на газі з низьким тиском і їм не потрібна установка для газу дожимная копрессор.

Поршневі газові двигуни можуть працювати на газі середнього тиску, промисловому газі (коксовий, біогаз, шахтний), пропан - бутанових сумішах і попутному газі. Будь застосовуваний газ повинен мати метанове число не менше 30 і подаватися в двигун під тиском 1,0-2,5 кгс / см 2 (0,1-0,25 МПа).

Міні-ТЕЦ на базі ДВС складається з моноблока двигун-генератор з теплообмінниками, в яких утилізується теплова енергія.

Утилізація тепла вихлопних газів, газо-повітряної суміші, тепла в сорочці охолодження двигуна, масла в спеціальному водяному утилізаційному контурі дозволяє нагрівати воду до 95'С і використовувати її тепло в системах теплопостачання. Газопоршневий двигун це дизельний двигун, переобладнаний для роботи на газі (94%) і використовує лише 6% дизельного (запального) палива. Дизельне паливо може служити в ньому в якості резервного палива.

Газопоршневі міні ТЕЦ, являють собою електрогенераторні установки з первинним двигуном, що працює на природному газі, а також утілізірукнціе виділяється тепло. Споживання палива складає 0,25-0,3 н.м 3 на кВт-годину виробленої електричної енергії. Економічно виправдані системи утилізації тепла дозволяють використовувати 1 Гкал тепла на 1 МВт-год виробленої електроенергії (75% від тепла, що виділяється).

Витрата мастила від 3 г до 0,3 г на 1 кВт-год. Міжремонтний ресурс 20-40 тис. Мотогодин. Поетапний ресурс досягає сотень тисяч годин. Вартість ремонту становить 5-20% від загальних капітальних витрат. Електричний ККД досягає 38-42%. Решта теплові втрати, близько 60%, припадають на:

1. Тепло, що відбирається охолоджувальною рідиною 38-44%

2. Тепло вихлопу 15-10% (охолоджувані вихлопні колектори) 3.Тепло надувного повітря (в системах з турбонаддувом) 5-6%

4. Тепло мастила (в системах з масляним радіатором) 3-6%.

Альтернативні джерела енергопостачання

Ось уже кілька років в установках міні-ТЕЦ застосовується теплові насоси з метою використання низькопотенційної енергії для опалення та гарячого водопостачання.

Теплові насоси, призначені для роботи в системах міні-ТЕЦ,

бувають двох типів: парокомпресійні (використовують механічну енергію в якості енергії високого потенціалу) і абсорбційні (щодо високопотенційний теплоносієм є пара, опалювальна вода або продукти згоряння).

Компресійні теплові насоси можуть працювати з приводом від теплових двигунів. В цьому випадку весь агрегат складається з компресійного теплового насоса і теплового двигуна. Перетворення хімічної енергії

тошшва в теплоту відбувається безпосередньо всередині теплового двигуна (наприклад, в циліндрі двигуна внутрішнього згоряння) або зовні, причому теплота горючого газу передається до робочого тіла двигуна.

У двигуні відповідно до термодинамічних круговим циклом частина теплоти переходить в механічну енергію, яка приводить в дію власне компресійний тепловий насос, завдяки чому підвищується корисний температурний рівень низькотемпературне навколишнього середовища або відпрацьованої теплоти. Відпрацьована теплота двигуна також може бути використана в якості корисного тепла. Теплообмінник або теплообмінники відпрацьованої теплоти в залежності від температурних умов підключаються паралельно або послідовно з конденсатором компресійного теплового насоса або теплота підводиться до спеціальних.

В якості приводів можуть бути використані теплові двигуни всіх типів, однак найбільш зручні газові та дизельні двигуни, так як вони працюють на природному газі і нафти-високоякісних носіях первинної енергії, що застосовуються в даний час для опалення. У зв'язку зі зменшенням запасів палива і зростанням цін важливо забезпечити значну економію паливних ресурсів. Отримання тепла за допомогою такої рухової опалювальної установки може скоротити витрату первинної енергії приблизно вдвічі в порівнянні зі звичайним способом отримання тепла при спалюванні палива.

У теплових насосах з приводом від газових двигунів в якості приводу застосовують як спеціальні газові двигуни для великих потужностей, так і модифіковані карбюраторні двигуни вантажних автомобілів з підвищеним терміном служби для невеликих потужностей.

Застосування теплових насосів з газовим двигуном при наявності природного газу дозволяє значно знизити витрату первинної енергії для опалювальних установок. Використання міського газу набагато зменшує ефективного системи через низький коефіцієнт корисної дії при отриманні газу з вугілля.

Для теплових насосів з приводом від дизельного двигуна найбільш часто застосовують двигуни вантажних автомобілів, які мають розгалужену мережу пунктів з технічного обслужіванію.По конструкції теплові насоси з дизельним двигуном майже не відрізняються від теплових насосів з газовим двигуном.

Особливою проблемою в теплових насосах з приводом від двигуна внутрішнього згоряння є конструкція теплообмінника відпрацьованих газів, який в залежності від виду газу або дизельного палива і його згоряння в двигуні повинен мати достатній термін служби.

Останнім часом в області малих потужностей представляють інтерес міні-ТЕЦ на базі паливних елемемнтов.

Паливні елементи являють собою електрохімічні перетворювачі з безперервною подачею продуктів реакції. Вони безпосередньо перетворять надходять прдукти реакції (водень і кисень) в електрику, тепло і воду. В результаті цього виявляється такі важливі властивості паливних елементів як високий електричний ККД при повному та частковому завантаженні при дуже незначній емісії шкідливих речовин, яка виникає через підключення горілчаного пристрою для підготовки водню з рідких енергоносіїв. Кисень отримують з навколишнього повітря, а водень - недорого і з мінімальною емісією - з природного газу Відсутність механічних компонентів в батареї елементів дає підставу очікувати, що вони майже не потребуватимуть техобслуговуванні і матимуть тривалий термін експлуатації.

Області застосування і схеми автономних міні-ТЕЦ

Міні-ТЕЦ на базі ДВС можна використовувати в різних областях промислового виробництва, особливо ефективні вони можуть бути у віддалених районах країни з холодним кліматом. Особливістю таких установок, є здатність працювати автономно, з використанням практично будь-якого палива. Крім того, вони мобільні, пересувні міні-ТЕЦ малої потужності за кілька годин вводяться в експлуатацію.

Для обслуговування таких установок потрібно мала кількість людей. Особливо вигідно застосування міні-ТЕЦ для використання в надзвичайних ситуаціях.

При проектуванні міні-ТЕЦ повинні враховуватися такі основні чинники

1.Наличие місцевих видів палива. Наявність таких джерел як біомаса або відходів з яких можна отримувати газ, істотно знизять витрати на міні-ТЕЦ. Якщо таких джерел немає, або неможливо їх використовувати, то треба вибрати варіант з меншими транспортними витратами на доставку палива. Міні-ТЕЦ на базі ДВС можуть працювати на багатьох видах палива (бензин, дизельне паливо, природний газ, газах, одержуваних з біомаси та органічних відходах виробництв). Необхідно вибрати варіант з меншими капітальними витратами. Підібрати поршневу міні-ТЕЦ можна фактично для будь-якого палива, використовуючи різні схеми роботи установки.

2. Важливим фактором є співвідношення електричної і теплової навантажень споживача.

3. Необхідно враховувати і характер навантаження, коливання по годинах доби.

4. Важливим фактором для вибору міні-ТЕЦ є кліматичні

умови, в яких буде працювати установка. Перш за все, цей фактор впливає на вибір типу ДВС.

Використання біопалива для виробництва енергії на міні-ТЕЦ

Перспективним паливом, для виробництва енергії на міні-ТЕЦ є газ, отриманий з органічних відходів шляхом їх переробки. Конвертація біомаси в паливо може проводитися різними способами.

Для виробництв біогазу можна використовувати органічну частину побутових відходів, а також відходи тваринництва, птахівництва (екскременти тварин і залишився корми), рослинництва та овочівництва (солома, бадилля, фрукти, овочі), деревина, відходи лісової і деревообрабтивающей промисловості, каналізаційні стоки. Якісь із перерахованих відходів обов'язково існують в будь-якій місцевості.

Один з найбільш ефективних способів переробки біомаси - її конверсія в біогаз, який використовується для вироблення енергії в міні ТЕЦ. Технічна реалізація біогазових технологій проста і вони можуть застосовується як в малому фермерському господарстві, так і в великих тваринницьких і піщеводческіх комплексах. Анаеробна бактеріальнохіміческая система при температурі 30-55 0 С за час 5-20 діб розкладає до 50% органічної речовини в біогаз, який містить 55-80% метану і 20-45% вуглекислого газу. Сучасні мембранні технології дозволяють розділити біогаз на горючий метан і інертну кислоту має попит на ринку добрив. Теплотворна здатність біогазу становить 5-6000 ккал / м 3. За тепловіддачі 1м 3 біогазу еквівалентний 0,7 м 3 природного газу, 0.7 кг мазуту, 0,6 кг гасу, 0,4 кг бензину, 3.5 кг дров. Технологія виробництво біогазу сбраживанием непогано освоєна і знаходить застосування.

Дня приготування пиши на сім'ю з 3-4 чоловік в день необхідно спалювати 3-4 м 3 біогазу, для опалення будинку площею 50-60 м 3 витрачається 10-11 м 3 біогазу на добу.

Ще одним ефективним способом отримання палива для міні-ТЕЦ

є використання відходів лісозаготівельних і лісопереробних підприємств. За даними досліджень капітальні вкладення у виробництво електроенергії на базі деревного генераторного газу окупаються за 1 рік.

Собівартість одиниці електроенергії при цьому знижується на 60%, а теплової на 70%.

Лісові регіони, як правило, відірвані від ліній електропередач, електропостачання в цих місцях здійснюється дизельними електростанціями, а опалення - шляхом спалювання деревини. Доставка дорогого і дефіцитного палива для цих регіонів є досить важким завданням. У зв'язку з цим, пропонується будівництво міні-ТЕЦ. використовують відходи деревообробки в якості палива. Важливою перевагою такої технології є, то що в більшості випадків не потрібно створення нових установок. Технологічний процес можна організувати на базі наявного обладнання.

Основні переваги міні-ТЕЦ в порівнянні зі стандартними схемами енергопостачання

Ефективність використання установок малої та середньої потужності, які встановлюються безпосередньо біля потреблітелей як альтернативи централізованому енергопостачанню, визначається наступними факторами:

- зниження собівартості виробництва електроенергії та теплоти за рахунок комбінованої їх вироблення та використання більш досконалого обладнання;

- підвищення надійності енергопостачання;

- незалежність режиму роботи споживача від режиму роботи енергосистем;

- зниження масштабів відчуження територій під велике енергетичне

- більше просто вирішуються питання забезпечення екологічної безпеки і зниження витрат на охорону навколишнього середовища.

Міні-ТЕЦ є альтернативними джерелами отримання теплової та електричної енергії, призначеними для використання в різних галузях народного господарства.

У порівнянні з традиційними способами виробництва електроенергії і тепла міні-ТЕЦ викидають в атмосферу на 60% менше СО2 і NOx. значно скорочуючи споживання палива, завдяки цьому вони стають перспективною альтернативою існуючих ТЕЦ.

Міні-ТЕЦ дозволяють домогтися дуже високої використання первинної енергії до 90% і вище. При цьому 30-35% енергії прообразувала в електричний струм і до 60% в теплову енергію.

Храмов С. Загальні відомості про міні-ТЕЦ

Джерело: Портал з теплопостачання, РосТепло.ру, www.rosteplo.ru