Спосіб комбінованого вироблення теплової та електричної енергії

1. Спосіб комбінованого вироблення теплової та електричної енергії на базі когенераційних установок з використанням газопоршневих двигунів (ГПД) з електрогенератором і котломутилізатором, який включає спалення природного газу в ГПД для одержання електричної енергії, формування потоку вихлопних газів з ГПД, скидання вихлопних газів в котел-утилізатор і регулювання теплової потужності когенераційної установки шляхом регулювання теплової потужності U 1 3 39074 ратурні продукти спалення з ГТУ подають в топку теплофікаційного котла як окислювач, в якому спалюють решту палива, отримуючи при цьому цільову теплову енергію. Недоліком цього способу є обмеженість потужності ГТУ великими значеннями (2,5...20МВт), що обумовлює використання цієї когенераційної технології тільки в потужних міських та районних комунальних теплофікаційних підприємствах, висока капітальна вартість ГТУ, недостатня вивченість топочних процесів при використанні продуктів спалення з ГТУ як окислювача, що може призвести до зниження надійності роботи котла, і необхідність вирішува ти проблеми шумопоглинання. Недоліком цього способу є і складність вирішення проблеми постійного гарячого водопостачання, що пов'язано з сезонністю роботи теплофікаційних котлів комунальної котельні. Відомі когенераційні технології на базі газопоршневих двигунів (ГПД) з електрогенераторами і котлами-утилізаторами [5, 6, 7]. При цій технології газоповітряну паливну суміш подають в ГПД, одержуючи електроенергію, а продукти спалення з ГПД подають в котелутилізатор, де одержують цільову теплову енергію. Димові гази з котла-утилізатора направляють в димар. В цій когенераційній технології ГПД з котлом-утилізатором (когенераційна установка) і теплофікаційні котли комунальної котельні працюють автономно. Зв'язок когенераційної установки з теплофікаційними котлами котельні відбувається на рівні цільової теплової енергії, решту якої одержують в теплофікаційних котлах при спаленні в них палива. В останні роки цей спосіб викликає все більшу зацікавленість підприємств комунальної енергетики завдяки більш низької капітальної вартості ГПД порівняно з ГТУ і більш прийнятному потужнісному ряду ГПД (0,25...6МВт) для середніх та дрібних комунальних підприємств і пунктів теплопостачання промислових підприємств. При вже вказаних вище перевагах когенераційних технологій в цілому, в цьому способі легше вирішується питання цілорічного гарячого водопостачання, для якого може бути використана цільова теплова енергія з котла-утилізатора, який працює постійно на відміну від працюючих сезонно теплофікаційних котлів. Цей спосіб комбінованого вироблення теплової та електричної енергії прийнятий за прототип. До суттєви х недоліків прототипу слід віднести відносно малу теплову потужність ГПД (відношення теплової потужності до електричної становить приблизно 1,2:1). При використанні ГПД нерідко виникає необхідність збільшення теплової потужності когенераційної установки для гарячого водопостачання без збільшення електричної потужності. Ця проблема загострюється при обмеженнях на виробництво електроенергії в зв'язку з дискримінацією при прийомі збиткової електроенергії когенераційної установки в мережу. Іншим недоліком прототипу є обмеженість можливості швидкого та ефективного регулювання теплового навантаження, що є необхідним в зв'язку зі специфікою роботи комунальної теплофікації. В прототипі регулювання теплового навантаження 4 когенераційної установки здійснюють зміною потужності двигуна. Таке регулювання пов'язане зі зниженням ефективності роботи двигуна, що знижує ефективність когенераційної установки в цілому. Крім того, зміна потужності двигуна впливає на вироблення електроенергії, що може бути небажаним. В корисній моделі поставлено задачу удосконалення когенераційної технології на базі ГПД з котлом-утилізатором для комбінованого вироблення теплової та електричної енергії в комунальних теплофікаційних і промислових підприємствах шляхом введення в технологію додаткових елементів з метою покращення регулювальних характеристик когенераційних установок. Поставлена задача вирішується тим, що в способі комбінованого вироблення теплової та електричної енергії на базі когенераційних установок з використанням газопоршневих двигунів (ГПД) з електрогенератором і котломутилізатором, який включає спалення природного газу в ГПД для одержання електричної енергії, формування потоку вихлопних газів з ГПД, скидання вихлопних газів в котел-утилізатор і регулювання теплової потужності когенераційної установки шляхом регулювання теплової потужності двигуна, згідно корисної моделі, теплову потужність когенераційної установки регулюють незалежно від потужності двигуна шляхом попереднього підмішування в вихлопні гази з двигуна до скидання їх в котел-утилізатор високотемпературних продуктів спалення з додаткової камери спалення, в яку додатково подають паливно-повітряну суміш зі складом близьким до стехіометричного і в кількості необхідній для одержання перед котломутилізатором теплового потенціалу, достатнього для забезпечення теплового навантаження когенераційної установки (кількісне регулювання), крім того, згідно корисної моделі, регулюють теплову потужність установки при практично постійній витраті продуктів спалення з камери спалення, в яку подають повітря в кількості, яка відповідає максимальному можливому значенню теплового навантаження когенераційної установки, а додаткове паливо - в кількості, яка відповідає заданому тепловому навантаженню (якісне регулювання). Можливість збільшення і регулювання теплової потужності когенераційної установки незалежно від потужності двигуна необхідна, оскільки ефективність двигуна зменшується при відхилинні його потужності від номінальної, що призводить до зниження ефективності когенераційної установки в цілому. Крім того, при необхідності регулювання теплової потужності когенераційної установки може бути небажаною зміна її електричної потужності, яка жорстко залежить від потужності двигуна. Попереднє підмішування в вихлопні гази з двигуна до скидання їх в котел-утилізатор високотемпературних продуктів спалення з додаткової камери спалення є необхідним для підвищення теплової потужності котла-утилізатора і незалежного регулювання теплового навантаження когенераційної установки. При незалежному регулюванні теплової потужності можливе кількісне і якісне регулювання. 5 39074 Кількісне регулювання забезпечує декілька меншу витрату додаткового палива в камері спалення, ніж якісне, при однаковому діапазоні регулювання. Але якісне регулювання забезпечує більший діапазон регулювання, ніж кількісне. При кількісному регулюванні теплової потужності склад паливно-повітряної суміші, яку подають в камеру спалення, повинен бути близьким до стехіометричного, оскільки при цьому підвищення теплової потужності котла-утилізатора до заданої величини відбувається при мінімальній витраті додаткового палива в камері спалення. При якісному регулюванні теплової потужності установки подавати повітря в камеру спалення в кількості, яка відповідає максимальному можливому значенню теплового навантаження когенераційної установки, необхідно для забезпечення практично постійній витраті продуктів спалення в котлі-утилізаторі при регулюванні, що забезпечує більший діапазон регулювання, ніж при кількісному регулюванні. Подавати при якісному регулюванні додаткове паливо в камеру спалення в кількості, яка відповідає заданому тепловому навантаженню необхідно, бо саме від цього залежить температура в камері спалення і, отож, тепловий потенціал продуктів спалення в камері і суміші на вході в котел-утилізатор. Суть корисної моделі пояснюється кресленням, на якому зображена принципова технологічна схема запропонованого комбінованого вироблення теплової та електричної енергії. Запропонована технологічна схема передбачає слідуючі процеси. Паливну суміш (суміш повітря і газу) спалюють в газопоршневому двигуні (ГПД), механічно з'єднаному з електрогенератором, для одержання електричної енергії. В продукти спалення з ГПД підмішують високотемпературні продукти спалення з камери спалення, після чого одержану суміш з підвищеним тепловим потенціалом подають в котел-утилізатор (КУ) для одержання цільової теплової енергії, яку спрямовують споживачу, наприклад у вигляді гарячого водопостачання (ГВП). Охолоджені в котлі-утилізаторі продукти спалення викидають в оточуюче середовище. Видобуток електроенергії водночас з цільовою тепловою енергією становить когенераційний процес з обумовленими вище позитивними технологічними та економічними наслідками. Зміна теплової потужності котла-утилізатора відбувається за рахунок зміни теплового потенціалу газів перед котломутилізатором. Подача додаткового палива в камеру спалення призводить до збільшення витрати палива в когенераційній установці в цілому. Коливання коефіцієнту використання теплоті палива когенераційної установки при додатковій витраті палива незначні. Але при цьому з’являється можливість підвищити теплову потужність котла-утилізатора без застосування для цього більш потужного ГПД з більшою витратою продуктів спалення і отже більшою тепловою потужністю, що може бути неможливим при обмеженнях на виробництво електроенергії в зв'язку з дискримінацією при прийомі збиткової електроенергії когенераційної установки 6 в мережу. Іншим позитивним наслідком запропонованого когенераційного процесу є можливості швидкого та ефективного регулювання теплового навантаження, що є необхідним в зв'язку зі специфікою роботи комунальної теплофікації. При цьому когенераційна установка може бути розрахована як на кількісне, так і на якісне регулювання. В першому варіанті в камеру спалення подають додаткову паливну суміш близьку до стехіометричного складу. При такому складі додаткової паливної суміші регулювання теплової потужності установки здійснюється шляхом зміни витрати паливної суміші в камері спалення. Це енергетично найбільш ефективний спосіб регулювання. Недоліком його є те, що при такому способі регулювання діапазон підвищення теплової потужності і її регулювання обмежується допустимою зміною витрати продуктів спалення в котлі-утилізаторі, яка згідно інструкціям котлонагляду не може відрізнятися від номінальної, за яку приймається витрата продуктів спалення в двигуні, більше ніж на 10%. Це обмеження і визначає можливий діапазон регулювання теплової потужності установки. Діапазон регулювання можна підвищити вдвічі, якщо котел-утилізатор буде спроектований на номінальну витрату продуктів спалення, яка на 10% перевищує витрату продуктів спалення в двигуні. Але треба ураховува ти, що коливання тиску за двигуном, що пов'язане зі зміною витрати в котліутилізаторі і газодинамічного опору його тракту, негативно впливає на роботу двигуна. Тому в першому варіанті високу ефективність регулювання можна очікувати тільки при незначному діапазоні регулювання. Другий варіант (якісне регулювання) розрахований на режим роботи з практично постійною витратою продуктів спалення в камері спалення і котлі-утилізаторі і спрямований на розширення діапазону регулювання теплової потужності установки. Цього досягають шляхом подачі в камеру спалення повітря в кількості, яка відповідає прийнятому максимальному можливому значенню теплового навантаження когенераційної установки при складі додаткової паливної суміші близькому до стехіометричного. При проектуванні когенераційної установки необхідний діапазон регулювання теплового навантаження установки є заданим. Відповідно є відомим і можливе максимальне теплове навантаження. Виходячи з цього, визначають можливу максимальну витрату в камері спалення повітрянопаливної суміші при її складі близькому до сте хіометричного (коефіцієнт збитку повітря 1,05-1,1) і відповідну витрату повітря. Саме ця витрата повітря в камері спалення і є постійною при якісному регулюванні, яке відбувається шляхом подачі кількості палива відповідної бажаному тепловому навантаженню в діапазоні регулювання. При цьому, в залежності від подачі палива, процес спалення в камері відбувається при різних значення коефіцієнту збитку повітря і при різній температурі. Оскільки маса продуктів спалення визначається, в основному, масою повітря, яке подають в камеру спалення, а маса повітря, яку подають в 7 39074 камеру спалення при якісному регулюванні залишається незмінною, то і маса продуктів спалення в камері спалення при зміні подачі палива залишається практично незмінною. Як наслідок, залишається практично незмінною при регулюванні і витрата продуктів спалення в котлі-утилізаторі, близькою до номінальної, за яку прийнята витрата продуктів спалення при максимальному тепловому навантаженні когенераційної установки. Якісне регулювання теплового навантаження відбувається не за рахунок зміни витрати додаткової маси продуктів спалення з постійною температурою з камери спалення, що має місце при кількісному регулюванні, а за рахунок зміни температури додаткової практично постійної маси продуктів спалення з камери спалення. Додаткова витрата палива в цьому варіанті регулювання дещо більша, ніж у попередньому (на 1-2%), а коефіцієнт використання теплоти палива дещо нижчий (в тій же пропорції). Габарити і металоємність камери спалення та котла-утилізатора в цьому варіанті дещо більші, що впливає на капітальну вартість установки. Але діапазон регулювання теплової потужності при якісному регулюванні значно ширший, ніж при кількісному, що може бути вирішальним фактором при виборі варіанта запропонованої когенераційної технології. Запропонована в корисній моделі технологія значно гнучкіша в експлуатації, ніж прототип, за Комп’ютерна в ерстка А. Крулевський 8 довольняє потребам регулювання теплового навантаження установки і буде сприяти поширенню когенераційних те хнологій, які сьогодні є найбільш прогресивними технологіями в комунальній енергетиці. Джерела інформації: 1. Рыжкин В.Я.. Тепловые электрические станции. М.: «Энергия», 1967. 2. Канаев А.А., Корнеев М.И.. Парогазовые установки. Л.: «Машиностроение», 1974. 3. Степанов Р.И.. Котлы с предвключенными газовыми турбинами. - "Теплоэнергетика", 1995, №4, с.41-43. 4. Арсеньев Л.В., Тырышкин П.Г.. Комбинированные установки с газовыми турбинами. Л.: «Машиностроение», Ленинградское отделение, 1982. 5. Каталог ООО "Налим", г. Севастополь, Украина. 6. Когенерационные установки (для комбинированного производства электрической энергии и тепла). Каталог АООТ "Первомайскдизельмаш", г. Первомайск, Украина. 7. Мини-теплоэлектростанции DEUTZ. «Автомоторс», Генеральное представительство АО «DEUTZ» Германия) в Украине, г. Киев. 8. ГТЭС когенерационного цикла (теплофикационные). Каталог газотурбинного оборудования. «Газотурбинные технологии», 2005г., Россия. Підписне Тираж 28 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601