Спосіб комбінованого вироблення теплової та електричної енергії і установка для його здійснення

1. Спосіб комбінованого вироблення теплової та електричної енергії на базі когенераційних установок з використанням газопоршневих двигунів з електрогенератором і котлом-утилізатором, який включає спалювання природного газу в газопоршневому двигуні для одержання електричної енергії, формування потоку вихлопних газів з газопоршневого двигуна, скидання вихлопних газів в котел-утилізатор, спалювання додаткового палива в теплофікаційних котлах для одержання додаткової теплової енергії, який відрізняється тим, що C2 2 (19) 1 3 78425 4 капітальна вартість ГТУ, недостатня вивченість роблення теплової та електричної енергії в комутопочних процесів при використанні продуктів спанальних теплофікаційних підприємствах, з систелення з ГТУ як окислювача, що може призвести до мою формування потоків скидних газів з ГТУ для зниження надійності роботи котла, і необхідність подачі їх в топки теплофікаційних котлів і систевирішува ти проблеми шумопоглинання. Недоліком мою регулювання [1, 2, 3, 4]. цього способу є і складність вирішення проблеми Недоліком цих установок є обмеженість потупостійного гарячого водопостачання, що пов'язано жності ГТУ великими значеннями (2,5-20МВт), що з сезонністю роботи теплофікаційних котлів комуобумовлює їх використання тільки в потужних мінальної котельні. ських та районних комунальних теплофікаційних Відомий спосіб комбінованого вироблення тепідприємствах, висока капітальна вартість ГТУ, плової та електричної енергії з застосуванням конедостатня вивченість топочних процесів при вигенераційних те хнологій, в яких використовується користанні продуктів спалення з ГТУ як окислювагазопоршневий двигун (ГПД) з електрогенераточа, що може призвести до зниження надійності ром і котлом-утилізатором [5, 6, 7]. При цьому спороботи котла, і необхідність вирішувати проблеми собі паливо подають в ГПД, одержуючи електрошумопоглинання. Недоліком є і складність виріенергію, а продукти спалення з ГПД подають в шення проблеми постійного гарячого водопостакотел-утилізатор, де одержують частину цільової чання, що пов'язано з сезонністю роботи теплофітеплової енергії. Димові гази з котла-утилізатора каційних котлів комунальної котельні. направляють в димар. В цій когенераційній техноВідомі когенераційні установки з ГПД з електлогії тепловий двигун з котлом-утилізатором і тепрогенератором і котлом-утилізатором, зв'язані з лофікаційні котли комунальної котельні по димотеплофікаційними котлами на рівні цільової тепловому тракту працюють автономно. Зв'язок вої енергії [5, 6, 7]. В цих установках ГПД з електтеплового двигуна з теплофікаційними котлами рогенератором використовують для одержання відбувається на рівні цільової теплової енергії, електроенергії, а викидні гази з двигуна наплаврешту якої одержують в теплофікаційних котлах ляють в котел-утилізатор для отримання теплової при спаленні в них палива. В останні роки цей споенергії. При цьому основну частину теплової енерсіб викликає все більшу зацікавленість підпригії одержують в теплофікаційних котлах, які праємств комунальної енергетики завдяки більш низьцюють автономно. Зацікавленість в цих когенеракої капітальної вартості ГПД порівняно з ГТУ і ційних установках з боку комунальних більш прийнятному потужнісному ряду ГПД (0,25теплофікаційних підприємств, яка спостерігається 6МВт) для середніх та дрібних комунальних підв останні роки, пояснюється меншою капітальною приємств і пунктів теплопостачання промислових вартістю ГПД порівняно з ГТУ, більш сприятливим підприємств. При вже вказаних ви ще перевагах для середніх і дрібних комунальних теплофікаційкогенераційних те хнологій в цілому, в цьому споних підприємств і промислових підприємств потусобі легко вирішується проблема гарячого водопожністим рядом ГПД (2,5-6МВт), легкістю вирішення стачання, для якого може бути використана цільопроблеми постійного гарячого водопостачання при во теплова енергія з котла-утилізатора, який сезонній роботі теплофікаційних котлів за рахунок працює постійно на відміну від працюючих сезонно використання для цього теплової енергії з котлатеплофікаційних котлів. Цей спосіб комбінованого утилізатора, який разом з двигуном працює повироблення теплової та електричної енергії пристійно. Когенераційна установка з ГПД і котломйнятий за прототип. утилізатором прийнята за прототип. Недоліком прототипу є шкідливі викиди окисОсновним недоліком прототипу є незадовільлів азоту (NOx) в оточуюче середовище, джерелом ний екологічний стан викидів в навколишнє сереяких в прототипі є не тільки теплофікаційні котли, довище, основним джерелом яких, окрім теплофіале й ГПД, який в прототипі є основним джерелом каційних котлів, є ГПД (концентрація NOx в шкідливих викидів (вихлопна концентрація NOx, викидних газах ГПД становить близько 500мг/м 3). близька до 500мг/м 3). Зважаючи на те, що більЦей недолік когенераційних установок з ГПД є шість комунальних котелень розміщується в меістотно суттєвим, зважаючи на те, що комунальні жах міста, цей недолік є істотно суттєвим і може теплофікаційні підприємства в більшості розташопризвести до значного обмеження використання вані в межах міста. прототипу. В основу першого з групи винаходів поставлеКомбіноване вироблення теплової та електрино задачу удосконалення способу комбінованого чної енергії в комунальних і промислових підпривироблення теплової та електричної енергії в коємствах здійснюється когенераційними установкамунальних теплофікаційних підприємствах і в тепми, в состав яких входять тепловий двигун з лових пунктах промислових підприємств на базі електрогенератором, технологічно зв'язаний з текогенераційних установок з використанням ГПД плофікаційними котлами підприємства. Викорисшляхом впровадження способів очищення димотання когенераційних установок пов'язане з підвих газів від шкідливих речовин (NO x). вищенням надійності тепло-електропостачання і Поставлена задача вирішується тим, що в значним економічним ефектом, який обумовлюспособі комбінованого вироблення теплової та ється відмовою від дорогої мережевої електроелектричної енергії на базі когенераційних устаноенергії для власних потреб підприємств, зменшенвок з використанням газопоршневих двигунів ням потреб в паливі для теплопостачання і (ГПД) з електрогенератором і котломможливістю продажу надлишку виробленої електутилізатором, який включає спалення природного роенергії в мережу. газу в ГПД для одержання електричної енергії, Відомі когенераційні установки з ГТУ для виформування потоку вихлопних газів з ГПД, ски 5 78425 6 дання вихлопних газів в котел-утилізатор, спаленча між пальниками теплофікаційних котлів. ня додаткового палива в теплофікаційних котлах Суть винаходів пояснюється кресленням, на для одержання додаткової теплової енергії, згідно якому зображена принципова схема запропоноваз винаходом, вихлопні гази з двигуна до скидання ної установки для комбінованого вироблення тепв котел-утилізатор попередньо очищують від окислової та електричної енергії. Установка містить лів азоту шляхом проведення каталітичної реакції газопоршневий двигун 1, механічно зв'язаний з відновлення з використанням в якості відновлюваелектрогенератором 2, хімічний каталітичний реача природного газу, який попередньо додають в ктор 3, котел-утилізатор 4, змішувач продуктів продукти спалення з ГПД, а викидні гази з котласпалення з котла-утилізатора з дуттєвим повітрям утилізатора підмішують в дуттєве повітря, яке на5, теплофікаційні котли з камерними топками з правляють в пальники теплофікаційних котлів. пальниками 6, систему водопостачання, запірноОчищення димових газів з двигуна від окислів регулюючу арматуру, газоходи, те хнологічні труазоту необхідно, бо саме двигун є основним джебопроводи, контрольно-вимірювальні прилади і релом шкідливих викидів. Це очищення необхідно систему автоматики. провести безпосередньо після двигуна, тому що Працює установка наступним чином. Газ (Г) і каталітична реакція відновлення з використанням повітря (П) подають в газопоршневий двигун 1, в якості відновлювача природного газу відбуваєтьмеханічно зв'язаний з електрогенератором 2. Одеся при температурі вище 400°С. Саме таку темпержану електроенергію використовують для власратур у мають вихлопні гази з ГПД. них потреб підприємства, а надлишок направляПідмішування низькотемпературних викидних ють в електричну мережу. Продукти спалення з газів з котла-утилізатора в дуттєве повітря, яке теплового двигуна (ПС) з температурою близько направляють в пальники теплофікаційних котлів 500°С направляють в каталітичний реактор 3, куди необхідне для зниження емісії NOx в топках тепподають також невелику кількість природного газу. лофікаційних котлів. При цьому має місце той же В реакторі відбуваються каталітичні реакції відносамий механізм зниження емісії NOx, що і при ревлення циркуляції димових газів в котлах. 4NO+СН4=2N2+СО2+2Н2О В основу др угого з гр упи винаходів поставлено NО2+СН4=N2+СО2+2Н2О, задачу удосконалення когенераційної установки з внаслідок чого відбувається очищення продукГПД і котлом-утилізатором для комбінованого витів спалення з ГПД від шкідливих компонентів. роблення теплової та електричної енергії в комуРеакції відновлення NOx екзотермічні, тому теплональних теплофікаційних підприємствах і системах вий потенціал продуктів спалення в реакторі не теплопостачання промислових підприємств шлязменшується. хом введення в схему установки пристроїв для Цей спосіб відновлення NOx досліджений. Неочищення і запобігання емісії NOx. доліком його є те, що каталітичні реакції відновДруга поставлена задача вирішується тим, що лення відбуваються при температурі понад 400°С і когенераційна установка, яка містить газопоршненизькому вмісту кисню в димових газах, що обумовий двигун (ГПД) з електрогенератором і котломвлювало необхідність попереднього підігріву викиутилізатором, теплофікаційні котли з камерними дних газів котлів до цієї температури і взагалі ротопками з пальниками, систему водопостачання, било неможливим використання цього способу при запірно-регулюючу арматуру, газоходи, технологізначних коефіцієнтах надлишку повітря в топках чні трубопроводи, контрольно-вимірювальні прикотлів. Тому цей спосіб не знайшов застосування в лади і систему автоматики, згідно з винаходом, практиці очищення димових газів. Але в когенерадодатково містить хімічний каталітичний реактор, ційних установках з ГПД саме цей спосіб, в якому: розташований за рухом продуктів спалення поміж як відновлювач використовується природний газ, є газопоршневим двигуном і котлом-утилізатором, найбільш придатним для очищення високотемпезмішувач продуктів спалення з котла-утилізатора з ратурних (близко 500°С) продуктів спалення бездуттєвим повітрям теплофікаційних котлів, додатпосередньо після ГПД, які практично не містять кові газоходи і регулюючу арматур у для розподілу кисню в своєму складі. забаластованого дуттєвого повітря після змішуваОчищені від NOx продукти спалення після хіміча між пальниками теплофікаційних котлів. чного реактора направляють в котел-утилізатор 4, Хімічний каталітичний реактор, розташований в якому теплова енергія продуктів спалення перепо ходу продуктів спалення поміж газопоршневим дається воді, яку подають в котел-утилізатор, педвигуном і котлом-утилізатором, є необхідним для ретворюючись в цільову теплову енергію (енергію запобігання шкідливих викидів шляхом відновленгарячої води чи пари). Найбільш перспективним є ня NOx за допомогою каталітичної реакції в хімічвикористання котла-утилізатора, який разом з двиному реакторі. гуном працює постійно, для гарячого водопостаЗмішувач продуктів спалення з котлачання, яке повинно теж бути постійним, незалежутилізатора з дуттєвим повітрям теплофікаційних ним від сезону. котлів є необхідним для утворення забаластованоДимові гази (ДГ) з котла-утилізатора з низькою го дуттєвого повітря перед подачею його в пальтемпературою (близько 120°С) подають в змішуники теплофікаційних котлів з метою зниження вач 5, в який одночасно направляють дуттєве поемісії NOx в теплофікаційному котлі. вітря (ДП) для теплофікаційних котлів. Зі змішуваУ зв'язку з включенням в схему установки доча забаластоване димовими газами дуттєве датних пристроїв необхідні додатні газоходи і реповітря (ЗП) направляють в пальники камерних гулююча арматура для регулювання розподілу топок теплофікаційних котлів 6. Забаластованість забаластованого дуттєвого повітря після змішувадуттєвого повітря призводить до зменшення інтен 7 78425 8 сивності процесу спалення, зниження температури нення буде сприяти поширенню когенераційних горіння, подовженню факела, що, в свою чергу, технологій, які сьогодні є найбільш прогресивними сприяє його охолодженню. Все це призводить до технологіями в комунальній енергетиці. зниження емісії NOx в топках теплофікаційних котДжерела інформації: лів. При цьому механізм зниження емісії NOx той 1. Патент России №2217615, кл. 7 F02С6/18, же самий, що й при використанні звісної рециркуF01К23/10, 2003. ляції димових газів в крупних котлах (в комуналь2. Патент України №9023А, кл. 5 F02С6/00, них котельнях в Україні не використовується), для F02С6/18, 1996. якої встановлюють додаткові рециркуляційні ди3. Степанов Р.И. Котлы с предвключенными мососи, газоходи і систему регулювання. Всього газовыми турбинами.- "Теплоэнергетика", 1995, цього не потрібно в запропонованій установці, то№4, с.41-43. му що в ній є "го тові" о холоджені димові гази з 4. М. Кузьменко, В. Межибовский, О. Брындин, котла-утилізатора, які й використовують для зниГ. Телегин. Газотурбинная электростанция в Рыження емісії в топках теплофікаційних котлів. бинске введена в эксплуатацию. "Газотурбинные Вироблену в теплофікаційних котлах цільову технологии", №5, 2002. теплову енергію, разом з цільовою енергією з кот5. Каталог ООО "Налим", г. Севастополь, Укла-утилізатора, направляють споживачу. Виробраина. лення частини цільової теплової енергії в котлі6. Когенерационные установки (для комбиниутилізаторі призводить до зниження необхідної рованного производства электрической энергии и витрати палива в теплофікаційних котлах і, як тепла). Каталог АООТ "Первомайскдизельмаш", г. слідство, до економії палива на вироблення тепПервомайск, Украина. лової енергії. 7. Каталог "DEUTZ AG", Германия. ГенеральВикористання запропонованого способу комное представительство "DEUTZ AG" в Украине, г. бінованого вироблення теплової та електричної Киев. енергії і когенераційної установки для його здійс Комп’ютерна в ерстка Л.Литв иненко Підписне Тираж 26 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