Спосіб комбінованого вироблення теплової та електричної енергії

1. Спосіб комбінованого вироблення теплової та електричної енергії на базі когенераційних установок з використанням газопоршневих двигунів з електрогенератором і котлом-утилізатором, який включає спалення природного газу в тепловому двигуні для одержання електричної енергії, формування потоку вихлопних газів з теплового двигуна, скидання вихлопних газів в котелутилізатор, викид відпрацьованих газів з котлаутилізатора в оточуюче середовище, спалення додаткового палива в теплофікаційних котлах для одержання додаткової теплової енергії, який від U 2 (19) 1 3 38810 новок (ГТУ). Це відомі когенераційні технології зі скидом продуктів спалення з ГТУ в топки теплофікаційних котлів зі спаленням в їх середовищі додаткового палива. В цих те хнологіях все теплове навантаження несуть теплофікаційні котли [3,4]. Недоліком цих технологій є обмеженість потужності ГТУ великими значеннями (2,5 ... 20МВт), що обумовлює їх використання тільки в потужних міських та районних комунальних теплофікаційних підприємствах, недостатня вивченість топочних процесів при використанні продуктів спалення з ГТУ як окислювача, що призводить до зниження ефективності і надійності роботи котла. Недоліком є і в багатьох випадках незадовільний стан теплофікаційних котлів, велика кількість яких є застарілими з використаним ресурсом роботи і незадовільним ккд. Недоліком є і складність вирішення проблеми постійного гарячого водопостачання, що пов'язано з сезонністю роботи теплофікаційних котлів комунальної котельні. В останні роки знайшли поширення когенераційні технології, засновані на використанні в тандемі з тепловими двигунами котлівутилізаторів. Це пояснюється більш простою і надійною технологією використання скидної теплової енергії двигунів, більш простою технологією застосування і монтажу когенераційних установок і їх компактністю, можливістю застосування в якості теплових двигунів газопоршневих двигунів, е фективність яких, ціна і потужнісний ряд значно краще задовольняють попит комунальної енергетики та енергетики промислових підприємств. Відома когенераційна техгнологія, заснована на використанні газопоршневого двигуна (ГПД) в тандемі з котлом-утилізатором, зв'язаного з теплофікаційними котлами котельні тільки по цільовому теплоносію, який може скидатися в контури теплофікаційних котлів при їх роботі чи використовуватись окремо від них в загальній теплофікаційній схемі котельні [5 6 7], яка обрана за прототип. В ГПД спалюють додаткове паливо для вироблення електроенергії з допомогою електрогенератора, механічно зв'язаного з двигуном, а продукти спалення з двигуна скидають в котелутилізатор, де одержують частину цільової теплової енергії. Охолоджені продукти спалення з котла-утилізатора викидають в оточуюче середовище. При цій технології теплофікаційні котли працюють з заощадженням палива на виробництво цільової теплової енергії, оскільки частину цільової теплової енергії одержують з котла-утилізатора когенераційної установки. Цільову теплову енергію, одержану в котлі-утилізаторі, звичайно використовують для гарячого водопостачання, вирішуючи при цьому одностайно дві проблеми цілорічного гарячого водопостачання і безперервної цілорічної роботи когенераційної установки, що зменшує термін її окупності. Недоліком прототипу є додаткове забруднення оточуючого середовища когенераційними уста 4 новками, перш за все, оксидами азоту (NO x), джерелом яких є ГПД когенераційних установок (концентрація NOx в викидах ГПД може становити близько 500мг в 1м 3 продуктів спалення). Екологічна небезпека, пов'язана з цими найбільш привабливими когенераційними технологіями, є одним з суттєви х факторів, які можуть стримувати їх упровадження, приймаючи до уваги те, що коммунальні котельні здебільшого розміщуються серед житлових масивів. В основу корисної моделі поставлено задачу удосконалення когенераційної технології, заснованої на використанні газопоршневих двигунів, зв'язаного з теплофікаційними котлами котельні тільки по цільовому теплоносію, шляхом встановлення технологічного зв'язку між газопоршневими двигунами і теплофікаційними котлами котельні з метою зниження шкідливих викидів котелень з когенераційними установками і покращення екологічного становища оточуючого середовища. Поставлена задача вирішується тим, що в способі комбінованого вироблення теплової та електричної енергії на базі когенераційних установок з використанням газопоршневих двигунів з електрогенератором і котлом-утилізатором, який включає спалення природного газу в тепловому двигуні для одержання електричної енергії, формування потоку вихлопних газів з теплового двигуна, скидання вихлопних газів в котел-утилізатор, викид відпрацьованих газів з котла-утилізатора в оточуюче середовище, спалення додаткового палива в теплофікаційних котлах для одержання додаткової теплової енергії, згідно корисної моделі, викидні гази з котла-утилізатора цілком скидають в дуттєве повітря пальників теплофікаційного котла (котлів), якщо їх витрата не перевищує 25% витрати продуктів спалення теплофікаційного котла (котлів), крім того, згідно корисної моделі, викидні гази з котла-утилізатора частково, близько 25% витрати продуктів спалення теплофікаційного котла, скидають в дуттєве повітря пальників теплофікаційного котла, а решту - в оточуюче середовище, якщо витрата продуктів спалення в котлі-утилізаторі перевищує 25% витрати продуктів спалення в теплофікаційному котлі (котлах), крім того, згідно корисної моделі, продукти спалення з газопоршневого двигуна безпосередньо скидають в дуттєве повітря пальників теплофікаційного котла (котлів), якщо потужність двигуна така, що витрата його продуктів спалення не перевищує 25% витрати продуктів спалення теплофікаційного котла (котлів) і котел (котли) працює цілорічне. Викидні гази з котла-утилізатора необхідно скидати в дуттєве повітря пальників теплофікаційних котлів з метою зменшення емісії оксидів азоту в теплофікаційних котлах. Обмеженість витрати продуктів спалення, які скидають з котла-утилізатора в дуттєве повітря 25%-ми від витрати продуктів спалення в теплофікаційному котлі необхідне, бо ефективність зменшення емісії Nox спостерігається саме при скиданні в дуттєве повітря до 20-25% продуктів спалення від витрати 5 38810 продуктів спалення в теплофікаційному котлі. Якщо саме така витрата продуктів спалення має місце в котлі-утилізаторі, то всі продукти спалення з котла-утилізатора скидають в дуттєве повітря. Якщо витрата продуктів спалення в котліутилізатоі перевищує 25% від витрати продуктів спалення в теплофікаційному котлі, то по тій же причині, що і в попередньому пункті, тільки частину витрати продуктів спалення з котлаутилізатора, яка дорівнює 25% від витрати продуктів спалення в теплофікаційному котлі, скидають в дуттєве повітя пальників теплофікаційного котла, а решту продуктів спалення з котлаутилізатора скидають в оточуюче середовище. Скидати продукти спалення з газопоршневого двигуна безпосередньо в дуттєве повітря теплофікаціного котла необхідне, якщо теплофікаційний котел призначений для гарячого водопостачання і працює цілорічне. В цьму випапдку когенераційна установка складається з двигуна і теплофікаційного котла, в якому використовують тепловий потенціал продуктів спалення з двигуна і додатково подають паливо і повітря для забезпечення гарячого водопостачання. При цьому основне призначення скидання продуктів спалення з двигуна в дуттєве повітря - зменшення ємісії NOx в теплофікаційному котлі і витрата продуктів спалення в двигуні не повинна перевищувати 25% від витрати продуктів спалення в теплофікаційному котлі за наведених вище причин. Суть корисної моделі пояснюється кресленнями, на якому зображені варіанти принципових схем запропонованої когенераційної технології. На рис. 1 зображена принципова схема когенераційної технології з котлом-утилізатором. Газ (Г) і повітря (П) подають в газопоршневий двигун 1, механічно зв'язаний зелектрогенератором 2. Одержану електроенергію використовують для власних потреб підприємства, а надлишок направляють в електричну мережу. Продукти спалення з теплового двигуна (ПС) з температурою близько 500°С направляють в котел-утилізатор 3, де одержують частину цільової теплової енергії енергію для гарячого водопостачання (ГВП), яке повинно бути постійним, незалежним від сезону. Продукти спалення з котла-утилізатора (ПС) скидають в дуттєве повітря (ДП) для теплофікаційного котла и разом з газом (Г) спрямовують в пальники теплофікаційного котла (котлів) 4, де одержують решту цільової теплової енергії для теплопостачання в опалювальний сезон. Димові гази (ДГ) з теплофікаційного котла (котлів) скидають в оточуюче середовище. Теплофікаційні котли є основними забруднювачами оточуючого середовища в місті. Основним компонентом забруднень є NOx. Концетрація NOx в викидах теплофікаційного котла сягає 150250мг/м 3. Величина викиду NO x дорівнює GNOx,k = CNOx,k×G k, де GNOx,k - величина викиду NOx котла, СNOх,k масова концентрація NOx в викидахкотла, Gk витрата продуктів спалення котла, і не повинна перевищувати санітарної норми. В разі впровад 6 ження когенераційної технології за зразком прототипу теплове навантаження теплофікаційних котлів знижуєтся на величину теплової потужності когенераційної установки. Це відбивається головним чином на скороченні витрати палива теплофікаційними котлами, і на температурі в топках котлів, яка дещо знижується, при практичній незмінності витрати продуктів спалення. При цьому збільшується коефіцієнт надлишку повітря в топках і концентрація кисню в продуктах спалення. Зниження температури в факелах в топках сприяє зниженню емісії NOx, але підвищеня концентрації кисню в топках при зниженні навантаження діє протилежним чином. Тому сподівання на значне зменшення емісії NOx за рахунок зменшення навантаження теплофікаційних котлів не має підстав. Навпаки, при впровадженні когенераційної технології на зразок прототипу з'являється нове джерело емісії NOx - газопоршневий двигун, в продуктах спалення якого концентрація NOx в 2-3 рази вища за таку в продуктах спалення теплофікаційних котлів. Але вклад двигуна в загальну емісію NOx залежить від витрати продуктів спалення двигуна, яка в загальному разі може бути значно меншою, ніж така теплофікаційного котла. GNOх,д = СNOх,д×Gд, де GNOх,д - величина викиду NOx двигуна, СNOх,д - масова концентрація NOx в викидах двигуна, Gд - витрата продуктів спалення двигуна. Наприклад, якщо концентрація NOx в продуктах спалення двигуна втричі перевищує таку в продуктах спалення котла, а витрата продуктів спалення двигуна становить 20% витрати продуктів спалення в теплофікаційному котлі, то додавання емісії NOx за рахунок двигуна становить 60% емісії котла. Це достатньо велика і, на жаль, реальна величина. Запропонована когенераційна технологія спрямована на зниження загальної емісії NOx. когенераційної установки Це досягається шляхом скидання продуктів спалення двигуна після котлаутилізатора в дуттєве повітря теплофікаційного котла. Ця дія по своїх наслідках аналогічна відомому використанню рециркуляції димових газів в котлах з метою зниження емісії NOx. При баластуванні дуттєвого повітря продуктами спалення зменшується концентрація кисню в окислювачі. Внаслідок цього зменшується швидкість горіння, збільшується довжина факелу і знижується його температура і як слідство зменшується емісія NOx. Оптимальною витратою продуктів спалення при скиданні їх в дуттєве повітря з метою зниження емісії NOx при рециркуляції димових газів в котлах вважається 20-25% від витрати продуктів спалення в котлі. Така ж витрата продуктів спалення з котлаутилізатора при скиданні їх в дуттєве повітря теплофікаційного котла рекомендована в запропонований технології. При такій витраті можна очікувати, що емісія NOx в топках котлів, подібно результатам використання рециркуляції димових газів, буде знижена на 25-30%. Це на 30% компенсує додаткову емісію оксидів азоту в ГПД, які скидаються разом з продуктами спалення ГПД 7 38810 в дуттєве повітря котлів. За рахунок цього в запропонованій технології на 30% знижуються загальні викиди з когенераційної установки порівняно з прототипом. Експерименти з оксидами азоту, проведені в Інституті те хнічної теплофізики НАН України, показали, що загартовані, нерівноважні оксиди азоту, одержані в високотемпературних умовах спалення в циліндрах газопоршневих двигунів, в умовах охолодженого факелу в топках котлів частково відновляються. Завдяки цьому механізму в цьому разі викиди котельні з когенераційною установкою будуть містити менше оксидів азоту, ніж викиди котельні без когенераційної установки. В неопалювальний сезон, коли теплофікаційні котли відключені, продукти спалення з котлаутилізатора когенераційної установки, яка працює на гаряче водопостачання цілорічне, викидають в оточуюче серидовище (рис.1, пунктирна стрілка). В цьому разі викиди NOx в оточуюче середовище становлять приблизно 60% від викидів працюючої котельні в опалювальний сезон без когенераційної установки. Таким чином, впровадження запропонованої когенераційної технології дозволяє не тільки суттєво знизити ступінь забруднення оточуючого середовища порівняно з прототипом, але й можна сподіватись і на покращення екологічної ситуації порівняно з теплофікаційною котельнею. Потужність когенераційної установки в загальному випадку може бути не прив'язана до екологічної доцільності. В цьому випадку витрата продуктів спалення в двигуні (і, відповідно, в котліутилізаторі), може бути більшою, ніж 25% витрати продуктів спалення в теплофікаційному котлі. В цьому разі в дуттєве повітря теплофікаційного котла з котла-утилізатора скидають тільки частину продуктів спалення з котла-утилізатора, яка відповідає запропонованій нормі (20-25% від витрати продуктів спалення в теплофікаційному котлі), а решту продуктів з котла-утилізатора скидають в оточуюче середовище (рис.1, пунктирна стрілка). В цьому разі екологічні показники когенераційної установки будуть гіршими, ніж у попередньому випадку, але все ж кращими, ніж у прототипі. Скидати в теплофікаційний котел більше продуктів спалення з котла-утилізатора, ніж запропонована норма (20-25% від витрати продуктів спалення в теплофікаційному котлі), недоцільно. Відомі дослідження процесів рециркуляції димових газів в котлах показали, що збільшення ступеня рециркуляції за вказану норму практично вже не впливає на емісію NOx. В той же час, збільшення баласту в топці котла призводить до суттєвого зниження ккд котла. Можуть виникнути й проблеми зі сталостю процесу спалення. У випадку, коли котел в котельні використовують цілорічне для гарячого водопостачання, при 8 прийнятті рішення про створення когенераційної установки на базі ГПД принципово немає потреби в котлі-утилізаторі. В цьому разі когенераційна установка може бути сформована на базі ГПД і теплофікаційного котла (рис.2). При цій компоновці продукти спалення (ПС) з газопоршневого двигуна (1) скидають безпосередньо в дуттєве повітря (ДП) теплофікаційного котла (3). Двигун з електрогенератором (2) забезпечє вироблення електричної енергії, а теплофікаційний котел (3), куди додатково подають газ (Г) і повітря (дуттєве повітря (ДП)) забезпечує гаряче водопостачання (ГВП). Димові гази (ДГ) з теплофікаційного котла скидають в оточуюче середовище. Скидання продуктів спалення з двигуна в дуттєве повітря теплофікаційного котла забезпечує зменшення емісії NOx в топці котла. При цьому потужність двигуна необхідно обирати так, щоб витрата продуктів спалення в двигуні відповідала запропонованій нормі скидання продуктів спалення в дуттєве повітря теплофікаційного котла (20-25% від витрати продуктів спалення в теплофікаційному котлі). Перевищувати цю норму небажано, оскільки в цьому випадку доведеться надлишок продуктів спалення з двигуна скидати в навколишнє середовище, що призведе не тільки до додаткового хімічного забруднення, але й суттєвого теплового забруднення навколишнього середовища внаслідок високої температури (близько 500°C) викидних газів ГПД. Впровадження запропонованої в корисній моделі когенераційній технології покращить екологічні показники когенераційних установок на базі ГПД, які є найбільш сприятливими для теплоенергетичних підприємств комунальної енергетики. Джерела інформації 1. Рьтжкин 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 000 "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 «ОЕиТ2»(Германия) в Украине, г.Киев. 9 Комп’ютерна в ерстка Д. Шев ерун 38810 Підписне 10 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