16+
Регистрация
РУС ENG
http://www.eprussia.ru/epr/277/2390809.htm
Газета "Энергетика и промышленность России" | № 17 (277) сентябрь 2015 года

Использование местных видов топлива и возобновляемых источников

Наука и новые технологии Владислав ВЕЛИЦКО, Александр ПРОХОРОВ 6428

Обеспечение энерго­снабжения на мини-ТЭЦ с использованием возо­бновляемых источников энергии – приоритетная задача для энергетиков.

Мини-ТЭЦ представляют собой теплосиловые установки, предназначенные для совместного производства как тепловой, так и электрической энергии в устройствах мощностью до 25 МВт.



Виды мини-ТЭЦ

Обычно различают следующие основные агрегаты.

Мини-ТЭЦ на древесных отходах. В качестве топлив эти источники электроэнергии применяют отходы биомассы и значительно сокращают выбросы в атмосферу парниковых газов. Такие установки имеют широкий диапазон мощностей (от нескольких единиц до нескольких сотен киловатт); высокий уровень электрического КПД, составляющий более 30 процентов; производство электрической и тепловой энергии в режиме когенерации; высокие экологические показатели. Побочные продукты производства представляют собой древесную золу, используемую в качестве удобрения, и древесный уголь, впоследствии применяемый как топливо.

Мини-ТЭЦ на биотопливе. Дают значительный импульс развитию сельскохозяйственного сектора, лесопереработки и лесопользования. Экономическая их эффективность может быть значительно увеличена за счет уменьшения стоимости биологического топлива, минимизации расходов на его доставку и использования инновационных технологий. Биотопливо значительно выгоднее в качестве сырья для получения тепловой и электрической энергии, чем использование угля или мазута. Биомасса обладает не только более низким уровнем содержания серы, но и является возобновляемым источником энергии. В качестве топлива используются: древесные гранулы-пеллеты, топливная щепа, агрогранулы, отходы деревообрабатывающей и мебельной промышленности.

Мини-ТЭЦ на биогазе. Сырьем для получения биогаза могут служить не только органические массы растительного происхождения, но и навоз, бытовые отходы. Основой технологии производства биогазов является анаэробная ферментация органических веществ, без доступа кислорода. Одним из основных критериев применения биогаза в различных системах энергогенерации является значительное снижение техногенного воздействия на окружающую среду.

Мини-ТЭЦ на угле. Основным предназначением угольных котельных является автономное обеспечение теплом и паром промышленных объектов. Особенно это актуально для районов, не имеющих по ряду объективных причин достаточного количества жидкого или газового топлива, или в тех случаях, когда применение данных видов топлива нерентабельно или затруднено. В качестве основных преимуществ угольных мини-ТЭЦ можно выделить: высокий уровень эффективности сжигания низкокачественного угля, высокий уровень механизации и автоматизации для угольных котельных, низкий уровень квалификации обслуживающего персонала.

Газопоршневые мини-ТЭЦ. Газопоршневые мини-ТЭЦ представляют собой инновационное высокотехнологичное, энергосберегающее оборудование, предназначенное для производства тепловой и электрической энергии из различных видов газообразного топлива. Для дома такие установки пока не используются по причине своей неоправданно большой для обычного хозяйства мощности. Такие агрегаты чаще можно встретить в условиях промышленных предприятий.



Возможное комбинирование

Особенно важно развитие мини-ТЭЦ для нужд энергоснабжения местных, в том числе возобновляемых, видов топлив. Это позволит максимально сократить транспортировку горючего к месту потребления и сократить дополнительную эмиссию диоксида углерода в атмосферу. Примером концепции такой комбинированной мини-ТЭЦ, использующей совместно возобновляемые источники и местные виды горючего, является мини-ТЭЦ по технологии «Heat-El», базирующейся на модифицированном цикле Ренкина, разработанная ООО «ОЦР-Технологии».

Цикл Ренкина – термодинамический цикл преобразования тепла в работу с помощью водяного пара. Он был предложен в середине XIX века инженером и физиком У. Ренкином. Считается, что по состоянию на начало 2000‑х годов по циклу Ренкина в разных его вариациях вырабатывалось около 90 процентов всей электроэнергии, потребляемой в мире, включая паросиловые установки солнечных, атомных, а также тепловых электростанций, использующих в качестве топлива мазут, газ, уголь или торф.

В так называемом Органическом цикле Ренкина (ОЦР) вместо воды и водяного пара используются органические жидкости. За счет этого становится возможным использовать источники тепла, имеющие низкую температуру, например солнечные пруды.

Аналогично комбинированному использованию возобновляемых и органических источников энергии сейчас рассматриваются и ОЦР-установки, использующие исключительно солнечную энергию для производства электроэнергии и тепла.

Ключевым требованием при разработке новой установки являлась возможность выработки электроэнергии с использованием местных видов горючих и возобновляемых источников с себестоимостью не выше отпускной цены энергии, реализуемой потребителям посредством централизованных электрических сетей. Это должно позволить обеспечивать конкурентоспособное электроснабжение в районах с отсутствующими электрическими сетями или с дефицитом электрической мощности, а также обеспечить конкурентоспособное энергоснабжение потребителей в районах, куда осуществляется так называемый северный завоз.



Особенности технологии

Необходимость минимизации потерь на транспорт вырабатываемых энергоресурсов (электрическая, тепловая энергия, холод) налагают требование максимального приближения источника энергии к потребителю. Такие требования, как использование возобновляемых источников; использование местных видов горючих, зачастую имеющих переменное качество и являющихся неквалифицированными; переменная нагрузка по времени суток и сезону, особенно в коммунальном секторе; сложность сжигания неквалифицированных горючих в топках малого объема, с малым временем пребывания продуктов сгорания в котле; малая потребная единичная мощность мини-ТЭЦ, что особенно актуально для индивидуальной жилой застройки и т. п., налагают ряд требований к энергоустановкам.

Задача использования солнечной и геотермальной энергий, а также возможность сжигания местных видов горючих, таких, как растительная биомасса, в том числе – древесные отходы, торф и т. п., может эффективно решаться с использованием мини-ТЭЦ с внешним подводом тепла, работающих по циклам Ренкина, преимущественно по органическому циклу Ренкина, Стирлинга и Калины.



ОЦР-установка

ОЦР-установка состоит из подогревателя (котла-утилизатора) Е-100, рекуперативного теплообменника Е-101, нагнетателя (насоса) Р-100, детандера К-100 и градирни АС-100.

При изменении условий подвода тепла, например при изменении калорийности топлива или меньшей интенсивности нагрева солнечного коллектора, может снизиться температура нагрева топлива в подогревателе (Е-100). Однако для обеспечения получения максимальной работы в энергоустановке топливо в подогреватель оптимально подавать с максимальным давлением, при котором еще будет обеспечиваться его вскипание (рост механического КПД энергоустановки не линеен от степени приближения фактического давления в подогревателе к теоретически обоснованному).

В результате при проектировании энергоустановок в качестве базового условия учитывается требование работы энергоустановки при минимально допустимой температуре в подогревателе. Это означает, что при использовании более качественных видов топлив и более интенсивной солнечной радиации в достаточной мере не используется увеличивающийся эксергетический потенциал между подогревателем и охладителем, так как топливо подается в подогреватель с давлением меньшим, чем оптимальное давление при фактически достижимой температуре подогрева.



Вопросы температуры

Аналогичная ситуация складывается и при снижении температуры окружающего воздуха. При отсутствии необходимости полного использования вырабатываемой тепловой энергии на нужды теплофикации тепловая энергия полностью или частично отводится во внешнюю среду с использованием холодильника, например градирни (АС-100). Ключевым требованием для энергоустановки, использующей топливо в жидкой фазе, является полная конденсация последнего в холодильнике. При отсутствии конденсации в холодильнике топливо будет поступать на всос нагнетателя (Р-100) в виде как минимум двухфазной среды, что может привести к неработоспособности нагнетателя, а также приведет к увеличению его потребляемой мощности, затрачиваемой на компримирование паровой или газовой фазы топлива.

В связи с этим термобарические условия полной конденсации топлива в градирне определяются самым жарким периодом года. Учитывая, что среднегодовая температура на 20‑30 и более градусов ниже максимальной годовой температуры, существующие энергоустановки и здесь работают с заниженным КПД, что обусловлено неполным использованием располагаемого эксергетического потенциала между фактическими температурами подвода тепла к топливу в подогревателе и отвода от него тепла в холодильнике.

Данная задача может быть успешно решена с использованием разработанного адаптивного термодинамического цикла, позволяющего в реальном времени отслеживать температуру подвода тепла к топливу в подогревателе и температуру отвода тепла от него в охладителе и в зависимости от них изменять степень повышения давления нагнетателя (Р-100) и степень расширения топлива в детандере (К-100). Это позволяет максимально полно использовать располагаемый эксергетический потенциал и увеличить среднегодовую выработку электроэнергии.



Сферы применения

На основе созданного адаптивного ОЦР-цикла разработана проектная документация на ОЦР-установку для энергоснабжения коттеджей.

ООО «ОЦР Технологии» совместно с ООО «МАЭН» разработана схема подключения ОЦР-установок, являющихся блочными теплоутилизационными энергетическими комплексами, предназначенными для энергоснабжения промышленных потребителей, в частности – газоперекачивающих агрегатов.

Одной из сфер применения ОЦР-установок, использующих в своей работе адаптивный цикл, является работа в составе водогрейных котельных, центральных и индивидуальных тепловых пунктов. Особенностью функционирования системы теплоснабжения в России является количественное и качественное регулирование отпуска тепла. Если количественное регулирование при фиксированной температуре теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах теплотрассы не представляет сложности для работы ОЦР-установки, то качественное регулирование определяется тепловым графиком, по которому существенно изменяется температура как минимум в подающем трубопроводе теплотрассы. При этом величина изменений температуры такова, что ОЦР-установка нерегулируемого типа не всегда будет работоспособна.

В основу ОЦР-установок положены бесклапанные объемные детандеры и насосы, обеспечивающие возможность регулирования рабочих фаз (впуск, нагнетание или сжатие, расширение).



Планово-деградирующее топливо

Технологией, позволяющей создавать высокоэффективные локальные энергоустановки, использующие неквалифицированные горючие и возобновляемые источники, является применение планово-деградирующего топлива. Это связано с необходимостью использовать максимально высокую начальную температуру подвода тепла, тогда как применение высокостабильных топлив зачастую ограничивается либо их высокой стоимостью, либо – опасностью, либо – сложностью применения, обусловленной их агрессивностью, и / или высокими рабочими давлениями. Например, применяемые органические топлива в простом цикле при начальной температуре до +300 °С обеспечивают КПД не более 29 процентов.

Интенсивное разложение наблюдается у углеводородов, таких, как С3–С6, которые могли бы, исходя из своих теплофизических характеристик, применяться в качестве высокотемпературных топлив, так как дегидрирование алканов интенсифицируется, например, на хромсодержащих и никельсодержащих катализаторах, а это означает, что прекрасным катализатором для разложения будет трубопроводный контур, выполненный из жаропрочных хромоникелевых сплавов.

Применение планово-деградирующего топлива позволяет обойти данное ограничение: оно вырабатывается непосредственно в энергоустановке из компонента горючего, дешево, доступно и после разложения утилизируется в качестве компонента горючего при работе энергоустановки. Это позволяет существенно поднять температуру подвода тепла к топливу в подогревателе, а при реализации дополнительных мероприятий еще более поднять данную температуру. В результате реальная ОЦР-установка в конденсационном режиме может обеспечивать КПД на уровне 45 процентов, а в теплофикационном – на уровне 38‑40 процентов.

Сложность при повышении КПД ОЦР-установок представляет относительно низкая теплоемкость используемых топлив. Это приводит к тому, что при аналогичных условиях подвода и отвода тепла для производства того же количества работы, как и в паросиловой установке, работающей по классическому циклу Ренкина, в ОЦР приходится прокачивать гораздо большее количество топлива. В результате затраты энергии на работу нагнетателя в ОЦР-установке возрастают. Эта задача может быть решена применением технологии бескомпрессионного нагнетания топлива, позволяющей на десятки процентов снизить работу, потребную для привода нагнетателя топлива ОЦР-установки. Данное решение является компонентом разработанного нового термодинамического цикла, в настоящее время являющегося ноу-хау разработчика, позволяющего экономически эффективно использовать как сверхмалые перепады температур (в десятки градусов Цельсия), так и уменьшить нижний порог утилизируемых температур менее +70 °С.



Выводы

Таким образом, с применением вышеописанного комплекса технологий имеется возможность создать высокоэффективные энергоустановки, работающие как с использованием возобновляемых источников энергии, так и с использованием местных видов горючих, а также квалифицированных горючих (ископаемый природный газ, сжиженный пропан-бутан, мазут и т. п.). Все вышеуказанные технологии могут реализовываться и по отдельности, однако совместно они позволяют получить синергетический эффект в виде технологии создания мини-ТЭЦ, работающих с использованием солнечной, геотермальной энергий, низкосортных местных топлив (сланцы, торф, биомасса и т. п.), обеспечивающей КПД на уровне не менее 50 процентов.

Использование местных видов топлива и возобновляемых источниковКод PHP" data-description="Обеспечение энерго­снабжения на мини-ТЭЦ с использованием возо­бновляемых источников энергии – приоритетная задача для энергетиков.<br /> " data-url="https://www.eprussia.ru/epr/277/2390809.htm"" data-image="https://www.eprussia.ru/upload/iblock/26b/26b25706e75a22bda038d8acb4496f89.jpg" >

Отправить на Email


Свежие Популярные

Войти или Зарегистрироваться, чтобы оставить комментарий.