Газови когенератори

Енергийна ефективностТехнически статииСп. Енерджи ревю - брой 1, 2011

Особености на използваните съоръжения

В последните години организирането на автономно и независимо енергоснабдяване се превръща във все по-привлекателна алтернатива за индустриалния сектор. Възможността да се осигури независимост от централната електроснабдителна мрежа, да се гарантира сигурност на електрозахранването, да се намалят енергийните разходи са сред основните предимства на подобни решения. Предлагат се различни варианти, като за едно от най-перспективните решения се приема използването на когенератори, захранвани с газово гориво. Когенерацията е процес на едновременно производство на електрическа и топлинна енергия, поради което често когенерационните модули биват наричани мини ТЕЦ. Използването им позволява автономно производство на електроенергия и топлина (фиг.1). Ефективността на използване на топлинните ресурси в когенерационните модули е с 30-40 % по-висока в сравнение с разделното производство на електроенергия и топлина. В зависимост от вида на двигателя газовите когенерационни модули се подразделят на два основни вида - когенерационни модули с бутални двигатели и когенерационни модули с газова турбина.

Когенератори с бутални двигатели

Когенераторите с бутални двигатели представляват енергийни съоръжения, състоящи се основно от двигател, генератор, произвеждащ електричество, пулт за управление и контрол. Принципно, освен с газово гориво като природен газ, биогаз и др., те могат да работят и с течни горива като бензин и дизелово гориво. Поради сравнително по-високата цена на дизеловото гориво обаче, когенераторите, работещи с дизел намират по-ограничено приложение.

Когенераторите, захранвани с газово гориво и работещи с бутални двигатели могат еднакво ефективно да се използват както като основен, така и като резервен източник на електроенергия. Специалистите предупреждават обаче, че не е изключено стойността на такива системи, използвани за резервно електроснабдяване, да се получи по-висока в сравнение с използването на дизелгенераторите. От своя страна, дизелгенераторите не се препоръчват за осигуряване на постоянно захранване, поради което се счита за по-целесъобразно използването им в качеството на резервни. При използването им като основен източник на енергия, когенераторните модули следва да покриват потребностите на обекта по отношение на електроенергия и топлина. Резервните когенератори се използват предимно при аварийни ситуации, например при прекъсване на основното електрозахранване.

Днес се произвеждат основно два типа бутални двигатели

със самозапалване и с искрово запалване. Двигателите със самозапалване могат да работят с дизелово гориво и с природен газ, към който обикновено се добавя 5% дизелово гориво за самовъзпламеняване на сместа. Предпочитаното гориво е природният газ поради по-добрите му екологични характеристики. Двигателите с искрово запалване могат да работят с чист природен газ, като може да се използва и биогаз. Те са и двигателите, които намират по-широко приложение при автономното производство на електроенергия, поради лесната достъпност на газовото гориво неговата по-ниска себестойност и факта, че се явява екологично чисто гориво. Мощността на газови когенератори с подобни двигатели може да варира от 100 kW до няколко десетки мегавата. По правило, ресурсът на такива системи е малко над 200 хил. часа, а ресурсът до капиталовия ремонт се колебае в пределите 55 - 60 хил. часа. Срокът на откупуване на когенераторите с бутални двигатели е около 2-3 години, но естествено този срок е обвързан и с конкретните условия. Факторите, оказващи благоприятно въздействие върху икономическата ефективност на тези когенератори, са относително неголямата себестойност на автономното производство на електроенергия; намалените разходи за комуникации при нови обекти поради отпадането на необходимостта от присъединяване към външни елeктро- и топлопреносни мрежи, а при по-старите обекти отпадането на необходимостта от ремонт на вече съществуващи мрежи; оползотворяване на получената топлина и др.

Оползотворяване на отпадната топлина

Двигателят с вътрешно горене е топлинна машина, в която енергията, получена от изгарянето на въглеродни горива, се преобразува в механична работа. При производството на електроенергия се отделя немалко количество топлина. Тази топлина може да бъде използвана за технологични цели, като например за производството на пара с налягане до 1,5 МРа; за производство на гореща вода за отопление и горещо водоснабдяване или непосредствено в сушилни и други инсталации. Също така, топлината може да бъде абсорбирана с цел получаване на охладена вода от система за охлаждане.

Количеството топлина, произвеждано от когенераторите с бутални двигатели, зависи от електрическото натоварване. При намаляване на електрическото натоварване (например през нощта) се намалява и обемът на утилизираната топлина. Това е причината тези когенератори не винаги напълно да покриват потребностите на обекта от топлина. В тази ситуация пиковото топлинно натоварване се покрива за сметка на друг енергиен източник, например газов водогреен котел.

За автономно енергоснабдяване на даден обект може да се използват няколко когенератора. Тяхното количество и мощност се определят в зависимост от потребностите на всеки конкретен обект.

Варианти на изпълнение

Обикновено газовите когенератори с бутални двигатели се изпълняват като модулни бързосглобяеми конструкции или се поставят в контейнери. При модулното изпълнение когенераторите се поставят вътре в помещението, като е възможно поставянето на кожух, изпълняващ ролята на шумозаглушител. При контейнерното изпълнение когенератора може да се постави на открито. Контейнерите осигуряват шумозаглушаването и топлоизолирането съгласно условията на експлоатация на оборудването.

Всяко от тези изпълнения има своите силни и слаби страни. Забелязва се обаче тенденция модулите контейнерно изпълнение да са предпочитани.

Ролята на горивото

Ключов момент за газовите когенератори с бутални двигатели се явява съставът на горивото. Възможно е за всеки отделен модел когенератор да има специфични изисквания към горивото по отношение на качество и състав. Определящи критерии се явяват метановото число на газа, съдържанието на сяра, степента на детонация, минималната и максималната топлина на изгаряне. Някои производители адаптират произвежданите от тях когенератори с бутални двигатели за конкретно гориво. Освен с природен газ, тези когенератори могат да работят и с други газови горива като бутан, газ от химическата промишленост, коксов газ, биогаз и т. н., а това е важно с оглед поддържане на екологичната безопасност.

Предимства

Характерно за когенераторите с бутални двигатели е ниската им чувствителност към температурата на околната среда, което дава възможност да се използват в различни климатични зони. Допълнително тяхно предимство е и възможността към когенератора да се подава газ под относително ниско налягане - от 0,01 до 0,04 MPa, което елиминира необходимостта от използването на компресор.

Сред основните предимства на когенеаторите с бутални двигатели са и ниската себестойност на произвежданата енергия; сравнително недългият срок на откупуване на инвестицията (обикновено около две, три до пет години); независимостта от външните електрически и топлоснабдителни системи; надеждността на системата; ниските експлоатационни разходи; високият КПД; високото качество на произвежданата електроенергия; по-ниското в сравнение с дизелгенераторите съдържание на вредни вещества в отработените газове. Разходът на гориво за киловатчас при тези когенератори е по-малък в сравнение с други когенератори. Това се дължи главно на това, че електрическото КПД на буталните машини е около 40%, а например на газовите турбини е около 30%. В сравнение с електростанциите с газови турбини, мини ТЕЦ-овете с бутални машини изискват и значително по-малки разходи за капитален ремонт.

Когенератори с газови турбини

Газотурбинният модул представлява силов агрегат, състоящ се от газова турбина и механизми, осигуряващи неговата работа. Мощността на тези модули може да се движи в границите от 1 до 300 MW. Използването на газови турбини с много малка мощност (под 5 MW), както и на такива с много голяма мощност, не се счита за особено рентабилно. Обикновено, при реализирането на автономно топло- и електрозахранване, се препоръчва използването на турбини с мощност около 5 MW. Установено е, че при такава мощност се постига много добра ефективност на когенераторите. Също така, монтирането на турбина с мощност от порядъка над 200 - 250 MW в рамките на отделно предприятие се счита за нецелесъобразно, тъй като трудно би могъл да се намери потребител на подобна мощност. Срокът на откупуване обикновено е около три-четири години.

Принцип на работа

Принципът на работа на газовата турбина не е сложен. С помощта на компресор в горивната камера на турбината се нагнетява газ, където той се смесва с въздух, образува се горивна смес, която на свой ред се възпламенява. Получените димни газове с висока температура задвижват лопатките на турбината. Произведената механична енергия се предава на генератор за генериране на електричество. Изхвърляните димни газове са със сравнително висока температура от порядъка на около 500 оС, което позволява те да се използват като източник на топлина. За тази цел турбината може да се свърже с котел-утилизатор.

Ако се сравни количествено съотношението на изработената топлинна енергия към електрическата, то при газотурбинните когенератори тя може да се колебае в пределите на 1,5 към 1 до 2,5 към 1. При използването на газовите турбини само за производство на електроенергия, коефициентът им на полезно действие е от порядъка на 25 - 35%, в зависимост от работните параметри и характеристиките на горивото. При комбинирано производство на електрическа енергия и топлина ефективност може да достигне до над 80 %. Газовите турбини се характеризират и с много добри екологични параметри - продуктите на горене на природния газ не са токсични, лесно се разсейват и не замърсяват околната среда. Също така, газовата турбина не се нуждае от водно охлаждане. Сред предимствата на газовите турбини са високата надеждност, облекчената експлоатация, възможност за производство на топлина с високи параметри и други. Добре е да се има предвид обаче, че работата на когенераторите с газова турбина е съпроводена с отделянето на значителен шум, поради което се препоръчва те да се разполагат на промишлени площадки.

Експлоатационни особености

Що се касае до експлоатационното обслужване на газотурбинните когенератори, то в условията на ограничени инвестиции това може да се окаже сложна задача. Необходимо условие за осигуряването на по-дълга и безпроблемна експлоатация на когенератора е наличието на добре подготвен висококвалифициран персонал, тъй като и най-малките на пръв поглед грешки могат да доведат до повреди в оборудването.

Като основни недостатъци на газовите турбини се посочват сравнително високото ниво на шум, който съпровожда работата на когенератора и необходимостта за когенератора да се предвиди отделна сграда със сериозна звукоизолация. Към недостатъците на когенераторите с газова турбина може да се отнесат и дългият процес на подготовка за стартиране на когенератора (от половин до два часа), а също така и голямата сложност и високата стойност на ремонта. Освен това, горивото за турбината трябва да се подложи на допълнително подготовка под формата на свиване и компресиране. Също така, ако се стигне до рязко повишаване на натоварването, то агрегатът не е в състояние бързо да набере мощност без да загуби скорост на въртене. При това е нужно да се следи много внимателно разходът на гориво. Ако натоварването на когенератора рязко падне, това води до намаляване на к.п.д.-то и едновременно с това нараства потреблението.

Използването на когенератори в ролята им на алтернативни източници на енергия се приема за много добро решение по ред причини. Например, на етапа на строителство на обекта отпада необходимостта от прокарването на електрически кабел и строителството на нови трансформаторни подстанции. Също така не се налага да се прокарват топлопроводи, да се строят нови и реконструират стари котелни. На етапа на експлоатация на обекта стойността на автономното производство на електроенергия може да е с до два, три пъти по-ниска себестойност от тарифите на местните енергийни компании. В резултат, газовата електростанция може да се откупи за няколко години експлоатация. Срещат се и мнения, че с отчитането на значителното намаляване на разходите за присъединяване на обекта към електрическата и топлопреносна мрежа, срокът на откупуване може да бъде и по-малко от една година. Съвременните когенератори, работещи с газово гориво, удовлетворяват всички екологични норми, тъй като природният газ се явява екологично чисто гориво.





Top