Когенерацията

Енергийна ефективностТехнически статииСп. Енерджи ревю - брой 1, 2010

Водеща технология за енергопроизводство в световен мащаб

Технологията на комбинирано производство на топло- и електроенергия, позната още като когенерация, се приема за една от най-ефективните технологии за енергопроизводство. Освен значително повишаване ефективността на производството и намаляване на разходите за първични енергийни ресурси, с когенерацията се постигат и по-ниски нива на вредни емисии, изхвърляни в атмосферата.

Практиката показва, че независимото производство на топло - и електроенергия е свързано с непълно оползотворяване на енергията на горивото и изхвърляне на отпадъчната топлина в атмосферата. Това обяснява ниския коефициент на полезно действие на топлоелектрическите централи, например, при производството само на електроенергия. При работа в подобен режим, термичният коефициент на полезно действие е около 30 - 35%. Процесът протича с отделянето на топлина във вид на страничен продукт, който се изхвърля в атмосферата. Ако част от тази топлина се оползотвори чрез утилизация и се използва за задоволяване на потребностите от топлина, ефективността на системата значително би могла да се повиши (фиг. 1). При преминаването към комбинирано производство на електрическа и топлинна енергия, коефициентът на полезно действие на топлоелектрическите централи би могъл да се увеличи до 75-80%.

Технологията съчетава комплекс от преимущества

Сред основните предимства на когенерационната технология е високата степен на оползотворяване на горивото, което от своя страна означава по-висока екологичност. Когенераторните системи могат да се захранват както с традиционните изкопаеми горива - въглища, природен газ и др., така и с възобновяеми източници на енергия като биомаса, слънчева енергия и други.

За когенерацията са характерни и всички предимства на локалните електропроизводствени мощности, работещи паралелно с централната електроенергийна система. На първо място сред тях е независимостта по отношение на електроснабдяването. Изграждането на когенерационна система застрахова потребителите от срив в централното електроснабдяване, например при природно бедствие, претоварване в системата и др. В съвременните, във висока степен автоматизирани производства, протичането на които зависи напълно от наличието на електрозахранване, прекъсването му би могло да доведе не само до значителни икономически загуби, но и до аварии.

От друга страна, по-малкият дял на единица вложена енергия в себестойността на единица от реализирания продукт позволява да се повиши неговата конкурентоспособност и да се осигури относителна независимост по отношение на непрекъснато покачващите се цени на електроенергията.

Рационално оползотворяване на паралелно генерираните мощности

Когенераторните инсталации осигуряват още едно съществено предимство спрямо централното електроснабдяване на промишлените предприятия. Според специалисти в бранша, при използването им биха могли да отпаднат организационните, финансовите и техническите трудности с електроснабдяването, които обикновено се наблюдават при разширяване мощностите на предприятието. Отпада необходимостта от прокарване на нови линии на електропроводи, строежа на трансформаторни подстанции и т.н.

Но най-важното предимство на когенерационната технология несъмнено е свързано с рационалното оползотворяване на паралелно генерираните електрическа и топлинна енергия. Принципно, при всички видове технологии за производство на електроенергия, с изключение на вятърните и водноелектрическите централи, процесите протичат с отделянето на топлина. Дори атомните централи могат да се разглеждат като големи когенератори, в които 28-32% от енергията на атомното гориво се отработва с цел производство на електрическа енергия. Останалата част представлява отпадъчна топлина.

Конструктивни елементи на когенераторите

Възможността за комбинирано производство на електрическа и топлинна енергия се осъществява на базата на мотор-генераторни групи, наричани когенератори. Основните конструктивни елементи на когенераторните агрегати са двигател, електрогенератор, топлообменник за утилизация на отделената топлина и система за контрол и управление.

В зависимост от конкретните изисквания, ролята на основен двигател може да се изпълнява от двигател с вътрешно горене, парна турбина, газова турбина, микротурбина, както и водородни горивни клетки. От двигателите с вътрешно горене основно се използват двигатели с вътрешно горене с искрово запалване, които могат да работят с природен газ, както и двигатели с вътрешно горене със запалване чрез компресия, които се захранват с дизелово гориво или природен газ (с добавка от 5% дизелово гориво за възпламеняване на горивната смес).

Генераторите, които се използват в когенерационните системи, могат да бъдат синхронни и асинхронни. Обикновено се предпочитат синхронните генератори, тъй като те работят както в автономен режим, така и паралелно с мрежата. Това осигурява по-голяма гъвкавост на когенераторните системи. Асинхронните генератори работят само паралелно с мрежата. По тази причина, при възникване на авария в мрежата, те спират работа.

Утилизацията на отделената топлина се извършва в топлообменник

В друг основен елемент на когенераторните инсталации - топлообменника, отработените горещи газове от двигателя на електрогенератора, отдават топлината си на топлоносител (вода, гликол), след което вече охладени, се изхвърлят в атмосферата, като при това химическият и количественият им състав не се променя. С цел повишаване на производителността на топлинната част от когенерационната система, топлообменникът би могъл да се допълни с икономайзер. Икономайзерът представлява топлообменник, чрез който се осигурява предварително подгряване на топлоносителя до подаването му в основния топлообменник. Използването на икономайзер води и до допълнителното понижение на температурата на изпусканите газове.

Чрез системата за управление се регулира работата на двигателя, осигурява се мониторинг на параметрите, свързани с безопасността на работата на когенераторната инсталация и други.

Видове двигатели в когенерационните инсталации

Както вече бе споменато, във функцията на основен двигател в базовите технологии за комбинирано производство на топло- и електроенергия се използват парни и газови турбини, двигатели с вътрешно горене, комбинирани турбини и микротурбини.

Парните турбини се използват в промишлените когенерационни инсталации от много години. При тези когенерационни системи произведената от парни котли пара се разширява при преминаване през лопатките на турбина. По този начин топлинната енергия се превръща в механична и се използва от генератора за производство на електроенергия. Електрическата мощност на системата зависи от разликата между наляганията и температурите на парата на входа и изхода на турбината, както и от нейното количество. Най-общо, коефициентът на полезно действие на паротурбинни цикли, използвани единствено за производство на електроенергия, е много нисък - около 25 - 35%. КПД на паротурбинни когенератори в режим само на електропроизводство е по-нисък от ефективността на газовата турбина и двигателя с вътрешно горене. При реализирането на когенерационен цикъл, обаче, сумарната ефективност нараства и би могла да достигне до 80-84%.

Тъй като при използването на парна турбина мощността на системата зависи от налягането на парата на входа и на изхода на турбината, за постигането на висока ефективност на системата е необходимо парата да се подава в турбината под високо налягане и с висока температура, например 4,2 МРа при 400 °С или 6,3 МРа при 480 °С. Тези параметри, обаче, обуславят и по-високи изисквания към котелното оборудване, което води и до необходимостта от по-големи първоначални инвестиции. Сред предимствата на тази технология е възможността да се използват различни горива.

Парни турбини с противоналягане и с пароотнемане

Според конструкцията си, използваните в когенерационни инсталации парни турбини са основно два типа - с противоналягане или с пароотнемане.

При турбините с противоналягане (фиг. 2), налягането на парата след турбината е по-високо от атмосферното. За загряване на топлоносителя се използва цялото количество пара, а кондензатът се връща към котела. При този тип турбини процесът на добив на топло- и електроенергия е взаимно свързан, а електрическата мощност е функция на консумацията на топлина. Обикновено, за покриване на върховите потребности на топлина се използва специален топлообменник, който консумира първична пара. Като предимства на турбините с противоналягане могат да се посочат по-ниската им себестойност в сравнение с другите турбини, по-малката консумация на вода за охлаждане и др.

При парните турбини с пароотнемане (фиг. 3), налягането на парата след турбината е по-ниско от атмосферното. При тях, част от парата след тракта за високо налягане се отклонява към топлообменника за загряване на топлоносител. Останалата част от парата постъпва в частта на турбината за ниско налягане, а след това в кондензатора. Когато има малка консумация на топлина, парата се насочва към кондензатора и се поддържа пълна електрическа мощност. Основно, добивът на електрическа и топлинна енергия зависи от температурите на входа и на изхода на топлоносителя в мрежата.

Общо, за парните турбини са в сила следните предимства - висока производителност, възможност за използване на широк спектър от горива и продължителен срок на експлоатация. Сред недостатъците им са дългият период на пуск, необходимостта от по-високи начални капиталовложения за единица мощност, сложният и скъп ремонт и други.

Когенераторни инсталации с газови турбини

Широкото използване на природния газ в енергетиката и разширяването на газопреносната мрежа са сред основните фактори, определящи значителната приложна област на газовите турбини. При този вид турбини в горивната камера се запалва смес от газ и въздух, подаван от турбокомпресор (фиг. 4). Получените димни газове с висока температура задвижват турбината на електрогенератора, загряват предварително въздуха, който постъпва в горивната камера, както и водата за топлоснабдителната система и вече охладени се изхвърлят в атмосферата. Газовите турбини обикновено се използват за мощности над 5 MW до около 200 - 250 MW, тъй като според мнението на специалистите това е диапазонът, в който се постига най-добра ефективност на оборудването.

Ако газовите турбини се използват само за производство на електроенергия, коефициентът им на полезно действие е от порядъка 25 - 35%, в зависимост от работните параметри и характеристиките на горивото. При работа в режим на комбинирано производство на електрическа енергия и топлина, ефективността би могла да достигне и дори прехвърли 80%. Газовите турбини се характеризират и с много добри екологични параметри, поради ограничените емисии от азотни окиси. Препоръчва се, обаче, тези съоръжения да се разполагат на промишлени площадки, тъй като работата им е съпроводена с високи нива на шум.

Сред предимствата им са високата надеждност, облекчената експлоатация, краткият период за влизане в режим, малките площи за монтаж и обслужване, възможността за производство на топлина с високи параметри и други. Недостатъците им включват високи нива на шум, необходимост от подготовка на горивото преди изгаряне (очистка, изсушаване, компресия) и други.

Когенератори с двигатели с вътрешно горене

Когенераторните инсталации с двигатели с вътрешно горене (фиг. 5) са подходящи да осигуряват независимо топло- и електрозахранване на единични или на група от обекти. Електрическата мощност на двигателите е от 5 до 10 000 kW. Ефективността им при добив на електроенергия е съизмерима с тази на турбините. За двигателите с искрово запалване е около 35%, а за двигателите със запалване чрез компресия е приблизително 38%. При комбинирано производство ефективността им нараства значително и би могла да достигне до 85%.

Двигателите със самозапалване могат да работят с дизелово гориво и с природен газ (с добавено 5% дизелово гориво за самовъзпламеняване на сместа). Обикновено се препоръчва използването на природен газ, поради по-добрите му екологични характеристики и в по-редки случаи на дизелово гориво. В практиката най-широко приложение са намерили двигателите със самозапалване с изходяща електрическа мощност 15 МW. Изходната електрическа и топлинна мощност на двигателите с искрово запалване е по-ниска от мощността на двигателите със самозапалване. Например, електрическата им мощност е по-ниска с около 15 - 20%. Тези двигатели могат да работят както с чист природен газ, така и с биогаз.

При използването на двигатели с вътрешно горене топлинната енергия обикновено се оползотворява, като се произвежда пара с налягане до 1,5 МРа, гореща вода с температура до 100 оС или изходящите димни газове се отвеждат непосредствено в сушилни или други инсталации.

Ефективност на инсталациите с двигатели с вътрешно горене

Икономическата ефективност на когенерационните инсталации с тези двигатели силно се влияе от годишната им продължителност на експлоатация. Препоръчително е да не се допуска работа с натоварване под 50% за дълъг период от време. Също така, за увеличаване на периода на експлоатация се препоръчва изграждането на инсталации, чиято номинална топлинна мощност е около 50% от тази на консуматорите. По този начин се удовлетворяват около 80% от нуждите на консуматорите, а разликата се поема от върхов котел. Ако към системата се включи и абсорбционна машина, е възможно да се добива и студена вода за климатични инсталации.

При монтиране на двигателите е добре да се вземат предвид генерираните вибрации и шум, който е относително силен, но по-слаб в сравнение с газовите турбини. Обикновено, за намаляване на високите емисии на вредни вещества се използват външни каталитични филтри или се цели подобряване конструктивните характеристики на самите двигатели, като увеличаване на времето на горене и степента на изгаряне на горивната смес.

Сред предимствата им са високата производителност, относително малката първоначална инвестиция, възможността да се използва широка гама от горива и др. Основните им недостатъци са високите емисии на вредни вещества, изхвърляни в атмосферата, значителните нива на нискочестотен шум, ниската топлинна ефективност и други.

Когенераторни системи с комбиниран цикъл

Системите с комбиниран цикъл се изграждат на базата на индустриална газова турбина. В този случай потокът от изходящи газове от турбината се използва за производството на пара с високи температура и налягане, която се подава към парна турбина. Комбинираните системи се използват предимно в приложения, към които са поставени високи изисквания към количеството генерирана електроенергия. Когенерацията се реализира чрез отвеждане на част от топлината от парната турбина.

Тези инсталации работят основно с природен газ, поради което се характеризират с много добри екологични параметри, но също така работата им е съпроводена с високи нива на шум. Препоръчително е изграждането на комбинирани когенераторни инсталации в промишлени зони.

Сред предимствата им са високата производителност, дългият експлоатационен живот, ниските нива на вредни емисии и др. Недостатъците им са свързани с необходимостта от повече място за изграждането им, продължителния и сложен пуск на инсталация, необходимостта от по-големи първоначални капиталовложения, изискването за по-висока квалификация на обслужващия персонал и др.

Когенератори с микротурбини

Според специалисти, микротурбините са подходящи за когенераторни системи с мощност под 1 МW, при които използването на газови турбини не се приема за рационално. Често се използват като двигатели към електрогенератори с неголяма мощност, обикновено в диапазона 25 - 200 kW.

Конструктивно, всички движещи се части на микротурбините - въздушен компресор, генератор и самата турбина, са решени върху общ въртящ се вал. По този начин в конструкцията на микротурбината има само една движеща се част. За охлаждане на двигателя и управляващата електроника обикновено се използва въздух, което намалява експлоатационните разходи на системата. Основното гориво, с което работят микротурбините, е природен газ, но също така могат да се използват и други горива като биогаз, пропан-бутан, дизелово гориво, керосин и др.

Топлинната енергия, произведена от микротурбини, би могла да се използва пряко за сушилни или други промишлени процеси, за отопление или горещо водоснабдяване - чрез подгряване на вода или гликол във външен или интегриран топлообменник и за охлаждане на помещения. Освен това, когенерация на база микротурбини би могла да се реализира като допълнение на индустриални системи за производство на топлинна енергия. Малката единична мощност и възможността за ефективна работа в диапазона 0 - 100% позволява производство на енергия при дълъг срок на експлоатация на инсталацията и икономия на гориво. Когенерацията с микротурбина се приема като подходяща и в случаите, в които като гориво се използва газ с ниска топлотворна способност.

Микротурбините, в сравнение с всички досега разгледани когенерационни технологии, се отличават с най-висока екологичност. Характерни за тях са ниските нива на шум и отсъствието на вибрации при работа. Микротурбините могат да се монтират и на открити площадки, тъй като в повечето случаи те се изпълняват с влагозащитени корпуси. Ефективността в използването на микротурбини в когенерационни инсталации се определя от температурата на изходящите газове и съотношението на генерираните топлинна и електрическа енергия.

Когенератори с водородни горивни клетки

Използването на водородни клетки като двигатели в системите за когенерация се отличава с редица предимства. Водородните горивни клетки се отличават с висока ефективност, надеждна работа и възможности за удвояване на енергийния КПД на системата. Сред използваните горивни клетки за когенерация са фосфорно-киселинните и горивните клетки с твърд оксид. При фосфорно-киселинните водородни клетки като електролит се използва течна фосфорна киселина. Коефициентът им на полезно действие при комбинирано производство на топлинна и електрическа енергия е около 85%. Ефективността им при производство само на електроенергия е значително по-ниска и обикновено е в диапазона 37 – 42%. При горивните клетки с твърд оксид като електролит се използва твърда нешуплеста керамична смес. При комбинирано производство на топло- и електроенергия, пълната ефективност на клетката би могла да достигне 80 – 85%.

Когенератори с двигател на Стърлинг

Във връзка с усъвършенстването на когенераторните технологии с ниска изходна мощност, през последните години все повече навлизат стърлинговите двигатели. Те значително се различават от двигателите с вътрешно горене, при които горивният процес се осъществява в самия двигател. Стърлинговият двигател е с външно горене, базиран на херметично затворена система, използваща инертно работеща течност.

Като конструкция, двигателят на Стърлинг се отличава с по-малко движещи се части в сравнение с другите видове двигатели. Стърлинговите двигатели са по-лесни за поддръжка и се характеризират с по-ниски емисии от въглеродни и азотни окиси. Когенераторите, работещи на основата на този принцип, покриват мощностен диапазон, по-висок от 0.5 kW.

Когенераторите намират широко приложение

Освен доказаната енергоефективност и екологичност, сред основните фактори, които определят все по-широкото използване на когенерацията, е и фактът, че днес много компании произвеждат когенератори с различна мощност. У нас се предлагат включително и съоръжения с малка единична мощност, позволяваща внедряването им не само в промишлеността, но и в жилищни сгради.

Напоследък активно се разработват и схеми, позволяващи оползотворяването на част от високотемпературните (до 150° C) газове за хладопроизводство в климатични и промишлени инсталации с абсорбционни, сорбционни и/или компресорни термомашини - така наречените тригенерационни схеми. Те повишават постоянния отоплителен товар, увеличават инсталираната мощност и времето на използваемост на когенератора.

В интерес на обективността следва да се отбележи, че икономическата ефективност на една когенерационна инсталация е въпрос на задълбочена технико-икономическа оценка на съществуващите условия, а не общовалиден факт. За качественото изпълнение на даден проект е необходимо наличието на специфични знания и опит. В противен случай, съществува реална вероятност голяма част от положителните страни на когенерационната инсталация да не бъдат реализирани.





Top