Тригенерационни системи

Предимствата и реалните ползи от изграждането на инсталации за комбинирано производство на електро- и топлоенергия са отдавна известен факт. С тях коефициентът на полезно действие на топлоелектрическите централи би могъл да се увеличи до 75-80%.

Освен значително повишаване на ефективността на производството и намаляване на разходите за първични енергийни ресурси, се постигат и по-ниски нива на вредни емисии, изхвърляни в атмосферата. Така наречената когенерационна технология се приема като една от най-ефективните технологии за енергопроизводство и именно поради тази причина е водеща в световен мащаб.

Сред основните й предимства е високата степен на оползотворяване на горивото, което, от своя страна, означава по-висока екологичност на технологията. За когенерацията са характерни и всички предимства на локалните електропроизводствени мощности, работещи паралелно с централната електроенергийна система.

Първо място сред тях заема независимостта по отношение на електроснабдяването. Изграждането на когенерационна система застрахова потребителите от срив в централното електроснабдяване например поради природно бедствие, претоварване в системата и др.

При 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.

Едновременното производство на топлина и електричество обаче е целесъобразно предимно през студените месеци в годината. Съответно, през лятото необходимостта от производство на топлина значително намалява, което води и до силно ограничаване на възможностите за когенерация.

Именно значително по-малките възможности за утилизация на топлината в когенерационните инсталации през лятото обяснява изграждането на съоръжения с много ниска мощност. Съвсем логично, през топлите месеци се появява необходимост от производството на студ. Възможността за комбинирано производство на топлина, електроенергия и студ е позната като тригенерация.

От технологична гледна точка това означава присъединяване на абсорбционен охладител към когенерационната инсталация. За задвижване на хладилната машина се използва топла вода и пара, регенерирани от когенерационния агрегат.

Възможността топлинната енергия да се използва за производство на студ (с цел климатизиране на помещения или за технологични нужди) обезпечава натоварването на инсталацията през цялата година. Също така осигурява рентабилно изгаряне на газовото гориво и ускорява възвръщаемостта на инвестициите.

Тригенерационните системи

се състоят от когенерационна инсталация за комбинирано производство на топлинна и електроенергия, към която се присъединяват един или няколко хладилни агрегата. Топлинната част представлява парогенератор с рекуперация на топлина. За захранването му се използват газовете, изхвърляни от първичния двигател, който обикновено е снабден с газова турбина.

Също така към него е присъединен генератор на променлив ток, обезпечаващ производството на електрическа енергия. С оглед осигуряване безопасността на работа в системата допълнително се предвижда авариен контур, към който при необходимост (в случай на прегряване или преохлаждане) може да се пренасочи парата. Примерна схема на система за тригенерация може да видите на фиг. 1.

За производство на студ се използват предимно абсорбционни хладилни машини, които се захранват с топла вода, пара или газ. В това се изразява едно от основните предимства на абсорбционното охлаждане в сравнение с компресорното, тъй като използваната топлинна енергия е по-евтина в сравнение с електроенергията.

Сред предимствата на абсорбционното охлаждане е и фактът, че нивото на отделяния шум е много по-ниско от характерното за компресорното. Недостатъците му са свързани с по-високите капитални вложения и по-големите габарити и маса на агрегата.

Функционирането на абсорбционните хладилни машини се основава на прилагането на бинерна система. За целта се използват две вещества, намиращи се в термично равновесие. Едното представлява работно тяло, наричано още хладилен агент, и абсорбент.

Изискванията към бинерния разтвор включват: голяма разлика между температурата на кипене на чистия хладилен агент и чистия абсорбент при едно и също налягане; отсъствие на опасност от разлагане на компонентите; малка топлина на разтваряне и възможност за неограничено смесване на двете компоненти, без да се образуват азеотропни разтвори.

Съответно, към елементите на бинерната система също се поставят изисквания. Сред основните от тях са: използваните хладилни агенти да притежават висока топлина на изпарение, а разликата между наляганията на кондензация и изпарение да бъде минимална. Основно изискване към използваните абсорбенти е да притежават способността при достатъчно висока скорост на абсорбция да абсорбират максимално хладилния агент.

Сред най-широко използваните бинерни разтвори в промишлеността са: амоняк - хладилен агент, вода - абсорбент, както и вода като хладилен агент и литиев бромид в качеството на абсорбент. За производството на студена вода с температура в диапазона от 6 до 12 °С обикновено се използва вода (хладилен агент) и литиев бромид (абсорбент).

С цел производството на нискотемпературен студ до -60 °С се използва амоняк (хладилен агент) и вода (абсорбент). Поставянето на допълнителен топлообменник между генератора и абсорбера също спомага за повишаване ефективността на процеса.

Принцип на работа на охладителните системи

Добре известно е, че при изпарението си една течност поглъща топлина от всичко, което я заобикаля. Именно теорията за изпарението стои в основата на функционирането, а следователно и на проектирането на охладителните системи. Известно е, че в условия на нормално налягане водата се изпарява при 100 °С.

При понижаване на абсолютното налягане пада и температурата на кипене на водата. А в условия на вакуум водата се изпарява при много ниски температури. Действието на абсорбционната хладилна машина се базира именно на принципа, че при понижаване на абсолютното налягане намалява и температурата на кипене на водата.

Основни елементи на една абсорбционна хладилна машина са: генератор, кондензатор, абсорбер и изпарител, помпа и блок за управление. В генератора се намира бинерният разтвор. При подаване на топлинна енергия към него се изпарява част от хладилния агент. Полученият концентриран бромисто-литиев разтвор се стича в абсорбера.

От генератора парите на хладилния агент постъпват в кондензатор, където се охлаждат. Резултатът е кондензацията им. Логично, процесът протича с отделяне на топлина. От кондензатора течният хладилен агент попада в изпарителя, където се изпарява при ниско налягане и в условия на подвеждане на топлина от охлажданата вода или друга работна среда.

Цикълът се затваря с абсорбиране на парите на хладилния агент от бинерния разтвор в абсорбера. Разреденият бромисто-литиев разтвор се изпомпва отново в генератора.

В абсорбера и изпарителя се поддържат ниско налягане и температура, докато в генератора и кондензатора - съответно, високо налягане и висока температура.

За повишаване ефективността на топлообмена в изпарителя и абсорбера тръбите се оросяват, съответно с вода и концентриран разтвор на бром-литий. Цикълът се осъществява непрекъснато през времето на експлоатацията на машината. Също така поставянето на допълнителен топлообменник между генератора и абсорбера повишава ефективността на процеса.

Характерни за абсорбционното охлаждане са три контура, между които протича обмен на топлина. Първият се явява контурът на отоплителната вода, която действа в качеството на носител на вътрешния топлообмен. Този контур е включен към източника на топлина - когенератора. Вторият контур - на студената вода, е включен директно в охладителния контур, по аналогичен начин на централното отопление.

Вместо с гореща вода той е пълен със студена, която е предназначена за охлаждане на въздуха в помещенията и за отвеждане на топлината. Третият контур е на охлаждащата вода. Логично, тя е предназначена за охлаждане на топлата вода. Често охлаждането се осъществява чрез охладителна кула.

Обикновено температурата в контура на водата, изпълняваща функцията на топлоносител, е в диапазона от 90 °С до 135 °С. Контурът на студената вода е с температура, необходима за отвеждане на топлината от помещението, и обикновено се движи в границите от 7 до 15 °С. Контурът на охладителната вода, отвеждаща топлината от охладителя, работи при температура от 20 до 45 °С.

Предимства и недостатъци на системите

В сравнение с традиционните системи тригенерационните предлагат няколко предимства. На първо място сред тях е повишеният икономически и екологичен ефект от оползотворяването на “излишната топлинна енергия”. Произведената електрическа енергия може да се подава в общата електроенергийна система или да се използва за собствени нужди.

По време на отоплителния сезон топлината се използва за покриване на собствените потребности от топлинна енергия. Вместо вещество, разрушаващо озоновия слой, в качеството на хладилен агент се използва вода, което е много благоприятно от екологична гледна точка. Също така отсъствието на подвижни детайли в абсорбционната хладилна машина означава, че се минимизират разходите за обслужване и абсорбционната система работи почти безшумно.

Ниските експлоатационни разходи на системите, както и останалите описани предимства, обясняват растящата приложна област на децентрализираните комбинирани източници на електро- и топлоснабдяване. Подобни енергийни инсталации се характеризират с кратки срокове на строителство, повишена надеждност на топлоснабдяването на потребителите, намаляване на инертността на топлинното регулиране и загубите в топлоснабдителната мрежа.

Недостатъците са свързани с трудности при решаването на въпроса с предаване на излишната електроенергия към общата мрежа. Разбира се, тук е мястото да се подчертае, че както няма универсално и най-ефективно техническо оборудване, и тригенерацията е оптимално решение, когато са изпълнени всички необходими условия и е направен предварителен задълбочен анализ.

Области на приложение на тригенерацията

Студът, получен при тригенерацията, може да се използва в различни отрасли на промишлеността, при които има целогодишна потребност от студена вода. Тригенерационните системи са приложими и за климатизация на жилищни сгради, търговски обекти и административни сгради.

В случаите, при които се прилага за климатизация на сгради с различно предназначение, обикновено се използва абсорбционен охладител (чилър), който лесно се интегрира към когенерационното оборудване. С него се задоволяват летните потребности от климатизация, чрез което се повишава икономическата целесъобразност от инвестицията в когенерация. От друга страна, чилърът е по-екологичен, тъй като работи с хладилен агент вода.

Съществува възможност, чилърите да се разполагат централизирано, заедно с когенерационните системи или отделно на територията на конкретния потребител. Ограничението в приложната им област е свързано с прага на мощност на абсорбционните чилъри, който позволява ефективно да се използват за помещения с обща площ, равна и по-голяма от 300-400 м2.

Пилотен проект у нас

През изминалата година EVN България Топлофикация реализира пилотен проект за охлаждане чрез централизираното топлоснабдяване на територията на гр. Пловдив. За първи път в България топлинната енергия, предлагана от новата високоефективна когенерационна централа на дружеството, се преобразува в енергия за охлаждане през летните месеци.

Първият клиент на проекта е административната сграда на община Пловдив - район Тракия. Проектът се реализира на няколко етапа, които включваха доставката на основни съоръжения и монтаж на водоохлаждащата кула и абсорбционната машина. Посредством тези съоръжения доставяната топлинна енергия по мрежата на EVN България Топлофикация се преобразува в енергия за охлаждане през летните месеци.

Абсорбционната машина извършва преобразуването на топлинната енергия в енергия за охлаждане и захранва съществуващата климатичната инсталация на обекта със студена енергия. Тя е с оперативно тегло 6300 кг и е монтирана в абонатната станция на сградата. Абсорбционната машина е специално изработена предвид спецификите на проекта и монтажа, а като такъв тип е изцяло нова за България. Тя е доставена от водещ европейски производител.

„Проектът за охлаждане посредством централизираното топлоснабдяване е приложим в сгради с изградени централни вътрешни климатични инсталации за охлаждане, като най-подходящи за целта са административни и бизнес сгради, търговски центрове, молове, хотели, болници и др. В различни случаи е възможно същата вътрешносградна инсталация, която се използва през зимата за централно отопление, да се използва през лятото за централно охлаждане.

Предварителните калкулации сочат, че този начин на охлаждане се очаква да бъде между 20 и 30% по-евтин спрямо съществуващите технологии за охлаждане. Важен положителен ефект е и намаляването на вредните емисии. Проектът е в унисон със световните тенденции за повишаване на качеството и развитието на централизираното снабдяване. По този начин се прави стъпка към ефективно оползотворяване на първичните енергоресурси”, коментираха от дружеството.