13. Małe układy do skojarzonego wytwarzania energii elektrycznej i

Ekonomiczno-techniczne aspekty
wykorzystania gazu w energetyce
Janusz Kotowicz
Wydział Inżynierii i Ochrony Środowiska
Politechnika Częstochowska
Małe układy do skojarzonego
wytwarzania energii
elektrycznej i ciepła
Janusz Kotowicz
W13
Wydział Inżynierii i Ochrony Środowiska
Politechnika Częstochowska
Rozwój żródeł energetyki rozproszonej opartych o instalacje turbin
gazowych czy silników tłokowych uzasadniają ich zalety , z których
najważniejsze to:
niezawodność działania ( dla TG > 99 %),
duża elastyczność cieplna (instalację turbiny gazowej można doprowadzić
do pełnego obciążenia, w stosunkowo krótkim okresie: Δt = 3 - 10(20) min)
znaczna żywotność (przy prawidłowej eksploatacji TG do 200 tys. godzin),
lekkość i zwartość budowy (instalacje tego typu odznaczają się ponad
dwukrotnie mniejszym, w porównaniu z siłowniami parowymi,
współczynnikiem charakteryzującym stosunek powierzchni do
zainstalowanej na niej mocy; jest on zazwyczaj mniejszy od 0.1 m2/kW),
niewielkie zużycie wody,
korzystne charakterystyki ekologiczne
łatwość obsługi i automatyzacji procesów eksploatacyjnych,
możliwość pracy w różnych układach technologicznych, a także z różnym
czynnikiem roboczym i różnym paliwem
• Rys. 1b. Ogólny schemat małej elektrociepłowni z turbiną
gazową.
• TG – zespół turbiny gazowej, WC – wymiennik spalin-woda,
KO – kocioł odzyskowy, Dop – dopalanie, - strumień ciepła
spalin wylotowych, pozostałe oznaczenia jak na rys. 1a.
Rys. 1a. Ogólny schemat małej elektrociepłowni z silnikiem tłokowym.
SG – silnik gazowy, G – generator, PC – pompa ciepła, Z – ziębiarka,
WCS – wymiennik spaliny-woda, WCW – wymiennik w układzie
chłodzenia silnika, WCO – chłodnica oleju, CH – wymiennik
kondensacyjny spalin, Q1, Q2, Q3 - strumienia ciepła odbierane przez
podgrzewaną wodę odpowiednio w chłodnicy spalin, czynnika
chłodzącego silnik i chłodnicy oleju, B – strumień paliwa, Wd – wartość
opałowa, Nel – moc elektryczna, Q0- straty do otoczenia, Qs - strumień
ciepła spalin
35%
6,15
33%
5,25
31%
2,02
el
[%]
29%
1,05
0,82
25%
23%
1,02
21%
0,53
6,84
5,84 6,96
5,20
6,30
4,95
9,29
7,72
4,35
2,65
27%
6,74
3,52
5,22
2,50
2,00
1,63
ηel = 0,0136Nel + 0,2207
R2 = 0,5491
19%
17%
1,45
1,83
1
2
15%
0
3
4
5
6
Nel [MW]
7
8
9
10
Rys. 2a. Zależność sprawności w funkcji mocy elektrycznej dla turbin
gazowych w zakresie do 10 MW (opracowano na podstawie [4]
45
40
el[%]
35
ηel = 1,9825Ln(Nel) + 23,808
R2 = 0,7944
30
25
20
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
N el[kW]
•
Rys. 2b. Zależność sprawności w funkcji mocy elektrycznej (opracowano
na podstawie [3]
92
2
ηc = -9E-07Nel + 0,005Nel + 82,626
2
R = 0,9964
η c[%]
90
88
86
84
82
0
500
1000 1500
Nel[kW]
2000
2500
3000
Silniki tłokowe
Turbiny gazowe
30 – 1000 kW
500 - 4000 kW
Gaz ziemny
Propan
Olej napędowy
Biogaz
Gaz ziemny
Biogaz
Olej napędowy
28 - 29 % - N = 0 - 60 kW
35 % - N = 60 - 500 kW
38 - 39 % - N = 500 - 1000 kW
18 - 23 %, N = 0 - 1000 kW
23 - 30 % - N = 1 - 5 MW
zob.rys. 3
Sprawność
całkowita
80 – 90 %
80 - 90 %
Dyspozycyjność
90 – 95 %
Powyżej 95 %
W formie gorącej wody o temp.
85 - 90oC lub niskociśnieniowej pary wodnej
Wysokiej jakości ciepła, w tym
także średnio i
wysokociśnieniowa para wodna
Wskaźniki
skojarzenia
1,25 – 2,0
1,5 - 2,0
Koszty
inwestycyjne
1300 USD/kW dla najmniejszych silników;
800 USD/kW dla jednostek większych niż 500
kW
1600 - 2000 USD/kW (dla bardzo
małych jednostek);
poniżej 900 USD/kW (dla N >
500 kW)
Moc elektryczna
Typ użytego paliwa
Sprawność
elektryczna ηel
Odzysk ciepła
Silniki tłokowe
Turbiny gazowe
Koszt eksploatacji i
remontu
0,0045 - 0,007 USD/kWh [7]
0,0045 - 0,008 USD/kWh [7]
Prędkość obrotowa
silnika
1500 obr/min
do 25000 obr/min
Poziom hałasu
100 dB
Po zastosowaniu obudowy
redukcja ze 100 dB do 65 - 75 dB
85 dB
Typ generatora
Generatory synchroniczne (głównie)
Generatory synchroniczne
Charakterystyki
ekologiczne
Zazwyczaj dla paliwa gazowego przy spalaniu
mieszanki ubogiej
(λ = 1,5 - 1,6)
nie wymagane są dodatkowe zabiegi dla osiągnięcia
emisji rzędu 250 mg/Nm3 (przy 5 % zawartości
tlenu w spalinach).
Zastosowaniem dodatkowego katalizatora można
zmniejszyć emisję NOx do poziomu 150
mg/Nm3.
Stare silniki mogą mieć emisję rzędu 500 mg/Nm3
Wtrysk wody lub pary dla uzyskania
odpowiedniej wartości emisji
NOx.
Dla turbin większej mocy możliwe
jest uzyskanie normowanej
emisji bez wtrysku wody lub
pary.
Prace rozwojowe
Wzrost sprawności, niezawodności, zmniejszenie
kosztów oraz wymiarów
Wzrost sprawności produkcji
energii elektrycznej, budowa
generatorów
wysokoobrotowych,
udoskonalenie systemu
sterowania i kontroli.
Sa
Możliwości odbioru ciepła z silnika spalinowego:
W układach CHP z tłokowymi silnikami spalinowymi
istnieje kilka możliwości odbioru ciepła [1]:
•
chłodzenia płaszcza wodnego,
•
chłodzenie oleju smarnego (miski olejowej),
•
chłodzenia mieszanki doładowanej za turbosprężarką,
•
chłodzenia spalin wylotowych z silnika.
S b1
Ciepło grzejne odbierane jest w układzie wymienników ciepła.
Ze względu na problemy związane z korozją, występujące
różnice ciśnień i wymaganą czystość czynnika w układach
chłodzenia używane są pośrednie wymienniki płaszczoworurowe lub płytowe typu woda-woda lub olej-woda. Uzyskanie
niskiej temperatury spalin za wymiennikiem końcowym wymaga
zastosowania większej powierzchni wymiany ciepła. Znaczne
ochładzanie spalin musi być więc uzasadnione ekonomicznie.
Wymienniki instalowane w ciągu spalinowym mogą służyć do
wytwarzania gorącej wody lub pary wodnej. Standardowy
wymiennik spaliny-woda pozwala obniżyć temperaturę spalin do
około 120 ºC.
S b2
Ilość odbieranego ciepła w stosunku do energii chemicznej
doprowadzonego paliwa jest zbliżona dla układów chłodzenia
silnika i wymiennika spaliny-woda i wynosi w przybliżeniu 25–
30 %. Dalszy odzysk ciepła może być prowadzony przy użyciu
wymienników kondensacyjnych. Wymienniki kondensacyjne
często są stosowane w celu pokrycia zapotrzebowania na ciepło
niskotemperaturowe do ogrzewania szklarni, basenów
kąpielowych a także we współpracy z niskotemperaturową
siecią grzewczą lub przy produkcji ciepłej wody użytkowej.
S b3
W układzie prostym CHP z silnikiem spalinowym wytwarzana jest energia elektryczna
i nośnik ciepła w postaci gorącej wody (chociaż spotyka się rozwiązania, w których jest
wytwarzana para wodna). W przypadku silnika ciepło odzyskuje się na kilku różnych
poziomach temperatury. Wyróżnić tu można niskotemperaturowe źródła ciepła (układ
chłodzenia silnika oraz układ chłodzenia oleju smarnego, t≤90 ºC), oraz
wysokotemperaturowe źródło ciepła (spaliny wylotowe, t=380-550 ºC), przy czym
znaczna część ciepła (40-50 %) jest możliwa do odzyskania wyłącznie w zakresie
niskich temperatur. Najczęściej więc silniki spalinowe instalowane są w systemach
grzewczych współpracujących z siecią cieplną niskotemperaturową (np. 110/70 ºC lub
90/50 ºC). Układ taki jest najczęściej przeznaczony do pracy jako klasyczna
elektrociepłownia komunalna, lecz o małej mocy. W praktyce spotyka się szeroką gamę
innych zastosowań i konfiguracji układów. Jednym z ciekawszych zastosowań jest
wykorzystanie spalin bezpośrednio w procesie technologicznym, np. do celów
suszarniczych (zakłady papiernicze, produkcja materiałów ceramicznych, przemysł
spożywczy, itp.). Technologia ta jest również coraz częściej wykorzystywana w
rolnictwie, ogrodnictwie. Zaletą tego rozwiązania jest bardzo wysoka wartość
wskaźnika wykorzystania entalpii spalin wylotowych z silnika [1].
S c1
Małe układy skojarzone znajdują zastosowanie zazwyczaj w
miejscach, gdzie przez odpowiednio dużą liczbę godzin w roku
występuje odpowiednio wysokie zapotrzebowanie na ciepło i
energię elektryczną. Zapotrzebowanie to zazwyczaj zmienia się
w poszczególnych godzinach doby, a charakter tej zmienności
uzależniony jest od pory roku i procesów realizowanych w
zasilanych obiektach. Zmienność i wielkość zapotrzebowania na
nośniki energii mają zasadniczy wpływ na wielkość i
konfigurację układu kogeneracyjnego. Małe układy skojarzone
najczęściej znajdują zastosowanie w takich obiektach, jak [1]:
S c2
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
Małe elektrociepłownie zawodowe.
Szpitale.
Uniwersytety i szkoły.
Ośrodki sportowe.
Biurowce.
Hotele.
Osiedla mieszkaniowe.
Lotniska.
Zakłady przemysłowe.
Oczyszczalnie ścieków.
Szklarnie i suszarnie.
Instalacje opalane gazem ziemnym
Łączna moc zainstalowanych turbin wynosi 49,8 MW, łączna moc
silników spalinowych jest równa 15,6 MW
• Lokalnych systemach ciepłowniczych: 10
• Zakładach przemysłowych: 5
• Układach PGNiG oraz wykorzystujących lokalne źródła gazu: 6
• Szpitale: 4; hotele: 1, obiekty sportowe: 2; biurowce: 2
• Zielone osiedla: 1; inne: 4.
Instalacje opalane gazem innym niż ziemny (łączna moc silników
spalinowych jest równa 25,1 MW)
- 19 w oczyszczalniach ścieków
- 20 na wysypiskach śmieci
- 5 w kopalniach węgla kamiennego
- 1 przemysłowa ( cukrownia)
16
liczba urządzeń
14
12
10
8
6
4
2
0
1
2
3
4
5
6
z a kre s m ocy e le ktrycz ne j
•
Rys. 3.1.2 Moc elektryczna istniejących układów kogeneracyjnych w Polsce
zasilanych gazami nienaturalnymi 1) N ≤ 100 kW 2) 100 kW < N ≤ 200 kW 3)
200kW < N ≤ 500 kW 4) 500 kW < N ≤ 1000 kW 5) 1000 kW < N ≤ 3000 kW
6) 3000 kW < N
10
9
liczba urządzeń
8
7
6
5
4
3
2
1
0
1
2
3
4
5
6
z a kre s m ocy e le ktrycz ne j
•
Rys. 3.1.1 Moc elektryczna istniejących układów kogeneracyjnych w Polsce
zasilanych gazem ziemnym 1) N ≤ 100 kW 2) 100 kW < N ≤ 200 kW 3) 200kW
< N ≤ 500 kW 4) 500 kW < N ≤ 1000 kW 5) 1000 kW < N ≤ 3000 kW 6) 3000
kW < N