Energetyka rozproszona z wykorzystaniem silników tłokowych

Energetyka rozproszona z wykorzystaniem silników tłokowych, turbin i mikroturbin
gazowych oraz silników Stirlinga (J. Paska)
1. Wykorzystanie spalinowych silników tłokowych
W zależności od techniki zapłonu spalinowe silniki tłokowe dzieli się na silniki z zapłonem samoczynnym (z
obiegiem Diesla, CI – compression ignition) i silniki z zapłonem iskrowym (z obiegiem Otto, SI – spark
ignition). Najpopularniejszym rodzajem silników tłokowych wykorzystywanych do wytwarzania energii
elektrycznej są silniki z obiegiem Diesla: dwie izentropy, izobara i izochora.
W obiegu Diesla ciepło jest doprowadzane przy stałym ciśnieniu (izobarycznie - przemiana 2-3), zaś
odprowadzane przy stałej objętości (izochorycznie, przemiana 4-1). Sprężanie i rozprężanie odbywa się
adiabatycznie (izentropowo, przemiany 1-2 i 3-4). Praca zewnętrzna jest wykonywana podczas przemiany
izobarycznej 2-3 i adiabatycznej 3-4
W obiegu Otto ciepło jest doprowadzane i odprowadzane przy stałej objętości (izochorycznie - przemiany 2-3
i 4-1). Sprężanie i rozprężanie odbywa się adiabatycznie, tzn. bez wymiany ciepła z otoczeniem, przy stałej
entropii. Praca jest wykonywana jedynie podczas przemiany rozprężania (linia 3-4).
Rys. 1. Obieg cieplny Diesla na wykresach T-s i p-V: Q1 – ciepło
doprowadzone; Q2 – ciepło odprowadzone
Obieg cieplny Otto na wykresach p-V i T-s: Q – ciepło
doprowadzone; Qo – ciepło odprowadzone
Silniki tłokowe dzielą się jeszcze, w zależności od zastosowanego cyklu pracy, na silniki dwusuwowe i
-1
czterosuwowe oraz w zależności od prędkości obrotowej wału na: wysokoobrotowe (1200÷3600 min ),
-1
-1
średnioobrotowe (275÷1000 min ) i niskoobrotowe (58÷275 min ).
2. Charakterystyka turbin oraz mikroturbin gazowych
Turbiny gazowe (spalinowe) są silnikami cieplnymi wirnikowymi ze spalaniem zewnętrznym i mogą być
opalane gazem ziemnym, olejem lub pracować w systemie dwupaliwowym.
W najprostszym, otwartym układzie cieplnym z turbiną gazową jest realizowany obieg Braytona-Joule'a:
dwie izobary i dwie izentropy.
a)
Rys. 2. Otwarty obieg cieplny z turbiną gazową: a) schemat ideowy; b) wykres entropowy:
1 – sprężarka; 2 – turbina gazowa; 3 – doprowadzenie powietrza; 4 – komora spalania; 5 – prądnica;
6 – doprowadzenie paliwa; qd – ciepło doprowadzone do obiegu w przemianie izobarycznej 2-3; qo – ciepło doprowadzone
w przemianie 4-1
Na świecie są prowadzone prace na rozwojem nowego rodzaju turbin gazowych o mocach od 500 W do
kilkuset kW - tzw. mikro-turbin. Mikro-turbiny, w przeciwieństwie do małych turbin gazowych (o mocy
większej od 1 MW), charakteryzują się zintegrowanym układem sprężarka-turbina-prądnica-komora
-1
spalania-wymiennik regeneracyjny, pracą przy dużo większych prędkościach wału (powyżej 60000 min ),
niższą temperaturą na wlocie do turbiny (zwykle poniżej 985°C) i mniejszym stopniem sprężania (3,5÷4).
Sprawność mikro-turbin wynosi przeważnie ok. 30% i uzyskuje się ją dzięki znacznemu odzyskowi ciepła.
1
Energetyka rozproszona z wykorzystaniem silników tłokowych, turbin i mikroturbin
gazowych oraz silników Stirlinga (J. Paska)
Rys. 3. Zespół prądotwórczy
z mikro-turbiną gazową:
a) schemat ideowy,
b) realizacja;
1 – zasysanie i sprężanie
powietrza, 2 – podgrzewanie
powietrza w wymienniku
regeneracyjnym,
3 – spalanie gazu,
4 – rozprężanie spalin
w mikroturbinie,
5 – oddawanie ciepła przez
spaliny w wymienniku
regeneracyjnym, 6 – wylot
(wydmuch) spalin
3. Silniki Stirlinga
Alternatywnym rozwiązaniem dla silników tłokowych ze spalaniem wewnętrznym jest silnik tłokowy ze
spalaniem zewnętrznym, w którym energia jest dostarczana do czynnika roboczego ze źródła
zewnętrznego (niekoniecznie z komory spalania, może to być np. skoncentrowane promieniowanie
słoneczne). Takim rozwiązaniem jest silnik Stirlinga, opatentowany w 1816 roku przez duchownego
szkockiego, Roberta Stirlinga.
Silnik Stirlinga ma dwa tłoki w tym samym cylindrze – jeden po „gorącej” stronie, drugi po stronie „zimnej”,
rozdzielone przez „krótkookresowy” magazyn ciepła zwany regeneratorem. Inaczej niż w silniku ze
spalaniem wewnętrznym gaz, którym może być po prostu powietrze, ale częściej jest to azot, hel lub wodór,
jest na stałe zawarty w cylindrze. Magazynem może być „sito” ceramiczne z innego porowatego materiału o
odpowiedniej masie, zapewniające odpowiedni gradient temperatury między jego jedną a drugą stroną.
Porowatość materiału ma zapewnić możliwość przepływu gazu w obu kierunkach. Gaz przepływając przez
regenerator pobiera lub oddaje ciepło, zależnie od kierunku przepływu. Przestrzeń po jednej (lewej) stronie
regeneratora jest ogrzewana przez zewnętrzne źródło ciepła (komora spalania, skoncentrowane promienie
słoneczne), zaś przestrzeń po drugiej (prawej) stronie regeneratora jest chłodzona (przez radiatory lub
aktywnie, co może być też wykorzystane w kogeneracji). Jest to zatem maszyna cieplna pracująca między
dwoma źródłami ciepła – górnym (gorącym) i dolnym (zimnym – chłodnicą). Oczywiste jest więc, że jego
sprawność jest ograniczona przez sprawność cyklu Carnota.
Cykl realizowany w silniku Stirlinga (cykl Stirlinga) składa się z 4 stanów i 4 przejść między nimi (rys. 4):
Stan 1 – gaz zimny (w zasadzie cały gaz jest zimny - pomijalna objętość znajduje się w porach
regeneratora), maksymalna objętość, minimalne ciśnienie.
Przejście 1-2 – tłok gorący pozostaje nieruchomy, podczas gdy tłok zimny przesuwa się w lewo
sprężając gaz. Gaz przekazuje ciepło do chłodnicy. Idealny proces jest procesem izotermicznym,
temperatura gazu pozostaje stała TC.
Stan 2 – sprężony gaz przekazuje ciepło do chłodnicy, minimalna objętość.
2
Energetyka rozproszona z wykorzystaniem silników tłokowych, turbin i mikroturbin
gazowych oraz silników Stirlinga (J. Paska)
Rys. 4. Stany i przejścia między nimi w cyklu Stirlinga
Przejście 2-3 – oba tłoki poruszają się jednocześnie w lewo z tą samą prędkością. Objętość gazu
pozostaje stała. Gaz przepływa przez regenerator do przestrzeni gorącej pobierając ciepło, rośnie
jego temperatura i ciśnienie.
Stan 3 – gaz gorący, minimalna objętość, maksymalne ciśnienie.
Przejście 3-4 – gaz w przestrzeni gorącej absorbuje energię ze źródła ciepła rozprężając się
izotermicznie (TH = const.) i przesuwając tłok zimny w lewo. Wykonywana jest praca mechaniczna.
Stan 4 – gaz gorący, maksymalna objętość.
Przejście 4-1 – oba tłoki poruszają się jednocześnie w prawo. Objętość gazu pozostaje stała. Gaz
przepływa przez regenerator do przestrzeni zimnej oddając ciepło, spada jego temperatura i
ciśnienie.
Rys. 5. Obieg Stirlinga we współrzędnych p-V:
1-2 – izotermiczne sprężanie gazu, 2-3 – przemiana izochoryczna,
3-4 – izotermiczne rozprężanie gazu, 4-1 – przemiana izochoryczna,
Q1 – ciepło doprowadzone; Q2 – ciepło odprowadzone
3
Energetyka rozproszona z wykorzystaniem silników tłokowych, turbin i mikroturbin
gazowych oraz silników Stirlinga (J. Paska)
4. Przykłady rozwiązań rozproszonych źródeł energii z silnikami tłokowymi i turbinami
gazowymi
Spalinowy zespół prądotwórczy, czyli generator prądu przemiennego napędzany silnikiem tłokowym z
wewnętrznym spalaniem, znajduje zastosowanie w dwóch przypadkach (pomijając generatory zainstalowane
na środkach transportowych lądowych, wodnych i powietrznych):
jako podstawowe źródło mocy elektrycznej (generacja rozproszona lub w przypadku konieczności
zasilania odbiorników znajdujących się aktualnie z dala od sieci elektrycznej energetyki zawodowej, lub
w warunkach uniemożliwiających z innych względów korzystanie z takiej sieci),
jako rezerwowe źródło mocy elektrycznej przeznaczone do natychmiastowego uruchomienia (lub nawet
tylko przejścia z pracy jałowej w stan obciążenia) i zasilania urządzeń, bądź obiektów wymagających
bezwzględnej ciągłości zasilania, a więc w przypadku przerwy w normalnym zasilaniu z sieci
elektrycznej.
Do podstawowych zalet spalinowych zespołów prądotwórczych umożliwiających tak szerokie ich
zastosowania należą:
Możliwość szybkiego rozruchu i obciążenia.
Możliwość pełnej automatyzacji rozruchu.
Stosunkowo małe gabaryty i mały ciężar jednostkowy (kg/kW).
Wysoka sprawność nawet przy niewielkich mocach.
Bardzo małe zapotrzebowanie wody (ubytki w układzie chłodzenia mogą być uzupełniane nawet z
niewielkich zapasów).
Zasilanie paliwem płynnym lub gazowym o dużej wartości opałowej, a więc stosunkowo łatwym w
transporcie i magazynowaniu (gaz może być w stanie ciekłym).
Cechy ujemne zespołów prądotwórczych z silnikami tłokowymi to:
Znaczne koszty inwestycji.
Hałas podczas pracy.
Kosztowne remonty.
Tablica 1. Dane techniczne agregatów prądotwórczych firmy SDMO, wykorzystujących silniki Perkins'a
PS
PS
1250
1375S
Moc
1250
1375
kV⋅A
Napięcie
V
400/230 400/230
Częstotliwość
Hz
50
50
Silnik - dane ogólne
Prędkość obrotowa
1/min
1500
1500
Masa netto
kg
5315
5315
Masa brutto
kg
5673
5673
Silnik - bilans mocy
Moc silnika
kW
1055
1161
Ciepło promieniowania
kW
149
164
Ciepło odbierane przez
kW
589
648
czynnik chłodniczy
Ciepło tracone w
kW
1013
1114
spalinach
Silnik - układ paliwowy
Zużycie paliwa (100%
l/h
265
294
obciążenia)
Maksymalny wydatek
l/h
1025
1025
pompy paliwowej
Maksymalne ciśnienie
m
2
2
ssania
Wydatek powietrza
l/s
1533
1686
zasysanego
Silnik - układ wydechowy
Wydatek spalin
l/s
4083
4491
Temperatura spalin
°C
460
506
Silnik - układ chłodzenia
Pojemność układu
l
73
73
chłodniczego silnika
Zakres pracy termostatu
°C
71- 85 71- 85
Maksymalna
°C
96
96
temperatura chłodziwa
Wydatek cieczy
l/s
15,7
15,7
chłodzącej
Pojemność chłodnicy
l
205
205
Jednostka
Rys. 6. Widok agregatu prądotwórczego PS 1250 firmy SDMO
Widok i przekrój turbiny gazowej Taurus 60 (moc elektryczna 5,4 MW)
4
Energetyka rozproszona z wykorzystaniem silników tłokowych, turbin i mikroturbin
gazowych oraz silników Stirlinga (J. Paska)
Tablica 2. Turbiny gazowe firmy Mitsubishi
MF-111A
MF-111B
Gaz ziemny Olej opałowy Gaz ziemny Olej opałowy
12619
12020
14570
14130
Typ turbiny
Paliwo
Moc generatora, kW
Jednostkowe zużycie ciepła, kcal/(kW⋅h)
Strumień spalin, kg/s
2836
48,5
2873
48,53
2778
56,36
2811
56,42
Temperatura spalin na wylocie, °C
547
547
530
530
Tablica 3. Przykłady mikro-turbin gazowych
Producent, model
Moc generatora, kW
Jednostkowe zużycie
ciepła, kJ/(kW⋅h)
Sprawność, %
Temperatura spalin na
wylocie, °C
Emisja NOx, ppm
Emisja CO2, ppm
Prędkość obrotowa, min-1
Wymiary, m
Masa, kg
Poziom hałasu, dB
Capstone C30
30
Capstone C60
60
Elliott TA 100R
105
12800
12900
12415
26
28
29
275
305
279
<9
<40
96000
<9
<40
96000
<24
<41
45000
1,90×0,71×1,34 2,11×0,76×1,96
478
758
65
70
2,11×0,85×3,05
1845
70
5
Widok instalacji składającej się z mikroturbin
firmy Capstone