16. Układy z silnikiem tłokowym zasilane gazem.

advertisement
Ekonomiczno-techniczne aspekty
wykorzystania gazu w energetyce
Janusz Kotowicz
Wydział Inżynierii i Ochrony Środowiska
Politechnika Częstochowska
Układy z silnikami tłokowymi zasilane
gazem
Janusz Kotowicz
W16
Wydział Inżynierii i Ochrony Środowiska
Politechnika Częstochowska
S1
Układy z tłokowymi silnikami spalinowymi stanowią
zdecydowaną większość spośród budowanych na świecie
gazowych układów małej mocy. Silnik napędza zazwyczaj
generator elektryczny. Z tego powodu silniki pracujące w
układach CHP są konstrukcjami stałoobrotowymi. Najczęściej
spotykane prędkości obrotowe to 1000 i 1500 obr/min. Duże
urządzenia o mocach rzędu kilku i więcej MW buduje się jako
silniki wolnoobrotowe pracujące z prędkościami rzędu 500 –
750 obr/min .
S2
Ze względu na konstrukcję oraz sposób zasilania paliwem
dzieli się silniki tłokowe stosowane w stacjonarnych układach
na trzy podstawowe grupy [1]:
·
silniki gazowe z zapłonem iskrowym (zakres małych
mocy),
·
silniki dwupaliwowe, tzn. zasilane paliwem gazowym
oraz niewielką dawką paliwa ciekłego w celu
inicjowania zapłonu mieszanki (zakres średnich
mocy),
·
silniki wysokoprężne (duże moce).
Prawie wszystkie stacjonarne silniki gazowe są wyposażone
w turbosprężarkę, układ chłodzenia powietrza dolotowego i
posiadają 6, 8, 12 lub 16 cylindrów w układzie widlastym lub
rzędowym .
S3
Silniki z zapłonem iskrowym można podzielić na dwie grupy.
Pierwszą z nich stanowią jednostki o małym stosunku sprężania
spalające mieszankę o składzie zbliżonym do stechiometrycznego.
Wadą ich jest stosunkowo nieduża sprawność oraz konieczność
stosowania katalizatora w celu spełnienia wymogów dotyczących
emisji szkodliwych substancji. Drugą grupę stanowią silniki spalające
ubogą mieszankę gaz-powietrze (technologia lean-burn). Można tu
zaobserwować dwie zasadnicze metody realizacji procesu spalania.
Pierwszy sposób to spalanie mieszanki ubogiej, przy współczynniku
nadmiaru powietrza λ=1,6-2,0. Mieszanka paliwowa podawana jest tu
pod wysokim ciśnieniem do komory spalania, gdzie następuje jej
zapłon od iskry świecy. Spalanie tak zubożonej mieszanki wymaga
stosowania wysokich stosunków sprężania. Najczęściej silniki tego
typu budowane są na bazie silników Diesla .
S4
Drugie z możliwych rozwiązań to zastosowanie wstępnej komory
spalania. Stosunek nadmiaru powietrza mieszanki podawanej do cylindra
wynosi λ=2,0-2,3. Cylinder wyposażony jest we wstępną komorę
spalania, gdzie oddzielnie wprowadza się część dawki paliwa tworzącą z
powietrzem mieszankę bogatą o stosunku nadmiaru powietrza λ≈0,9. W
pierwszym etapie procesu spalania następuje zapłon od iskry mieszanki
bogatej, po czym spalanie rozprzestrzenia się na cały cylinder [1].
Silniki z samoczynnym zapłonem mieszanki pracują w układzie
dwupaliwowym. Niewielka dawka oleju napędowego jest podawana do
silnika w celu zainicjowania zapłonu. Często jednostki takie
przystosowane są do pracy przy zasilaniu wyłącznie olejem, na wypadek
przerwy w dostawie gazu. Stosunek sprężania silników dwupaliwowych
jest taki jak zwykłych silników Diesla, co podczas zasilania paliwem
gazowym wymaga dokładnej kontroli stosunku nadmiaru powietrza
utrzymywanego na granicy mieszanek ubogich. Zapobiega to
samozapłonowi mieszanki gazowo-powietrznej. Silniki tego typu
budowane są przeważnie jako jednostki o mocach większych od 1 MW.
S5
W skład typowego układu kogeneracyjnego, CHP,
którego przykład jest pokazany na rysunku 3.1.3,
wchodzą :
• silnik tłokowy,
• generator,
• system wymienników ciepła lub kocioł odzyskowy,
• system automatycznego sterowania,
• system filtrów powietrza i układ odprowadzenia spalin,
• chłodziarka absorpcyjna.
S6
Rys. 3.1.3 Schemat układu CHP z tłokowym silnikiem spalinowym
S7.0
Schemat układu z silnikiem spalinowym do produkcji gorącej
wody został przedstawiony na rysunku 3.1.4. W celu umożliwienia
produkcji energii elektrycznej w sytuacjach, gdy brak jest
zapotrzebowania na ciepło, układ wyposaża się w rezerwowe
(najczęściej wentylatorowe) chłodnice cieczy chłodzącej, oleju
smarnego oraz powietrza za turbosprężarką.
S18
Rys. 5.12 Schemat układu CHP CAT 260 SPE firmy TEDOM
1 – silnik spalinowy; 2 – turbosprężarka; 3 – chłodnica korpusu silnika; 4 – wymiennik
płaszczowy woda-woda; 5 – chłodnica mieszanki gazowo-powietrznej; 6 – chłodnica
spalin; 7 – szafa sterownicza; 8 – generator prądu elektrycznego; 9 – chłodnica
wentylatorowa; 10 - turbina
S7.1
Rys. 3.1.4 Schemat
układu CHP z
tłokowym silnikiem
spalinowym
do
produkcji gorącej
wody
S8.0
Schemat układu do produkcji pary nasyconej do celów
technologicznych pokazano na rysunku 3.1.5. W takim
przypadku może okazać się konieczne podwyższenie
temperatury spalin dopływających do kotła odzyskowego
poprzez zastosowanie dodatkowych palników.
S8.1
Rys. 3.1.5 Układ skojarzony z
tłokowym silnikiem spalinowym
wytwarzający gorącą wodę i parę
technologiczną
S9.0
Schemat przykładowej instalacji wykorzystującej gorące
spaliny do celów suszarniczych przedstawia rysunek 3.1.6
Ciepło odbierane z silnika jest tu przekazywane w pośrednich
wymiennikach ciepła do powietrza, które podgrzewa się do
temperatury około 60-70 ºC. Powietrze jest następnie
kierowane do mieszalnika, gdzie doprowadzane są również
spaliny opuszczające silnik. Gdy jest to wymagane, do
mieszalnika wprowadzane jest również świeże powietrze
atmosferyczne. Mieszalnik opuszcza czynnik roboczy o
wymaganych parametrach, który następnie kierowany jest do
procesu.
S9.1
Rys. 3.1.6 Zastosowanie gorących spalin bezpośrednio w procesie
technologicznym suszarni przemysłowej
S10.0
Wszędzie tam, gdzie występuje zapotrzebowanie na energię
elektryczną, ciepło i zimno celowa jest instalacja układu
CHP połączonego z urządzeniem chłodniczym (tzw. układy
trójgeneracyjne). W układach takich instaluje się najczęściej
chłodziarki absorpcyjne zasilane ciepłem odbieranym ze
spalin i układu chłodzenia silnika. Dzięki zastosowaniu
chłodziarek absorpcyjnych możliwe jest bardzo efektywne
wykorzystanie ciepła generowanego w układzie (np. w
sezonie grzewczym do produkcji ciepła, a w sezonie letnim
do celów klimatyzacyjnych). Stosuje się również układy
wyposażone w chłodziarki sprężarkowe, ale wtedy
wykorzystanie ciepła z układu pozostaje zazwyczaj na tym
samym poziomie. Schemat przykładowego układy
trójgeneracyjnego z silnikiem spalinowym i chłodziarką
absorpcyjną przedstawia rysunek 3.1.7.
S10.1
Rys. 3.1.7 Układ
trójgeneracyjny z amoniakalną
chłodziarką absorpcyjną
S11.0
W oparciu o tłokowe silniki spalinowe możliwa jest również budowa
układów gazowo-parowych. W takich przypadkach stosowane powinny
być silniki tłokowe o średnich i dużych mocach w celu uzyskania
akceptowalnych wskaźników opłacalności. Spaliny z silnika zasilają
kocioł odzyskowy, w którym może być produkowana zarówno para
przegrzana, jak i gorąca woda. Możliwe jest także dodatkowe spalanie
paliwa w kotle odzyskowym, co zwiększa jego wydajność cieplną.
Najczęściej takie rozwiązania znajdują zastosowanie w przemyśle jako
małe elektrociepłownie zakładowe. Ich zaletą jest możliwość
zaspokojenia zapotrzebowania na gorącą wodę do celów grzewczych i
socjalnych oraz produkcja pary technologicznej. Schemat złożonego
układu skojarzonego z wykorzystaniem silnika spalinowego i parowej
turbiny przeciwprężnej został przedstawiony na rysunku 3.1.8. Układy
tego typu składają się zazwyczaj z kilku silników i jednej turbiny
parowej. Elektrociepłownia tego typu o mocy elektrycznej 5640 kW
zbudowana została w 1995 roku w Bilbao w Hiszpanii.
S11.1
Rys. 3.1.8 Elektrociepłownia gazowo-parowa zbudowana na bazie
tłokowego silnika spalinowego
S12
Instalacja Górnośląskiego Centrum
Rehabilitacyjnego „Repty” w Tarnowskich Górach
Zapotrzebowanie ośrodka na energię:
• Szczytowe zapotrzebowanie na energię elektryczną - 255kW
• Średnie zapotrzebowanie na energię elektryczną - 105 kW
• Zapotrzebowanie ośrodka na ciepło – 4103 kW
Instalację wyposażono w:
• Agregat kogeneracyjny TEDOM CAT 260 SPE
• 3 kotły Viessmann Turbomat RH-NW o mocy 2600 kW każdy
• Kocioł wodny Viessmann Paromat Simplex o mocy 1120 kW
• 2 kotły parowe Viessmann RN-HO o mocy 1310 kW
S13
Elektrociepłownia Górnośląskiego Centrum Rehabilitacyjnego
„Repty” w Tarnowskich Górach
S14
Agregat kogeneracyjny TEDOM CAT 260 SPE
S15
Kocioł wodny Viessmann Turbomat RH-NW 2600 kW podczas
przeglądu okresowego
S16
Kocioł parowy Viessmann RN-HO 1310 kW
S17.0
Tłokowy silnik spalinowy Caterpillar G 3408
S17.1
Tłokowy silnik spalinowy
Caterpillar G 3408 wraz z
systemem uzupełniania oleju
(na dole)
S19
Chłodnica wentylatorowa
S20
Schemat instalacji ciepłowniczej
S21
Maksymalna moc elektryczna
271 kW
Maksymalna moc cieplna
419 kW
Energia zawarta w paliwie
775 kW
Sprawność elektryczna
0,350
Sprawność cieplna
0,541
Sprawność całkowita
0,891
Zużycie gazu przy 100 % obciążenia
82,0 m3n/h
Zużycie gazu przy 75 % obciążenia
63,3 m3n/h
Zużycie gazu przy 50 % obciążenia
45,1 m3n/h
Zalecany ekonomiczny przedział regulacji
Zużycie gazu gwarantowane jest dla gazu o parametrach
Paliwo podstawowe
50 – 100 %
t=15 ºC
p=101,325 kPa
gaz ziemny GZ 50
Podstawowe parametry agregatu TEDOM CAT 260 SPE
Podsumowanie
W Polsce nastąpi dalsze wprowadzanie układów o
średniej mocy do obiektów szpitalnych, biurowców,
obiektów sportowych, hoteli (możliwe skojarzenie z
produkcją chłodu) i do innych obiektów użyteczności
publicznej, w drugiej kolejności układów mniejszej mocy
(na szerszą skalę) w budownictwie mieszkaniowym.
Cena paliwa gazowego w najistotniejszy sposób
determinuje efektywność ekonomiczną energetyki
rozproszonej opalanej gazem ziemnym[12].
Konsekwencją tego jest stosunkowo duża ilość instalacji
wykorzystującej biogaz. Należy spodziewać się, że ilość
układów opalanych biogazem będzie rosła.
Download
Random flashcards
123

2 Cards oauth2_google_0a87d737-559d-4799-9194-d76e8d2e5390

ALICJA

4 Cards oauth2_google_3d22cb2e-d639-45de-a1f9-1584cfd7eea2

bvbzbx

2 Cards oauth2_google_e1804830-50f6-410f-8885-745c7a100970

Create flashcards