Мини-ТЭЦ

Министерство образования  и науки РФ

Федеральное государственное  автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Уральский федеральный  университет имени первого президента России

Б. Н. Ельцина»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Реферат

«Мини-ТЭЦ»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Преподаватель                                                                                                        В. Е. Силин

 

 

Студент гр. Т-38032                                                                                               А. А. Тиссен

 

 

 

 

 

 

 

Екатеринбург

2010

Общие сведения о мини-ТЭЦ

 

В последнее время развивается энергоснабжение, которое базируется на установках мини-ТЭЦ. Система утилизации тепла мини-ТЭЦ предусматривает также производство горячей воды или пара для отопления (когенерация) и холода для систем кондиционирования и вентиляции (тригенерация).

  Различают следующие типы мини-ТЭЦ:

- паротурбинную с противодавленческой турбиной с отпуском тепловым потребителям всего или части отработавшего в ней пара;

- паротурбинную с конденсационной турбиной, имеющей теплофикационный отбор или отборы для отпуска пара тепловым потребителям;

- газотурбинную с использованием тепла выхлопных газов в котле-утилизаторе или непосредственно в технологическом процессе;

- дизельную с производством высокопотенциального тепла благодаря энергии выхлопных газов и низкопотенциального - из контуров охлаждения двигателя;

- парогазовую с использованием тепла выхлопных газов для производства пара, который полностью или частично направляется в одну или несколько паровых турбин.

В настоящее  время используются также следующие  виды установок для производства электроэнергии и теплоты малой и средней мощности:

- теплофикационные ГТУ на базе газотурбинных двигателей самолетов и судов единичной электрической мощностью от 50 до 6000 кВт и тепловой мощностью от 0,6 до 50 МВт для установки в местах размещения отопительных и промышленных котельных, работающих на природном газе;

- теплофикационные паросиловые установки малой мощности с                        противодавлением на промышленные параметры пара  электрической мощностью до 1200 кВт и тепловой мощностью до 12 МВт, работающих на мазуте и твердом топливе;

- теплофикационные дизельные установки для  энергоснабжения на базе              двигателей судов, колесных и гусеничных машин электрической мощностью до 600 кВ;

- паросиловой и газотурбинный привод с утилизацией тепла мощностью от 5 до 20000 кВт для энергоснабжения нефтяных газодобывающих комплексов.

Перспективными  альтернативными решениями являются мини-ТЭЦ, например на основе газо-дизель-генераторов. Для получения тепловой энергии в камере сгорания используется дизельное топливо, природный или сжиженный газ. Особенно перспективны мини-ТЭЦ для отдаленных районов сельской местности. В качестве альтернативного топлива в этом случае возможно использовать биотопливо, например, метан, полученный в метантенках из отходов сельского хозяйства.

В последние годы также внедряются микро-ТЭЦ мощностью 45-100 кВт для автономного  энергоснабжения на базе микротурбин и электротехнических генераторов.

В малой энергетике нецелесообразно рассматривать возможности применения сложных комбинированных циклов ПГУ для производств электроэнергии, а газовые турбины как приводы электрогенераторов существенно проигрывают газовым двигателям по КПД и эксплуатационным характеристикам при малых мощностях. В широком диапазоне мощностей (от сотен киловатт до десяток мегаватт) КПД моторного привода на 13-17% выше, чем газотурбинного; при снижении нагрузки со 100 до 50% КПД электрогенератора с приводом от газового двигателя меняется слабо, КПД газового двигателя практически не изменяется до температуры воздуха 25 ⁰С. Мощность газовой турбины падает при изменении температуры воздуха от -30 до 30 ⁰С, при температурах выше 40 ⁰С уменьшение мощности газовой турбины (от номинальной 15 ⁰С) составляет 20%.

 

 

Газотурбинные мини-ТЭЦ

Газ в России является наиболее дешевым  и доступным видом топлива, по сравнению, например, с дизельным  топливом или мазутом. Поэтому в  газифицированных регионах России (а  их большинство) целесообразно использовать мини-ТЭЦ, топливом для которых служит природный газ. Поэтому газовые турбины находят широкое применение в производстве электроэнергии. Электрический КПД больших установок составляет 35-38%, характеристики при частичной нагрузке скорее неудовлетворительные. Большой срок службы, очень незначительные инвестиционные затраты в широком диапазоне мощностей, большая доля пригодной для использования энергии уходящих газов и очень небольшая эмиссия вследствие непрерывного горения являются достоинствами этой технологии.

До настоящего времени было нецелесообразно применять турбины в диапазоне мощностей менее 500 кВт. Это стало возможным только в результате комбинации двух мероприятий: рекуперации и обратной подачи части объемного потока уходящего газа в компрессор с одной стороны и прямого присоединения генератора. В сочетании с не зависящим от скорости вращения инвертированием тока посредством силовой электорники достигаются наряду с приемлемыми показателями электрического КПД более 25% и общего КПД более 70% также хорошие показатели КПД при неполной нагрузке. Эти параметры имеют решающее значение для использования на не больших объектах.

Возможность получения большой мощности при небольших размерах и массе, высокая надежность и экономичности газотурбинных установок позволяют широко использовать их в промышленной энергетике. В частности на промышленных предприятиях их можно применять как для отдельной, так и комбинированной выработки тепловой и электрической энергии, в качестве источников питания, для покрытия пиков нагрузок, в качестве надстроек на водогрейных котельных.

 

Мини-ТЭЦ на базе ДВС

Применение  газопоршневых мини-ТЭЦ наиболее эффективно в диапазоне мощностей от 22 кВт до 50 МВт. Электрический КПД таких установок при любом режиме нагрузки достигает 40%, а общий КПД — 90%. В результате обеспечивается максимальный экономический эффект использования топлива. Двигатели газопоршневых мини-ТЭЦ изначально спроектированы для работы на газовом топливе и отличаются большим моторесурсом — 60 тыс. час. до капитального ремонта, что составляет 10–12 лет. Полный ресурс — более 200 тыс. час., или 25 лет до полного списания.

Общие характеристики

Диапазон  единичных мощностей ГПУ находится  в районе от 0,1 до десятков МВт. Кроме  большого моторесурса к достоинствам ГПУ стоит отнести малую зависимость  температуры окружающего воздуха  на КПД двигателя, необходимое низкое давление топливного газа от 0,01 до 0,035 МПа (не требуют дожимного компрессора), низкое снижение КПД при 50%-ном снижении мощности, неограниченное количество запусков.  Кроме того, достоинствами газопоршневой установки являются: ремонт агрегата на месте, низкие эксплуатационные затраты и малые размеры, т. е. низкие инвестиционные затраты, возможность кластеризации (параллельная работа нескольких установок). Установка работает на нескольких видах топлива – газа (природный; пропан; бутан; попутный нефтяной; коксовый; древесный; пиролизный; газы химической промышленности, мусорных свалок, сточных вод; биогаз и т. д.), имеет относительно низкий уровень начальных инвестиций за 1 кВт и обладает широкой линейкой выходной мощности.  Обычно газопоршневые станции поставляются в компактном блочно-модульном исполнении для стационарной установки или в транспортабельных контейнерах.  Благодаря этому мини-ТЭЦ сочетают минимум занимаемого пространства в техническом помещении с минимальным объемом строительной подготовки и монтажных работ.

Кроме того, мини-ТЭЦ могут поставляться в  специальных кожухах, с разной степенью шумоподавления. Габариты, например, такой  станции с электрической мощностью 500 кВт в блочно-модульном стационарном исполнении составляют 4600x2300x2300 мм, а вес — 8300 кг. Для наращивания общей мощности автономной системы энергоблоки могут работать параллельно. Установки, как правило, автоматизированы и оснащаются дистанционным управлением, что позволяет на расстоянии проводить мониторинг и управление.

Особенности конструкции

В основе работы газопоршневых двигателей лежит принцип действия двигателя внутреннего сгорания (ДВС) – типа двигателя тепловой машины, в которой химическая энергия топлива (обычно применяется жидкое или газообразное углеводородное топливо), сгорающего в рабочей зоне, преобразуется в механическую работу.

Сегодня промышленностью выпускаются два типа поршневых двигателей, работающих на газе: газовые двигатели – с электрическим (искровым) зажиганием, и газодизели – с воспламенением газовоздушной смеси впрыском запального (жидкого) топлива. Из них на данный момент наиболее востребованными и получившими широкое применение в энергетике являются газовые двигатели в связи с повсеместной тенденцией использования газа как более дешевого топлива (как природного, так и альтернативного) и относительно экологически более безопасного с точки зрения выбросов с выхлопными газами.

Газопоршневые мини-ТЭЦ состоят из газового двигателя, генератора и теплообменников, предназначенных  для утилизации тепла промежуточного охладителя топливной смеси, водяной  рубашки, выхлопной системы и  системы смазки, щита управления и  контроля, а также распределительного устройства, которое может размещаться  в диспетчерском помещении.

 

Промышленные газогенераторные мини-ТЭЦ  на биомассе (древесных отходах).

Традиционной  технологией получения электроэнергии является прямое сжигание древесных  отходов в паровом котле и  далее использование пара в паровой  турбине.  Недостатком традиционной технологии является высокая цена оборудования для малых электростанций мощностью менее 1 МВт, большие габариты, значительный расход топлива и другие. Конечно, существуют новые технологии, основанные на прямом сжигании, такие как Органический цикл Рэнкина (ORC), Энтропийный цикл, двигатели Стирлинга, но эти технологии еще более дорогие, а некоторые из них, по сути, находятся в стадии исследований и опытных разработок.

Единственной  экономически выгодной альтернативой  прямому сжиганию является технология газификации древесных отходов  с использованием полученного генераторного  газа в электрогенераторных установках с двигателями внутреннего сгорания (ДВС). Преимуществами газификации по сравнению с традиционной паровой технологией являются:

- Высокий  электрический КПД - более 30%;

 

-   Широкий диапазон мощностей – от нескольких единиц до нескольких сотен кВт;

- Возможность выработки тепловой, электрической энергии  в режиме когенерации;

- Сравнительно  невысокая стоимость, модульность  оборудования;

- Прекрасные  экологические характеристики: выхлопные  газы двигателей содержат меньше  выбросов, чем при работе на  природном газе, побочные продукты  представляют собой древесный  уголь (используется как топливо)  и древесную золу (используется  как улучшитель почвы).

 

 

 

 

Промышленная газогенераторная мини-ТЭЦ представляет собой комплекс оборудования, полностью обеспечивающий реализацию вышеуказанной технологической схемы, а не просто газогенератор с двигателем на генераторном газе, как это обычно понимается в России.

На сегодняшний  день базовое оборудование в основном импортного производства на диапазоне  мощностей от 11 до 950 кВт и более.

Комплектация  большей части вспомогательного оборудования (участок подготовки топлива, система оборотного водоснабжения, когенерационное оборудование) производится силами отечественных производителей.

При проектировании установленной мощности выше 1 МВт  мини-ТЭЦ реализуется в виде нескольких параллельных блоков, синхронизированных между собой и, если необходимо, работающих параллельно с сетью.

Основной  составляющей оборудования мини-ТЭЦ  является газогенератор с очистительной  установкой, предназначенный для  получения силового генераторного  газа энергетического применения. Индийская  компания, которую в России представляет фирма Flex Technologies, Inc. и ЗАО “ЭСТ”, является крупнейшим производителем малых и средних газогенераторов в мире. Основана в 1986 г. Число работающих 140 человек.

 

Основные  технические характеристики газогенераторов  показаны в Табл. 1.

Топливо для газогенератора	Производительность по газу, Нм3/час	Калорийность газа, Ккал/Нм3	Пиролизные смолы, мг/Нм3	Твердые частицы, мг/Нм3
Древесные отходы (щепа из кусковых отходов, опилки)	50 – 4000	> 1100	< 5	< 5
С/хозяйственные отходы (лузга риса, подсолнечника, овса, гречихи т.п.)	100 – 1250	> 1000	< 5	< 10

 

 

 

На 1 января 2008 года изготовлено и установлено  более 900 газогенераторов. В последние 3 года производит более 100 газогенераторов  в год производительностью от 10 до 4000 куб.м газа в час. Экспортирует примерно 20% газогенераторов в 15 стран мира, включая Россию, Белоруссию, США, Германию, Италию и т.д. На основе выпущенных газогенераторов, в частности, построены: