free templates joomla

Теплоутилизационный блок мини-ТЭЦ на базе ДВС


Журнал "Теплоэнергетика", №1, 2010

В статье рассмотрены особенности теплового режима ДВС и конструктивные схемы теплоутилизационного млока мини-ТЭЦ. Предложена принципиальная схема системы тепловой автоматики теплоутилизационного блока, обеспнечивающей штатные температуры теплоносителей (охлаждающая жидкость и масла, продуктов сгорания, сетевой воды) при изменении электрической и тепловой нагрузок потребителя. Представлены результаты стендовых испытаний теплоутилизационного блока тепловой мощностью 450 кВт газопоршневой мини-ТЭЦ на базе двигателя ЯМЗ-8401. 

По прогнозам Института энергетических исследований РАН в ближайшие годы в России значительную часть баланса вводимых мощностей будут составлять малые энергетические установки. Многие десятилетия основой электроснабжения северных и восточных территорий России являются дизельные электростанции. В частности, в Якутии в эксплуатации  находятся более 700 дизель-генераторов общей установленной мощностью 310 МВт, обеспецивающих электроэнергией около 200 населенных пунктов. Установки работают, в основном, на на привозном топливе, и в некоторых регионах страны себестоимость электроэнергии, производимой дизельными электростанциями, более чем на порядок превышает тарифы в районах, находящихся в зонах централизованного энергоснабжения.

В последнее время в малую энергетику активно внедряются энергоустановки, использующие в качестве первичного источника энергии газопоршневые двигатели. Подобные машины могут работать не только на природном газе, но и на попутных нефтяных газах, газообразных продуктах термохимической и биохимической переработки органических отходов. Газопоршневые установки отличаются высокой экономичностью, в том числе, на частичных нагрузках, хорошей приемистостью и удовлетворительными экономическими характеристиками. В 2007 г. установленная мощность дизельных и газопоршневых энергетических установок составила 8551 МВт, или 3,8% установленной мощности всех электростанций, при этом за 5 лет их мощность увеличилась на 32%.

При росте стоимости топлива задача наиболее эффективного его использования становится все более актуальной. Температурный уровень жидкости, охлаждающей блок цилиндров двигателя, масла и отходящих газов дизельных и газопоршневых установок позволяет реализовать их тепловой потенциал для целей теплоснабжения, горячего водоснабжения, производства технологического пара. Теоретически все тепло, за исключением радиационных и конвективных потерь тепла собвстенно от двигателя, может быть полезно использовано, тем самым обеспечивается высокая эффектисность сжигания топлива. У лучших когенерационных установок (мини-ТЭЦ) эффективность использования топлива (отношение полезной тепловой и электрической энергии к энергии, запасенной в топливе, без учета скрытой теплоты испарения воды, содержащейся в продуктах реакции горения топлива) может достигать 90%. Еще более экономичными являются установки с тригенерацией, производящие электроэнергию, тепло и холод. Принцип тригенерации позволяет максимально адаптировать энергоустановку к суточным и сезонным графикам нагрузок у потребителя.

Целью настоящей работы является создание принципиальных схем теплоутилизационного блока газопоршневой мини-ТЭЦ и системы тепловой автоматики, обеспечивающей допустимые температуры теплоносителей: жидкости, охлаждающей блок цилиндров двигателя, масла, продуктов сгорания и сетевой воды при суточных и сезонных колебаниях электрической и тепловой нагрузок потребителя.

Баланс мощности, предельные коэффициенты использования топлива

Механический КПД газопоршневого двигателя (ГПД) в рассматриваемом диапазоне мощности составляет 30...38% при номинальной нагрузке. Особеннстью ГПД является незначительное снижение эффективности вплоть до нагрузок, составляющих 0,3...0,5 номинальной. Так, например, КПД агрегата на базе конвертированного для работы на природном газе дизельного двигателя Ярославского моторного завода ЯМЗ-8401 (12-цилиндровый V-образный двигатель) при номинальной электрической нагрузке 320 кВт составляет 34 %, а при уменьшении нагрузки вдвое КПД снижается до 29%.

Рис. 1. Схема тепловых потоков агрегата на базе ДВС

Рис. 1. Схема тепловых потоков агрегата на базе ДВС.
Т - Турбина; К - компрессор. 

Основные источники тепла установки (рис. 1): тепло охлаждающей блок цилиндров жидкости (воды, гликоля) - Qо.ж., тепло масляной системы двигателя - QМ, тепло охладителя надувочного воздуха (для двигателя с турбонаддувом) - QН.В., тепло газообразных продуктов сгорания - QП.С.. Радиационные и конвективные потери тепла в окружающую среду от агрегата - Qр.к составляют 5-6% от располагаемой мощности.

Уровень температуры системы охлаждения двигателя (80-90°С), масляной системы (90-110°С) и температуры продуктов сгорания за турбинами турбокомпрессоров (550-650°С) вполне достаточен для того, чтобы использовать тепло двигателя как для целей отопления и горячего водоснабжения, так и для производства технологического пара. Контур системы промежуточного охлаждения наддувочного воздуха имеет относительно низкий температурный потенциал (30-50°С), и отбираемое тепло может быть полезно использовано только для предварительного подогрева подпиточной воды внешних контуров теплоснабжения и системы горячего водоснабжения (ГВС).

Температурные ограничения в системе утилизации тепла выхлопных газов связаны с ограничением температуры продуктов сгорания на выходе из теплообменника температурой «точки росы» для предотвращения образования кислотного конденсата, обмерзания и коррозии трубопроводов. Известный, но далеко не всегда экономически оправданный способ полезного использования этого тепла - установка на выходе из теплообменника экономайзерного участка, выполненного из кислотостойкой стали. Скрытая теплота парообразования воды, содержащейся в отходящих газах (разность между высшей и низшей теплотой сгорания топлива), составляет порядка 10% от низшей теплоты сгорания, что для агрегата электрической мощностью 325 кВт соответствует дополнительной тепловой мощности 80-100 кВт.

Рис. 2. Структура энергетического баланса газопоршневого двигателя QSK 19 G в номинальном режиме

Рис. 2. Структура энергетического баланса
газопоршневого двигателя QSK 19 G
в номинальном режиме. 

В зависимости от степени сжатия температура воздуха на выходе из турбокомпрессоров составляет 90-120°С. Для устойчивой работы двигателя на максимальных мощностях температура газовоздушной смеси, поступающей в цилиндры двигателя, не должна превышать 40°С. Соответственно тепловая мощность, отбираемая в теплообменниках охладителях воздуха (интеркуллерах), составляет 5-8% от мощности, запасенной в топливе.

Окончательно энергетический баланс замыкают потери энергии за счет теплоемкости уходящих газов. Рассчитанные по равновесному составу газа при перепаде температур 100°С эти потери составляют 4-6% от энергии, запасенной в топливе.

Из приведенных рассуждений и оценок следует, что предельный коэффициент использования топлива (без учета внутренней теплоты парообразования воды) составит 88-91% независимо от КПД установки, т.к. всю тепловую энергию, за исключением потерь, можно утилизировать в эффективных теплообменниках.

Как уже отмечалось, температурный потенциал интеркуллеров относительно низкий, и его использование в системах теплоснабжения проблематично. Соответственно, реально достижимый коэффициент использования топлива не будет превышать 86%.

В качестве примера на рис. 2 приведена структура энергетического баланса газопоршневого двигателя QSK 19 G электрической мощностью 315 кВт производства компании Cummins Power Generation (США). Коэффициент использования топлива мини-ТЭЦ на базе этого двигателя составляет 77%.

Относительно низкая тепловая эффективность установки (41%) связана с тем, что двигатель рассчитан на работу на обедненной топливной смеси, вследствие чего значительно снижена температура продуктов сгорания за турбиной и их тепловой потенциал. Кроме того, из-за увеличения расхода уходящих газов возрастают и соответствующие потери. 

Особенности теплового режима ДВС

Если энергоблок на базе ДВС предназначен только для выработки электроэнергии, штатный температурный режим двигателя (температуры охлаждающей жидкости и масла) обеспечивают радиатор и термостаты, входящие в комплект двигателя. В случае же мини-ТЭЦ, обеспечивающей, помимо электрической нагрузки, тепловую нагрузку (отопление и горячее водоснабжение), тепловой режим двигателя будет зависеть как от графиков электрической и тепловой нагрузок потребителя (суточные и сезонные графики электрической и тепловой нагрузок потребителя не согласованы по объективным причинам), так и от требуемых температур теплоносителя во внешнем контуре теплоснабжения. Для отопительной нагрузки при качественном способе регулирования температура воды зависит от температуры окружающего воздуха и определяется стандартным температурным графиком. Температура воды в системе ГВС регламентирована соответствующими «Строительными нормами и правилами» (СНиП).

Перечисленные температурные ограничения предъявляют соответствующие требования к составу и схемам теплоутилизационного блока мини-ТЭЦ, к системе тепловой автоматики и алгоритму регулирования.

Принципиальная схема теплообменного блока мини-ТЭЦ

В состав теплоутилизационного блока входят теплообменники контуров охлаждения блока цилиндров и масляной системы двигателя. В случае, когда в соответствии с конструкцией двигателя тепло масляной системы передается охлаждающей жидкости внутри двигателя (двигатель ЯМЗ 8401), теплосъем обеспечивает один теплообменник. Как правило, это современные эффективные пластинчатые теплообменники. Тепловой потенциал продуктов сгорания утилизируется в высокотемпературном газо-водяном кожухо-трубном теплообменнике. В двигателе с турбонаддувом в контуре охлаждения надувочного воздуха (иногда его называют низкотемпературным контуром) используется либо пластинчатый теплообменник (при целесообразности использования тепла с низким температурным потенциалом), либо стандартный радиатор. При низкой тепловой нагрузке или при ее отсутствии для охлаждения двигателя используется штатный радиатор двигателя. В стандартных схемах подключения к тепловым сетям внутренний контур теплоутилизационного блока связан с внешним контуром отопления через промежуточный пластинчатый теплообменник и циркуляцию охлаждающей жидкости (воды, гликоля) обеспечивает циркуляционный насос мини-ТЭЦ.

Для обеспечения необходимого температурного режима двигателя и поддержания заданной температуре в контуре теплоснабжения теплообменники теплоутилизационного блока снабжены байпасными линиями и соответствующими регуляторами.

Принципиальная схема включения теплообменников мини-ТЭЦ представлена на рис.3.

Рис. 3. Принципиальная схема включения теплообменников мини-ТЭЦ на базе ДВС с турбонаддувом

Рис. 3. Принципиальная схема включения
теплообменников мини-ТЭЦ на базе ДВС с турбонаддувом.

ТО1...ТО4 - теплообменники;
Р1, Р2 - радиаторы;
К1...К5 - регулирующие клапаны;
Н1, Н2 - насосы;
БП1...БП5 - байпасные линии;
ТК - турбокомпрессор;
ПС - продукты сгорания.  

Теплоносители теплоутилизационного блока мини-ТЭЦ циркулируют по четырем контурам: контур охлаждающей двигатель жидкости, контур продуктов сгорания, контур охлаждения надувочного воздуха и внутренний контур теплоносителя мини-ТЭЦ.

Охлаждающая жидкость от блока цилиндров и масляной системы помпой двигателя направляется через байпас БПЗ в пластинчатый теплообменник ТО1. При превышении температуры жидкости выше допустимой для двигателя регулирующий клапан КЗ переключает часть потока (или весь поток) жидкости на радиатор Р1. Если температура охлаждающей жидкости опускается ниже заданной (низкая тепловая нагрузка у потребителя), регулирующий клапан К1 переключает часть потока жидкости внутреннего контура мини-ТЭЦ на байпасную линию БШ.

После теплообменника ТО1 вода (гликоль) внутреннего контура поступает в кожухо-трубный теплообменник ТО2. Для поддержания температуры продуктов сгорания на выходе из ТО2 выше температуры «точки росы» теплообменник снабжен байпасной линией БП2 и регулирующим клапаном К2, переключающим поток теплоносителя внутреннего контура (или его часть) на байпасную линию. Для предотвращения вскипания теплоносителя во внутреннем контуре мини-ТЭЦ и для обеспечения работы установки в режиме выдачи только электроэнергии служит байпас продуктов сгорания БП4 и регулирующий высокотемпературный клапан К4.

Теплоноситель внутреннего контура мини-ТЭЦ передает тепло внешнему контуру теплоснабжения в пластинчатом теплообменнике ТОЗ. Байпасная линия теплообменника БП5 и регулирующий клапан К5 служат для обеспечения заданной температуры воды во внешнем контуре теплоснабжения.

Низкотемпературный контур охлаждения надувочного воздуха состоит из теплообменника ТО4, циркуляционного насоса Н2 и воздушного радиатора Р2. В ряде конструкций двигателей теплообменник ТО4 (интеркуллер) является штатным агрегатом двигателя. При необходимости использования низкопотенциального тепла этого контура вместо радиатора Р2 используется пластинчатый теплообменник. Топливо-воздушная смесь после сжатия в турбокомпрессоре двигателя охлаждается в теплообменнике ТО4 и подается в дроссельное устройство двигателя.

При сохранении общих принципов построения рассмотренная схема может адаптироваться к конкретным задачам потребителя: обеспечение теплом только системы ГВС, производство технологического пара и т.д.

Результаты стендовых испытаний теплоутилизационного блока мини-ТЭЦ на базе двигателя ЯМЗ-8401

 

Представленная на рис.3 схема реализована в теплоутилизационном блоке мини-ТЭЦ, созданной на базе дизельного двигателя Ярославского моторного завода ЯМЗ 8401, конвертированного для работы на природном газе. Номинальная электрическая мощность энергоблока - 315 кВт. Стендовые испытания проводились на экспериментальном стенде ОИВТ РАН. Алгоритм и аппаратное оформление системы автоматического регулирования были отработаны в процессе испытаний газопоршневой мини-ТЭЦ на базе двигателя ЯМЗ 240 номинальной электрической мощностью 180 кВт [7].

В состав теплоутилизационного блока входит пластинчатый теплообменник NT 100 THV / CDL -10/20 компании «Машэкспорт» с теплопередающей поверхностью 4,5 м2, мощностью 275 кВт, кожухотрубный теплообменник конструкции ОИВТ РАН-Электро-ЛТ расчетной мощностью 250 кВт, штатный радиатор двигателя, циркуляционный насос внутреннего контура мини-ТЭЦ, радиатор и насос контура охлаждения надувочного воздуха. Система тепловой автоматики построена на базе стандартных промышленных контроллеров, датчиков с унифицированным выходным сигналом и регулирующих клапанов с электроприводами. В контуре продуктов сгорания установлены управляемые высокотемпературные шиберы конструкции Электро-ЛТ.

Рис. 4. Зависимости активной мощности и тепловых нагрузок от расхода газа

Рис. 4. Зависимости активной мощности
и тепловых нагрузок от расхода газа.

1 - тепловая нагрузка теплообменника ТО1;
2 - тепловая нагрузка теплообменника ТО2;
3 - активная электрическая мощность;
4 - суммарная тепловая нагрузка энергоблока
(тепловая нагрузка теплообменника ТО3).  

Рис. 5. Зависимость КПД установки от активной мощности

Рис. 5. Зависимость КПД установки от активной мощности. 

В процессе испытаний определялась эффективность теплообменников, КПД установки при работе на активную электрическую нагрузку (cos φ = 0,98...0,99), коэффициент использования топлива. Коэффициент избытка воздуха составлял 1,14...1,2; температура воздуха на входе в компрессор - 14,6°С; степень сжатия компрессора в номинальном режиме - 1,85. Результаты испытаний приведены на рис.4, 5. Обозначения теплообменников - в соответствии со схемой рис.3.

Зависимости активной мощности и тепловых нагрузок от расхода природного газа приведены на рис.4.

Зависимость КПД установки от активной мощности представлена на рис.5. Следует отметить, что даже при нагрузке, составляющей 50% от номинальной, КПД составляет 29%.

Эффективность мини-ТЭЦ принято характеризовать коэффициентом использования топлива k:

k = ( WT + WЭЛ ) * 100 /  ( QPH GГ )

где Wт— полезная тепловая нагрузка; Wэл — электрическая нагрузка; QPН — низшая теплота сгорания газа.

Испытания показали, что вплоть до нагрузки, составляющей 30% от номинальной, коэффициент использования топлива практически не менялся и составлял порядка 80%.

Рассмотрим составляющие теплового баланса теплоутилизационного блока.

При номинальной нагрузке степень сжатия газо-воздушной смеси в компрессорах составила 1,85 при температуре смеси на выходе из компрессора 92 °С. При снижении температуры до 40°С после охлаждения смеси в интеркуллере тепловая мощность, рассеиваемая в радиаторе Р2 (рис.3), составила 30 кВт. При этом уровень температуры охлаждающей воды не превысил 32°С. Результаты измерений хорошо согласуются с расчетами в приближении адиабатного сжатия. Как уже отмечалось, полезно использовать тепло с таким низким температурным потенциалом затруднительно.

Температура продуктов сгорания на выходе из теплообменника ТО2 в номинальном режиме составила 180°С. Соответственно, увеличение поверхности теплообмена кожухо-трубного теплообменника, снижение температуры уходящих газов до температуры «точки росы» и максимальное использование теплового потенциала продуктов сгорания позволит дополнительно получить 20 кВт тепла.

Баланс энергии мини-ТЭЦ при номинальной нагрузке, составленный по результатам испытаний, показан на рис.6.

Коэффициент использования топлива в номинальном режиме составил 81 %. Доработка кожухо-трубного теплообменника позволит получить предельный для данной установки коэффициент использования топлива - 83%.

Баланс энергии мини-ТЭЦ при номинальной нагрузке, составленный по результатам испытаний, показан на рис.6. 

Рис. 6. Баланс энергии мини-ТЭЦ при номинальной нагрузке

Рис. 6. Баланс энергии мини-ТЭЦ при номинальной нагрузке. 

WЭЛ - активная электрическая нагрузка;
WТО1 - тепловая нагрузка пластинчатого теплообменника ТО1;
WТО2 - тепловая нагрузка кожухотрубного теплообменника ТО2;
WТО4 - потери в контуре охлаждения наддувочного воздуха;
WРАД - радиационные и конвективные потери;
Wу.г - потери с уходящими газами. 

Заключение

Таким образом, как бы ни были высоки характеристики мини-ТЭЦ, КПД и эффективность теплоутилизационного блока, эффективность использования установки будет определяться согласованностью режимов работы мини-ТЭЦ с графиками изменения электрической и тепловой нагрузок потребителя. Идеальная ситуация, когда и электрическая, и тепловая нагрузки постоянны и их соотношение соответствует характеристикам мини-ТЭЦ, практически маловероятна. Каждая группа потребителей, каждый климатический пояс имеет свою специфику, определяемую суточными, недельными, сезонными графиками изменения нагрузок, и оптимальные варианты подключения мини-ТЭЦ к тепловой сети потребителя будут также различны. Это может быть схема с баком-аккумулятором с соответствующей системой его зарядки, схемы с использованием пиковых водогрейных котлов (наиболее распространенный вариант), схемы с адсорбционными холодильниками, обеспечивающие полезное использование тепловой энергии для целей кондиционирования в жаркий период года, схемы с водогрейными электрокотлами. В каждом случае для конкретных условий эксплуатации выбирается оптимальная схема подключения мини-ТЭЦ и соответствующие технические характеристики агрегата.

Авторы выражают благодарность В.А. Суслову и И.К. Корнееву за помощь в проведении испытаний.