Когенерация

Комбинированный процесс по совместному производству тепловой и электрической энергии в пределах одной установки, называется когенерацией (когенерационнаяустановка). Технология когенерация на сегодняшний день по праву является главной мировой тенденцией в области сбережения и потребления энергии. Наиболее важными качественными характеристиками когенерационных установок, являются: эффективное использования топливных ресурсов, автономность и высокие показатели экологичности.  Наибольший эффект при использовании такой системы, достигается когда установка работает параллельно с внешней сетью. Производимая системой энергия, является одновременно источником тепла (системы отопления производственных помещений, технологические процессы) и источником электроэнергии(личное использование, передача в электросеть). Когенерационная установка является распределительным источником тепла, что позволяет снизить ее уязвимость к разрушению (естественному или умышленному).

Когенерационные установки.

Паровые турбины. Применятся паровые турбины в качестве двигателей когенерационных установок в промышленности. В паровом котле вода расширяется, превращаясь в пар и, передается на лопатки турбины, заставляя ее вращаться и тем самым производить механическую энергию.  Паровая турбина, является одним из главных элементов ПТУ (паротурбинной установки), в которую также входит электрогенератор. Мощность системы с паровой турбиной (парогенератор) напрямую зависит от разницы давлений пара на входе и выходе. По характеру теплового процесса ПТУ делят на 3 группы:  турбины специального назначения, теплофикационные и конденсационные. Принцип конденсационной установки основан на превращении максимально возможной теплоты пара в мощность на валу. В свою очередь выделяют стационарные и транспортные конденсационные турбины. Турбогенератор (стационарная турбина) находится на одном валу с генератором тока. Основным конечным продуктом установки является электроэнергия, а дополнительным – тепло. Экономичность паровой турбины напрямую зависит от ее мощности, то есть, чем выше мощность установки, тем она экономичнее. Транспортные паровые турбины в качестве вспомогательного двигателя нашли применение на кораблях. Примером когенерации в ПТУ служит использование теплофикационной паровой турбины. Такие установки служат для одновременного получения тепловой и электрической энергии (когенерация). Станции, на которые устанавливают теплофикационную турбину, называют ТЭЦ (теплоэлектроцентраль). К этому типу турбин относят турбины с противодавлением, регулируемым отбором насыщенного пара и совместные (отбор и противодавление). У турбин, использующих противодавление, отработавший пар используется в технологических целях (отопление), а электрическая мощность, развиваемая агрегатом, зависит от потребности в  греющем паре и регулируется параллельно и восполняет дефицит электроэнергии. Принцип работы теплофикационной турбины: свежий пар из котлоагрегата по паропроводу транспортируется на лопатки (рабочие) ЦВД (цилиндр высокого давления) турбины. Когда происходит расширение пара, его кинетическая энергия превращается в механическую энергию для вращения ротора турбины. Ротор соединяется с валом электрогенератора, который вырабатывает переменный электрический ток. Теплофикационные отборы на подогрев сетевой воды производятся в процессе расширения пара.

Газовая турбина. Газовая турбина – тепловой двигатель с непрерывным действием, в которой энергия нагретого газа на лопатках (лопаточном агрегате) преобразуется в механическую работу. Принцип действия турбины: газ, с высокими показателями температуры и давления через сопловой агрегат транспортируется в область низкого давления. Попав на лопатки турбины, рабочий газ отдает им свою кинетическую энергию (крутящий момент лопаток), а лопатки передают крутящий момент на вал, создав, таким образом, механическую энергию. Газовые турбины входят в состав газотурбинных установок (ТЭЦ) и газотурбинных двигателей, подача топлива происходит из системы газоснабжения. Принцип применения когенерациии повышения энергоэффективности заключается в том, чтобы отвести тепло от рабочих частей турбины или рекуперировать (теплообменный процесс) тепло от выходящих газов, уходящих в атмосферу. Когенерация системы в газовых турбинах по производству тепловой энергии делят на: прямое использование отработавших газов, подогрев воды в котлах Buderus (для водоснабжения) и производство пара высокого или низкого давления. Когенерация позволяет значительно повысить КПД всей установки с 30% до 85%. В качестве высокоэффективной газовой турбины в современном энергоснабжении применяют микротурбины. Плюсами использования микротурбинных установок являются: встроенная возможность когенерации и тригенерации, полная автономность системы (без вмешательства человека), большой выбор используемого топлива (газ, билгаз, биодизель, пропан, ДТ, керосин), высокий кпд (85%), электроэнергия высокого качества и компактные размеры.

Поршневой двигатель. Поршневой двигатель – это двигатель, в котором тепловаяэнергия при расширении газов, полученная благодаря сжиганию топлива (замкнутый объем) превращается в механическую работу поршня, поступательное движение поршня преобразуется во вращение вала (коленчатого). Такой тип теплового двигателя является одним из самых распространенных. Применение: привод транспорта, электрогенератора, насоса, компрессора. Используемое топливо: бензин, дизель, биодизиль, биогаз, сжиженный газ и водород.  По смесеобразованию различают двигатели:

• Внешнее смесеобразование. Воспламенение полученной смеси в камере сгорания происходит с помощью искры (система зажигания в автомобилях). Могут работать на газообразном топливе и бензине.
• Внутреннее смесеобразование. Воспламенения смеси происходит благодаря сжатию рабочего тела. Выделяют: дизельный двигатель (сжимается только воздух, к которому впоследствии подается топливо), компрессионный двигатель (топливо и воздух сжимается вместе), калильный двигатель (принцип работы компрессионного двигателя, но имеют свечу накаливания).

Использование когенерации в поршневых двигателях осложняется тем, что тепловая энергия уходящих газов рассеивается. Наиболее часто уходящее тепло используют для производства пара или подогрева сетевой воды.

Биогазовая установка. Энергоэффективнаясистема, которая служит для добычи биогаза. Биогаз – газ, получаемый благодаря химическому процессу (брожению) биомассы. Состав биогаза: 50-80 % метан и 12-45% углекислый газ (после очистки превращается в биометан, который является аналогом природного газа). Сырье для получения биомассы: навоз, фекальные остатки, трава, бытовые отходы, отходы рыбной и молочной промышленности. Количество получаемого биогаза на выходе напрямую зависит от вида используемого сырья(1 кг сухого вещества = 400 л биогаза). Устройство биогазовой установки: реактор, мешалка, газгольдер, сепаратор, газовая и насосная система. Принцип работы установки: при помощи насоса биомасса подается в реактор, в котором она перемешивается и скапливается в газгольдере, после чего подается потребителям, в виде топлива. Когенерация и энергоэффективность достигаются путем подачи полученного биогаза(топливо) в систему парового котла. Применяют биогаз только в качестве топлива для производства теплоты, электроэнергии и подогрев пара. Большое значение при работе с биогазовой установкой уделяется температуре смеси в реакторе. Так как метановые бактерии (питаются сырьем) могут поддерживать свою жизнедеятельность при температуре 0-75ºС(при повышенной темературе погибают, при пониженной – бездействуют).

Область применения установок с когенерационной системой:

Образовательный комплекс. Потребление энергии 600-4000 кВт. Предложенное сооружение является потребителем электрической и тепловой энергии. Установкакогенерационной системы позволяет снизить затраты на энергоснабжение и за счет ввода автономной системы электроснабжения, повысить стабильность обеспечения.

Водный комплекс. Потребление энергии 1000-8000 кВт. Водный комплекс, включает в себя: большой объем подогреваемой воды, прокачка воды через очистительные системы (электроснабжение). В рассматриваемом случае основная часть пойдет на обеспечение электроэнергией, а теплота уходящих газов на подогрев воды в котлах ICI Caldaie.

Строительный объект. Потребление энергии на теплоснабжение и электроснабжение – 300-6000 кВт. Мероприятие по внедрению когенерации имеет несколько плюсов: автономная система без подключения к существующим сетям, объем инвестиций вложенные в установку быстро окупаются благодаря тому, что по окончании строительствазастройщик является собственником системы и может подключать к ней потребителей.

Виды исполнения установок:

• Исполнение ULT. Установка модульного исполнения для докомплектации на месте установки.
• Исполнение модульное. Для установок с высокой мощностью в таких установках двигатель и тепловой модуль(когенерация) поставляется раздельно, что позволяет приспосабливаться к потребностям покупателя.

Исполнение контейнерное. Донное исполнение востребовано для установки системы под открытым небом вдали жилых объектов (установки с полной автоматизацией).