Описание:

При полном использовании вырабатываемой электрической и тепловой энергии достигаются высокие экономические показатели системы, а высокая энергетическая эффективность обеспечивает, в свою очередь, сокращение сроков окупаемости средств, инвестированных в оборудование.

Совместное производство теплоты и электроэнергии

Системы совместного производства теплоты и электроэнергии: балансировка соотношения производимой теплоты и мощности

A. Abedin , член Американского общества инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха (ASHRAE)

В описываемых когенерационных системах первичное топливо расходуется на одновременное производство электрической или механической энергии (мощность) и полезную тепловую энергию. В этом процессе существенным является то, что одно и то же топливо работает «дважды», чем достигается высокая энергетическая эффективность систем.

При полном использовании вырабатываемой электрической и тепловой энергии достигаются высокие экономические показатели системы, а высокая энергетическая эффективность обеспечивает, в свою очередь, сокращение сроков окупаемости средств, инвестированных в оборудование.

Конфигурация системы совместного производства (когенерации) теплоты и электроэнергии определяется тем, насколько фактические тепловые и электрические нагрузки соответствуют выработке тепловой и электрической мощности. Если имеется рынок, готовый потребить излишек тепла или электроэнергии, балансировка соотношения тепловой и электрической мощности не является критической для системы.

Например, если электроэнергия может быть потреблена (на приемлемых условиях), тогда основой работы системы совместного производства становится потребность на месте в тепловой энергии (система предназначается для обеспечения тепловой нагрузки). Излишняя электроэнергия может быть продана, а ее недостаток может быть компенсирован закупками из других источников. В результате обеспечивается высокая энергетическая эффективность, и фактическое соотношение выработки тепла и электроэнергии для энергетической установки соответствует потребностям на месте эксплуатации установки.

В качестве примера эффективного соотношения тепловой и электрической мощности рассмотрим паровой котел, вырабатывающий в час 4 540 кг пара, подаваемого под давлением около 8 бар, и потребляющий для этого 4 400 кВт энергии топочного газа (при среднем КПД котла 75 %). При таком же количестве потребленной энергии топливного газа в стандартной газовой турбине мощностью 1,2 МВт может быть выработано необходимое количество пара при помощи утилизации отходящей теплоты. В результате около 1 100 кВт электроэнергии может быть выработано «без затрат» топлива. Это является примером очень хорошего соотношения тепла и мощности, благодаря которому система обладает привлекательными экономическими показателями.

Представим теперь абсорбционный чиллер, обслуживающий систему кондиционирования воздуха с такими же потребностями в паре. Во время работы в режиме неполной нагрузки та же самая газовая турбина вырабатывает электроэнергию неэффективным образом (обычно). В такой системе отходящая теплота используется не полностью, если только на месте нет какого-либо другого потребителя этой теплоты. Таким образом, если система работает в режиме неполной нагрузки длительное время, ее экономические показатели невысоки.

Проектировщик системы совместного производства теплоты и электроэнергии должен решать непростые задачи обеспечения оптимального соотношения тепловой и электрической мощностей, учитывая также дневные и сезонные изменения этого соотношения. Далее рассматриваются типичные методы балансировки соотношения выработки теплоты и электроэнергии.

Метод I: использование газовых турбин и генераторов с газовыми двигателями

Сравним конфигурации газотурбинной энергетической установки с высоким соотношением тепловой и электрической мощностей и установки газовыми двигателями внутреннего сгорания (газомоторные) с низким отношением тепловой и электрической мощностей. Как будет показано ниже, в зависимости от энергетических нагрузок объекта, целесообразными могут быть как газотурбинные, так и газомоторные установки.

Пример А. Обычно в здании с центральной системой кондиционирования воздуха при пиковых расчетных условиях существует высокая потребность в холоде, для чего необходимо большое количество тепловой энергии, если абсорбционные чиллеры работают на совместно вырабатываемой отходящей теплоте.

Допустим, при пиковом потреблении необходимость в охлаждении в здании составляет 1 760 кВт и около 1 100 кВт электрической мощности.

Газотурбинная установка может работать с высокой эффективностью когенерации следующим образом:

1. Параметры производительности газовой турбины при 35 °С: 1 200 кВт электрической мощности при 5 340 кВт потребляемой энергии топочного газа (выработка электроэнергии 22,5 %), выход пара 7 кг/с при температуре 540 °С.

2. В условиях примера А котел-утилизатор отходящей теплоты обеспечивает одноступенчатый абсорбционный чиллер теплотой в количестве приблизительно 2 990 кВт. При потерях тепловой энергии, составляющих 7 % (на излучение и потери в трубах с горячей водой), для обеспечения необходимой холодильной производительности абсорбционного чиллера котел подает на него горячую воду с температурой 121 °С.

3. Соотношение тепловой и электрической мощностей (количество тепловой энергии в британских единицах MBtu/h на 1 кВт/ч ) в примере А равно 8,5 (10 200 / 1 200).

Пример Б. Для такого же здания, что и в примере А, при потреблении только 750 кВт электроэнергии и 616 кВт «холода» для кондиционирования воздуха при работе в режиме неполной нагрузки соотношение тепловой и электрической мощностей определяется следующими факторами:

1. Параметры производительности газомоторной энергоустановки при 25 °С: 750 кВт электрической мощности при 2 000 кВт потребляемой энергии топочного газа (выработка электроэнергии 37,5 %), утилизация отходящей теплоты охлаждающей воды в количестве 100 кВт из контура последовательного охладителя и утилизация теплоты выхлопных газов двигателя в количестве 500 кВт.

2. Утилизированная теплота общим количеством 959 кВт позволяет производить около 616 кВт холода с помощью одноступенчатого абсорбционного чиллера при подаче на него горячей воды с температурой 90 °С.

3. Соотношение тепловой и электрической мощностей (количество тепловой энергии в единицах MBtu/ч на 1 кВт/ч) в примере Б равно 4,4 (3 300 / 750).

Соотношение тепловой и электрической мощностей изменяется с 8,5 (для газотурбинной установки) при пиковых нагрузках до показателя 4,4, для газомоторной установки в режиме неполной нагрузки. Рациональный выбор конфигурации когенерационной системы позволяет достичь оптимального соотношения нагрузок и обеспечить наивысшую эффективность совместного производства теплоты и электроэнергии.

Метод 2: использование гибридных чиллеров

Для балансировки выработки теплоты и электроэнергии в когенерационных энергетических установках, обеспечивающих утилизируемой теплотой центральные системы кондиционирования воздуха, необходим гибридный чиллер.

В периоды сравнительно низкой нагрузки электроэнергии (когда для абсорбционного чиллера имеется немного утилизируемого теплоты) сбалансировать указанное соотношение помогает электрический чиллер, повышающий электрическую нагрузку, увеличивая при этом количество отходящей теплоты для повышения эффективности когенерации.

Метод 3: использование накопителя тепловой энергии

Накопители (аккумуляторы) тепловой энергии используются как в системах охлаждения, так и в системах теплоснабжения. Применение накопительных баков-аккумуляторов с использованием горячей воды (температурой от 85 до 90 °С) может «сберечь» имеющееся «сбросное» тепло. Система может быть спроектирована и для использования горячей воды с температурой выше 100 °С (при повышенном давлении).

Поскольку экономически невыгодно «хранить» электроэнергию (особенно для небольших энергетических установок совместного производства теплоты и электроэнергии) для обеспечения высокой эффективности выработки тепла, в таких установках излишняя тепловая энергия должна накапливаться для удовлетворения потребности в электроэнергии.

При полном использовании теплоты отходящих газов для совместного производства теплоты и электроэнергии, предназначенных для центральных систем кондиционирования воздуха, необходимо, чтобы использующие теплоту чиллеры работали в режиме максимальной производительности, и вся излишняя холодильная производительность сохранялась в виде охлажденной воды, хранимой в накопительных баках.

Для этого могут использоваться существующие баки для воды (например предназначенные для системы пожаротушения) или специально изготовленные баки.

Накопители тепловой энергии могут использоваться для хранения горячей воды с температурой в диапазоне от 85 до 90 °С (вода с такой температурой интенсивно используется, например, на текстильных фабриках). Поскольку энергетическая установка совместного производства теплоты и электроэнергии вырабатывает горячую воду непрерывно, горячая вода может храниться в баках для использования в производственных целях.

На рисунке показана упрощенная схема трубной системы установки производства и хранения горячей воды, являющейся частью энергетической установки совместного производства теплоты и электроэнергии, в которой используется генератор, приводимый в действие газовым двигателем с турбонаддувом мощностью 900 кВт, со скоростью вращения 1 000 об/мин. На схеме не показаны все необходимые регулирующие клапаны и приборы, предназначенные для безопасной и экономичной работы.

Метод 4: кондиционирование входного воздуха при помощи газовой турбины

Пример А. Кондиционирование входного воздуха при помощи газовой турбины является технологией, которая может использоваться в установках с генераторами с газовыми турбинами для балансировки соотношения тепловой и электрической мощностей. В этой технологии применяется охлаждение входного воздуха для увеличения производительности при пиковых нагрузках летом (при помощи или аккумуляторов тепловой энергии или находящихся на линии чиллеров, использующих отходящую теплоту) или нагрев входного воздуха для увеличения эффективности когенерации при неполной нагрузке, особенно зимой (вырабатывается дополнительное количество тепловой энергии на 1 кВт электроэнергии).

Охлаждение входного воздуха увеличивает производительность и эффективность генератора с газовой турбиной. Оно широко используется в системах совместного производства теплоты и электроэнергии, в которых отходящая теплота применяется для централизованной подачи охлажденной воды.

В таких системах имеется или отсутствует хранилище тепловой энергии. Такая конструкция обеспечивает работу генераторов с газовыми турбинами в соответствии с необходимыми нагрузками, т. к. увеличение выработки электроэнергии, благодаря охлаждению входного воздуха, также приводит к увеличению отходящей теплоты, подаваемой на абсорбционные чиллеры.

В условиях неполной нагрузки применение газовой турбины с охлаждающими змеевиками на входе невыгодно, т. к. дополнительное падение давления на охлаждающем змеевике (теперь уже лишнем) вызывает повышение тепловой мощности (повышенное потребление топлива). В установках совместного производства теплоты и электроэнергии эффективность работы при неполной нагрузке может быть повышена, как показано в таблице, при помощи обычной газовой турбины с номинальной мощностью 1 200 кВт, используемой в установке совместного производства теплоты и электроэнергии, вырабатывающей применяемый для промышленных целей пар с давлением 3 бара.

При работе с нагрузкой 40 % от максимальной для балансировки соотношения выработки теплоты и электроэнергии может использоваться подогрев входного воздуха для газовой турбины (ограниченный конструкцией установки), т. к. пониженная эффективность газовой турбины приводит к повышению имеющейся отходящей теплоты и в результате к повышению общей эффективности когенерации. Указывается, что эффективность совместного производства теплоты и электроэнергии возрастает более чем на 15 %, если в условиях неполной нагрузки воздух на входе нагревается с 15 до 60 °С. Большинство производителей газовых турбин могут предоставить данные производительности при температуре воздуха вплоть до 60 °С. Перед проектированием системы с такой возможностью должны быть проверены совместно с производителем газовой турбины ограничения на нагрев входного воздуха.

Пример Б. Для увеличения генерации «отходящей» теплоты в имеющих высокую температуру, обогащенных кислородом выхлопных газах газовой турбины применяется дополнительное дожигание в потоке отходящей теплоты. Большее количество тепла означает более высокое соотношение теплоты и мощности, улучшающее экономические показатели процесса совместного производства теплоты и мощности.

Эффективность установки совместного производства теплоты и мощности мощностью 1 200 кВт в условиях неполной нагрузки

Рабочие параметры газовой турбины Температура окружающей среды 15 °C 30 °C 45 °C 60 °С (экстрапо- лированное значение) 40 % 40 % 40 % 40 % Выходная мощность 436 кВт 385 кВт 334 кВт 283 кВт Эффективность 16,04 % 14,92 % 13,51 % 11,81 % Расход выхлопных газов 6,35 кг/с 6,02 кг/с 5,61 кг/с 5,21 кг/с Температура выхлопных газов 336 °C 355 °C 378 °C 405 °C Тепловая мощность выхлопных газов 2 140 кВт 2 061 кВт 1 975 кВт 1 882 кВт Рабочие параметры установки совместного производства теплоты и мощности Температура окружающей среды 15 °C 30 °C 45 °C 60 °С Давление насыщенного пара 3 бара 3 бара 3 бара 3 бара Выработка пара 4 123 кг/ч 4 321 кг/ч 4 494 кг/ч 4 642 кг/ч Эффективность работы установки совместного производства теплоты и мощности 65,29 % 69,1 % 72,49 % 75,46 %

Заключение

Системы совместного производства теплоты и электроэнергии работают эффективно, если используется вся или большая часть электрической и тепловой энергии.

В реальных условиях нагрузка меняется, поэтому для большинства систем необходима балансировка соотношения производимой тепловой и электрической мощностей, обеспечивающая эффективную и экономичную работу установки совместного производства энергии.

Системы балансировки соотношения теплоты и мощности должны быть приняты на установках совместного производства с самого начала для обеспечения оптимального использования выходной электрической и тепловой мощности и сокращения, тем самым, затрат на топливо, а также для улучшения экономических показателей системы.

Переведено с сокращениями из журнала «ASHRAE».

Перевод с английского Л. И. Баранова.

Область деятельности(техники), к которой относится описываемое изобретение

Изобретение относится к теплоэнергетике, может быть использовано при комбинированном производстве тепла, холода и электроэнергии с помощью тепловых энергетических установок.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Известен способ работы передвижной установки комбинированного производства электричества, тепла и холода, в которой генератор преобразует механическую энергию вращающегося вала двигателя в электроэнергию, отходящие газы, проходящие через теплообменник, отдают тепло жидкостному теплоносителю для теплоснабжения в отопительный период или хладагенту абсорбционной холодильной машины для холодоснабжения в летний период .

К недостаткам данного способа работы установки можно отнести невысокий КПД, связанный с выбросом в атмосферу существенной части неиспользованной тепловой энергии через аппараты воздушного охлаждения двигателя внутреннего сгорания и холодильной машины, низкую степень использования холодильной мощности абсорбционной холодильной машины летом в периоды понижения температуры окружающего воздуха.

Известен также способ работы когенерационной системы: первый двигатель внутреннего сгорания производит полезную энергию, преобразуемую в электрическую энергию с помощью электрогенератора, второй двигатель внутреннего сгорания используется для привода компрессора холодильной машины, вырабатывающей холод в летний период, тепло, утилизированное от рубашки двигателя и выхлопных газов, используется для теплоснабжения потребителей в зимний период .

Недостатком способа работы данной установки является невысокий КПД использования сбросной теплоты двигателей внутреннего сгорания, значительные затраты электроэнергии на работу компрессора холодильной машины.

Известен способ работы тригенерационной системы, одновременно осуществляющей тепло/холодо- и электроснабжение, в котором теплоснабжение в холодный период осуществляется за счет утилизации теплоты выхлопных газов и охлаждающей жидкости двигателя внутреннего сгорания, механическая энергия вращающегося вала двигателя преобразуется в электроэнергию, холод вырабатывается в летний период в компрессионной холодильной машине .

Rnrnrn rnrnrn rnrnrn

К недостаткам способа работы данной установки можно отнести невысокий КПД из-за недостаточного использования сбросной теплоты двигателя внутреннего сгорания и значительные затраты электроэнергии на работу компрессора холодильной машины.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) является способ впуска охлажденного воздуха в газовую турбину, в котором один используют для преобразования теплоты продуктов сгорания в механическую энергию с последующим преобразованием ее в электрическую в электрогенераторе. Второй тепловой двигатель используют как источник тепловой энергии, преобразуемой в энергию холода в абсорбционной холодильной машине. Произведенный в абсорбционной холодильной машине холод используют для охлаждения атмосферного воздуха перед сжатием. При понижении нагрузки на систему холодоснабжения понижают давление газа, подаваемого в тепловой двигатель .

Недостатком способа работы данной установки является то, что в период неполной загрузки абсорбционной холодильной машины в результате понижения давления газа, используемого тепловым двигателем, повышается температура воды, подаваемая от абсорбционной холодильной машины к воздухо-водяному теплообменнику, что приводит к снижению степени охлаждения атмосферного воздуха, подаваемого в компрессор, и соответственно к понижению электрической мощности установки.

Задача изобретения - повышение КПД и электрической мощности установки за счет повышения степени использования абсорбционной холодильной машины.

Поставленная задача достигается следующим образом.

Сжатый атмосферный воздух и/или топливо сжигают в камере сгорания и теплоту продуктов сгорания преобразуют в механическую энергию с помощью теплового двигателя. Механическую энергию преобразуют в электрическую в электрогенераторе. Тепловую энергию, отведенную от теплового двигателя, используют для теплоснабжения потребителей и для преобразования в абсорбционной холодильной машине в энергию холода для холодоснабжения потребителей. В период неполной загрузки холодильной машины избыточную холодильную мощность используют для охлаждения атмосферного воздуха перед сжатием.

На чертеже изображена схема одной из возможных установок, с помощью которых может быть осуществлен описываемый способ.

Содержит следующие элементы: 1 - воздушный компрессор, 2 - камеру сгорания, 3 - газовую турбину, 4 - теплообменник охлаждения дисков и лопаток турбины, 5 - теплообменник системы смазки турбины, 6 - теплообменник уходящих газов, 7 - теплообменник системы теплоснабжения потребителей, 8 - воздухо-водяной теплообменник, 9 - насос контура охлаждения, 10 - насос, 11 - абсорбционную холодильную машину, 12 - потребитель тепла, 13 - электрогенератор, 14 - потребитель холода, 15 - трубопровод горячей воды, 16 - трубопровод охлажденной воды, 17 - градирню холодильной машины, 18 - насос обратного водоснабжения (охлаждения) холодильника, 19 - помещение, 20 - сухую градирню тригенерационной установки.

Способ работы комбинированного производства электроэнергии, тепла и холода осуществляется следующим образом

В компрессоре 1 происходит процесс сжатия атмосферного воздуха. Из компрессора 1 воздух поступает в камеру сгорания 2, куда через форсунки непрерывно под давлением поступает распыляемое топливо. Из камеры сгорания 2 продукты сгорания направляются в турбину 3, в которой энергия продуктов сгорания преобразуется в механическую энергию вращения вала. В электрическом генераторе 13 эта механическая энергия преобразуется в электрическую. Тепловую энергию, отведенную от газовой турбины через теплообменники системы смазки 5, системы охлаждения дисков и лопаток 4 и с уходящих газов 6, по трубопроводу 15 передают теплообменнику 7 для снабжения потребителей 12 теплом в холодный период года. В теплый период часть тепловой энергии используют для теплоснабжения потребителей, а другую часть энергии передают абсорбционному холодильнику 11, который преобразует тепловую энергию в энергию холода, используемую для снабжения холодом потребителей 14. Воду, охлажденную в теплообменнике 7, насосом 9 передают для нагрева в теплообменники 4, 5, 6. При отсутствии потребности в тепловой энергии избыточное тепло отводится через сухие охладители 20 в атмосферу. При работе холодильной машины 11 тепловая энергия подводится к генератору и к испарителю, в то время как в абсорбере и в конденсаторе теплота отводится. Для отведения теплоты в атмосферу служит контур оборотного водоснабжения, включающий в себя градирню 17 и насос 18. В период неполной загрузки абсорбционного холодильника 11 охлажденную воду передают по трубопроводу 16 в воздухо-водяной теплообменник 8, находящийся вне помещения 19, для предварительного охлаждения атмосферного воздуха, подаваемого в компрессор 1 для сжатия атмосферного воздуха и подачи в камеру сгорания 2, а нагретую в теплообменнике 8 воду насосом 10 передают в 11 для охлаждения.

Rnrnrn rnrnrn rnrnrn

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в повышении степени использования абсорбционной холодильной машины за счет охлаждения в период неполной ее загрузки атмосферного воздуха перед его сжатием. Предварительное охлаждение атмосферного воздуха за счет уменьшения работы сжатия позволяет уменьшить расход топлива в тепловом двигателе, повысить КПД и электрическую мощность установки.

Список используемых источников

1. Патент 2815486 (Франция), опубл. 19.04.2002, МПК F01N 5/02-F02B 63/04; F02G 5/02; F25B 27/00; F25B 30/04; F01N 5/00; F02B 63/00; F02G 5/00; F25B 27/00; F25B 30/00; (IPC 1-7): H02K 7/18; F01N 5/02; F02B 63/04; F02G 5/02; F25B 27/02.

2. Патент 2005331147 (Япония), опубл. 02.12.2005, МПК F25B 27/00; F25B 25/02; F25B 27/02; F25B 27/00; F25B 25/00; F25B 27/02; (ГРС1-7): F25B 27/00; F25B 25/02; F25B 27/02.

3. Патент 20040061773 (Корея), опубл. 07.07.2004, МКП F02G 5/00; F02G 5/00; (IPC 1-7): F02G 5/00.

4. Патент 8246899 (Япония), опубл. 24.09.1996, МПК F02C 3/22; F01K 23/10; F02C 6/00; F02C 7/143; F25B 15/00; F02C 3/20; F01K 23/10; F02C 6/00; F02C 7/12; F25B 15/00; (IPC1-7): F02C 7/143; F02C 3/22; F02C 6/00; F25B 15/00.

Формула изобретения

Способ комбинированного производства электроэнергии, тепла и холода, включающий сжатие атмосферного воздуха и/или топлива с последующим сжиганием их в камере сгорания и преобразованием теплоты продуктов сгорания в механическую энергию с помощью теплового двигателя, преобразование механической энергии в электрическую в электрогенераторе, передачу части тепловой энергии, отведенной от теплового двигателя, на преобразование в абсорбционной холодильной машине в энергию холода, используемую, по крайней мере, для охлаждения атмосферного воздуха перед его сжатием, отличающийся тем, что часть тепловой энергии, отведенной от теплового двигателя, используют для теплоснабжения потребителей, а преобразованную в абсорбционной холодильной машине тепловую энергию в энергию холода используют для холодоснабжения потребителей, при этом при возникновении в периоды неполной загрузки абсорбционной холодильной машины избыточной энергии холода ее используют для охлаждения атмосферного воздуха перед сжатием.

Имя изобретателя: Баженов Александр Иванович (RU), Михеева Елена Владимировна (RU), Хлебалин Юрий Максимович (RU)
Имя патентообладателя: Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Саратовский государственный технический университет (ГОУ ВПО СГТУ)
Почтовый адрес для переписки: 410054, г.Саратов, ул. Политехническая, 77, СГТУ (патентно-лицензионный отдел)
Дата начала отсчета действия патента: 14.05.2009

На сегодняшний день в России уже реализовано несколько подобных проектов. В частности, в Москве системами тригенерации оборудованы Корпоративный университет Сбербанка и недавно построенный стадион «Спартак». Есть и региональные примеры. Так, определённый интерес вызывает тригенерационный энергоцентр крупного торгового центра в Перми, возводимого группой компаний «Кармента».

Строительство пятиэтажного торгового центра на улице Карпинского началось в 2013 году, сдача планируется в начале 2016 года. Общая площадь объекта составляет 29 тыс. м 2 . Необходимое расчётное энергопотребление торгового центра по электричеству составляет 1500 кВт, по теплу — 2700 кВт, по холоду — 1800 кВт.

Для обеспечения энергоснабжения данного объекта проектной организацией ООО «Энергопланнер» были выбраны газопоршневые установки Bosch CHP CE 400 NA мощностью 400 кВт в сочетании с абсорбционными чиллерами LG.

При работе газопоршневой (ГПУ) или газотурбинной (ГТУ) установки с 1 кВт вырабатываемой электроэнергии есть возможность получать от 1 до 2 кВт тепловой энергии в качестве горячей воды. В торговых центрах электрическая нагрузка достаточно равномерная в течение года, а потребность в холоде сопоставима с активной электрической мощностью. Из горячей воды с помощью АБХМ получаем холод со средним коэффициентом 0,75. Таким образом, в зависимости от типа энергоустановок, с их тепла можно получить от 50 до 100 % необходимого холода. В итоге получается чрезвычайно энергоэффективная система. Недостаток тепла, а также резерв обеспечивается обычными водогрейными котлами, КПД которых близок к 99 %.

При разработке принципиальной схемы холодоснабжения рассматривалось использование как парокомпрессионных, так и абсорбционных чиллеров. Выбор был сделан в пользу второго варианта в силу его преимущества как по эксплуатационным, так и по капитальным затратам.

Абсорбционные чиллеры являются экономичными и экологически безвредными. Они просты, надёжны и не имеют в своей конструкции насосы. Их общая термическая эффективность высока — вплоть до 86 %, часть из которой (до 40 %) приходится на электрическую энергию. В тригенераторах на базе двигателей внутреннего сгорания могут использоваться как одноступенчатые, так и двухступенчатые системы. Поскольку когенерационные схемы производят тепло, как правило, в форме тепловой энергии воды, одноступенчатая система является более предпочтительной. Наряду с простотой, подобная схема позволяет утилизировать больше тепла.

Для обеспечения энергоснабжения объекта проектной организацией были выбраны газопоршневые установки Bosch CHP CE 400 NA мощностью 400 кВт в сочетании с абсорбционными чиллерами LG

Одноступенчатые установки на бромиде лития работают на горячей воде низкой (до 90 °C) температуры, тогда как двухступенчатым абсорбционным системам необходимо тепло при температуре около 170 °C, свойственное пару. Одноступенчатая абсорбционная система на бромиде лития способна охлаждать воду до температуры 6-8 °С и имеет коэффициент преобразования холода к теплу около 0,7. Коэффициент преобразования двухступенчатой системы составляет около 1,2. Итак, абсорбционные системы обеспечивают мощность охлаждения, равную 0,7-1,2 мощности, получаемой от источника тепла. При подключении к тригенераторной установке компрессорных холодильных установок можно получить температуры ниже 0 °C.

Характерными чертами тригенерационных установок являются:

• экономичность (для выработки холода используются излишки тепла);
• минимальный износ (простая конструкция АБХМ);
• малошумность;
• экологичность (вода используется в качестве хладагента);
• высокий КИТ.

Абсорбционные холодильные машины (АБХМ) производят охлаждённую воду при использовании двух веществ (например, воды и бромистолитиевой соли), находящихся в термическом равновесии, которые разделяются путём нагрева, а затем снова воссоединяются путём отвода тепла. Целенаправленный подвод и отвод тепла в условиях вакуума при переменном давлении (примерно 8 и 70 мбар) создаёт дисбаланс веществ, таким образом принудительно подвергая их десорбции или абсорбции. Для производства охлаждённой воды в диапазоне температур от 6 до 12 °C обычно используется вода (хладагент) и бромистолитиевая соль (абсорбент). Для выработки низкотемпературного холода до -60 °С используется аммиак (хладагент) и вода (абсорбент).

Особенностью абсорбционных холодильных машин является использование для сжатия паров хладагента не механического, а термохимического компрессора.

Выбор газопоршневой установки осуществлялся по совокупности множества параметров, среди которых рассматривались различные ресурсные показатели, стоимость технического обслуживания, технико-динамические характеристики.

По сравнению с альтернативными вариантами установки Bosch продемонстрировали ряд преимуществ, среди которых более высокий коэффициент полезного действия, составивший 38,5 %, более высокая скорость нагружения и разгружения (40 %), а также более высокие ресурсные показатели до капитального ремонта (44 тыс. часов). Также их значительным преимуществом явилось высокое качество энергоснабжения — автоматически регулируемый показатель cos(qp) с возможностью регулирования подачи реактивной мощности в сеть.

Всего на объекте планируется установить три ГПУ мощностью по 400 кВт и две абсорбционные машины, одна из которых будет оснащена горелочным устройством. Для покрытия пиковых нагрузок теплопотребления планируется установка газового котла Buderus. Также специально для данного проекта в Германии был спроектирован каскадный шкаф управления MMS для обеспечения аварийного режима работы. Что касается экономических показателей проекта, то совокупные капитальные затраты составят порядка 85 млн рублей при сроке окупаемости в пять лет.

Необходимо отметить, что данный проект в сфере тригенерации явился пилотным для компаний-поставщиков оборудования и потребовал решения ряда сложных задач. В частности, определённое время потребовалось для подготовки и получения необходимой документации, проведения обучения для проектной организации, решения вопросов сервисного обслуживания.

«Это знаковый проект, как для нас, так и для компании LG в России. Реализация подобных проектов помогает в полной мере продемонстрировать преимущества технологии тригенерации и качество предлагаемых решений», — комментирует Дмитрий Николаенко, руководитель направления мини-ТЭС компании «Бош Термотехника ».

Об установках Bosch CHP

Газопоршневые установки Bosch CHP являются одним из многочисленных направлений отдела термотехники Bosch. Они производятся в диапазоне мощности от 19 до 400 кВт по выработке электрической энергии. При этом изначальная экономия топлива по сравнению с раздельной выработкой тепловой и электрической энергии может достигать 40 %. Использование данного оборудования позволяет значительно сократить объём выбросов углекислого газа. Установки могут поставляться как готовый, укомплектованный модуль, состоящий из двигателя, соединительных деталей, генератора, теплообменника и контура охлаждения. С помощью системы управления ТЭС может быть скомбинирована с котлом отопления от Bosch, а также с системами охлаждения.

Тригенерация - это комбинированное производство электричества, тепла и холода. Холод вырабатывается абсорбционной холодильной машиной, потребляющей не электрическую, а тепловую энергию. Тригенерация является выгодной, поскольку дает возможность эффективно использовать утилизированное тепло не только зимой для отопления, но и летом для кондиционирования помещений или для технологических нужд. Такой подход позволяет использовать генерирующую установку круглый год.

Тригенерация и промышленность

В экономике, в частности в пищевой промышленности, существует потребность в холодной воде с температурой 8-14 °С, используемой в технологических процессах. В то же время в летний период температура речной воды находится на уровне 18-22 °С (пивоварни, например, используют холодную воду для охлаждения и хранения готового продукта, на животноводческих фермах вода используется для охлаждения молока). Производители замороженной продукции работают с температурами от –18 °C до –30 °С круглогодично. Применяя тригенерацию , холод может использоваться в различных системах кондиционирования.

Концепция энергоснабжения - тригенерация

При строительстве торгового центра в Подмосковье, общей площадью 95 000 м², было принято решение установить когенерационную установку. Проект был реализован в конце 90–ых годов. Энергоснабжение торгового комплекса осуществляют четыре газопоршневых двигателя с электрической мощностью 1,5 МВт и тепловой мощностью 1,8 МВт. Газопоршневые установки работают на природном газе. Теплоносителем является вода, нагретая до 110 °C. Горячая вода используется как непосредственно для отопления, так и для подогрева поступающего извне воздуха. Газопоршневые двигатели снабжены глушителями и нейтрализаторами CO 2 .

Концепция энергоснабжения использует принцип тригенерации . Электричество, тепло и холод производятся совместно. В теплое время года тепло, производимое когенераторной установкой может быть утилизовано абсорбционной холодильной машиной для охлаждения воздуха в помещениях. Таким образом, когенерационная установка производит, в зависимости от времени года, тепло или холод, поддерживая температуру в помещениях постоянной. Это особенно важно для хранения мебели.

Тригенерацию обеспечивают две бром–литиевые абсорбционные холодильные машины, мощностью 1,5 МВт каждая. Стоимость потребленного установками топлива в 2002 г. была в несколько раз меньше стоимости покупки тепла и электроэнергии у монопольной государственной компании. Кроме того, стоимость подключения к городским сетям во многих случаях сравнима со стоимостью самих установок и равна ~1 000$/кВт.

Тригенерация - специфика

Особенностью абсорбционной холодильной установки является использование для сжатия паров хладагента не механического, а термохимического компрессора. В качестве рабочего тела абсорбционных установок используется раствор двух рабочих тел, в котором одно рабочее тело - хладагент , а другое - абсорбент . Одно из рабочих тел, выполняющее роль хладагента, должно иметь низкую температуру кипения и растворяться или поглощаться рабочим телом, которое может быть как жидким, так и твердым. Второе вещество, поглощающее (абсорбирующее) хладагент, называется абсорбентом.

Независимая энергетическая компания «Новая генерация» готова за свой счет в течение 5–6 месяцев установить у Вас на предприятии газопоршневую когенераторную электростанцию мощностью 6,4 МВт, производства «MAN B&W Diesel AG».

Владельцы патента RU 2457352:

Изобретение относится к теплоэнергетике. Способ комбинированного производства электроэнергии, тепла и холода включает преобразование теплоты продуктов сгорания в механическую энергию с помощью теплового двигателя, преобразование механической энергии в электрическую в электрогенераторе, передачу теплоносителя, нагретого в контуре охлаждения теплового двигателя и выхлопных газов с помощью теплообменников, по крайней мере, двух ступеней подогрева, на отопление, горячее водоснабжение и вентиляцию и на получение холода в абсорбционной холодильной машине. Часть теплоносителя отводят на цели горячего водоснабжения, отопления и вентиляции перед теплообменниками второй и/или последующих ступеней подогрева в зависимости от требуемой температуры теплоносителя в системах горячего водоснабжения, отопления и вентиляции. Оставшуюся часть теплоносителя подают после теплообменника последней ступени подогрева в абсорбционную холодильную машину. Предлагаемый способ позволяет повысить холодильный коэффициент и выработку холода АХМ. 2 ил.

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано при комбинированном производстве тепла, холода и электроэнергии.

Известен способ работы передвижной установки комбинированного производства электричества, тепла и холода, в которой генератор преобразует механическую энергию вращающегося вала двигателя в электроэнергию, выхлопные газы, проходящие через теплообменник, отдают тепло жидкостному теплоносителю для теплоснабжения в отопительный период или используются в абсорбционной холодильной машине для холодоснабжения в летний период .

К недостаткам данного способа работы установки можно отнести невысокий КПД, связанный с выбросом в атмосферу существенной части неиспользованной тепловой энергии.

Известен также способ работы установки, в которой двигатель внутреннего сгорания производит полезную энергию, преобразуемую в электрическую энергию с помощью электрогенератора, второй двигатель внутреннего сгорания используется для привода компрессора холодильной машины, вырабатывающей холод в теплый период года. Тепло, утилизированное от рубашки двигателя и выхлопных газов, используется для теплоснабжения потребителей в холодный период года .

Недостатками способа работы данной установки являются неполное использование сбросной теплоты двигателей внутреннего сгорания, дополнительные затраты топлива для работы второго двигателя внутреннего сгорания, используемого для привода компрессора холодильной машины.

Известен способ работы установки, одновременно осуществляющей тепло/холодо- и электроснабжение, в которой теплоснабжение в холодный период осуществляется за счет утилизации теплоты выхлопных газов и охлаждающей жидкости двигателя внутреннего сгорания, механическая энергия вращающегося вала двигателя преобразуется в электроэнергию, холод вырабатывается в теплый период года в компрессионной холодильной машине .

К недостаткам способа работы данной установки можно отнести невысокий КПД из-за недостаточного использования сбросной теплоты двигателя внутреннего сгорания, значительные затраты электроэнергии на работу компрессора холодильной машины.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) является способ работы установки для выработки электроэнергии, тепла и холода, по которому тепловой двигатель производит механическую работу, преобразуемую в электрическую энергию с помощью электрогенератора. Отводимое через теплообменники первой, второй и третьей ступеней подогрева от теплового двигателя сбросное тепло смазочного масла, охлаждающей жидкости и выхлопных газов утилизируется для теплоснабжения потребителей. В теплый период года утилизированное тепло частично используется для обеспечения потребителей горячей водой, а частично подается в абсорбционную холодильную машину для обеспечения холодом системы кондиционирования воздуха .

Однако данное техническое решение характеризуется относительно невысокой температурой теплоносителя (80°С), подаваемого от теплового двигателя, что приводит к снижению холодильного коэффициента и холодильной мощности абсорбционной холодильной машины.

Задачей изобретения является повышение холодильного коэффициента и холодильной мощности за счет повышения температуры теплоносителя, подаваемого в абсорбционную холодильную машину.

Поставленная задача достигается следующим образом.

В способе комбинированного производства электроэнергии, тепла и холода, включающем преобразование теплоты продуктов сгорания в механическую энергию с помощью теплового двигателя, преобразование механической энергии в электрическую в электрогенераторе, передачу теплоносителя, нагретого в контуре охлаждения теплового двигателя и выхлопных газов с помощью теплообменников по крайней мере, двух ступеней подогрева, на отопление, горячее водоснабжение и вентиляцию и на получение холода в абсорбционной холодильной машине, часть теплоносителя отводят на цели горячего водоснабжения, отопления и вентиляции перед теплообменниками второй и/или последующих ступеней подогрева в зависимости от требуемой температуры теплоносителя в системах горячего водоснабжения, отопления и вентиляции, оставшуюся часть теплоносителя подают после теплообменника последней ступени подогрева в абсорбционную холодильную машину.

За счет отвода части теплоносителя на нужды горячего водоснабжения, отопления и вентиляции уменьшится массовый расход нагреваемого теплоносителя, подаваемого в теплообменники последующих ступеней подогрева, а значит при прочих равных условиях без увеличения площади поверхности нагрева повышается температура нагреваемого теплоносителя, вышедшего из этих теплообменников. Увеличение температуры теплоносителя, отводимого в абсорбционную холодильную машину, позволяет повысить ее холодильный коэффициент и, соответственно, холодопроизводительность.

Предложенный способ комбинированного производства электроэнергии, тепла и холода иллюстрируется фиг.1 и 2.

На фиг.1 изображена схема одной из возможных энергетических установок, с помощью которых может быть осуществлен описываемый способ.

На фиг.2 изображена зависимость относительной холодопроизводительности абсорбционной холодильной машины от температур охлаждаемой, охлаждающей и греющей воды.

Энергетическая установка содержит следующие элементы: 1 - воздушный компрессор, 2 - камеру сгорания, 3 - газовую турбину, 4 - теплообменник системы смазки турбины (первая ступень подогрева), 5 - теплообменник охлаждения дисков и лопаток турбины (вторая ступень подогрева), 6 - теплообменник уходящих (выхлопных) газов (третья ступень подогрева), 7 - теплообменник системы теплоснабжения (отопление, вентиляция потребителей), 8 - абсорбционную холодильную машину, 9 - потребитель тепла (отопление и вентиляция), 10 - потребитель холода, 11 - потребитель горячей воды, 12 - сухую градирню энергетической установки, 13 - градирню холодильной машины, 14 - насос контура оборотного водоснабжения холодильника, 15 - насос контура холодоснабжения потребителей, 16 - насос контура горячего водоснабжения потребителей, 17 - насос контура теплоснабжения (отопления и вентиляции), 18 - насос контура охлаждения теплового двигателя, 19 - электрогенератор, 20 - теплообменник системы горячего водоснабжения потребителей, 21, 22, 23 - трубопроводы подачи греющего теплоносителя в теплообменник системы горячего водоснабжения (20), 24, 25, 26 - трубопроводы подачи греющего теплоносителя в теплообменник (7) системы теплоснабжения (отопления и вентиляции), 27 - трубопровод подачи греющего теплоносителя абсорбционной холодильной машины, 28 - контур охлаждения теплового двигателя.

Способ работы установки осуществляется следующим образом.

В компрессоре 1 происходит процесс сжатия атмосферного воздуха. Из компрессора 1 воздух поступает в камеру сгорания 2, куда через форсунки непрерывно под давлением поступает распыляемое топливо. Из камеры сгорания 2 продукты сгорания направляются в газовую турбину 3, в которой энергия продуктов сгорания преобразуется в механическую энергию вращения вала. В электрическом генераторе 19 эта механическая энергия преобразуется в электрическую. В зависимости от тепловой нагрузки установка работает в одном из трех режимов:

I режим - с отпуском теплоты на цели отопления, вентиляции и горячего водоснабжения;

II режим - с отпуском теплоты на горячее водоснабжение и на абсорбционный холодильник;

III режим - с отпуском теплоты на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение и на абсорбционный холодильник;

На I режиме (в холодный период года) теплоноситель, нагретый в теплообменнике системы смазки 4 (первая ступень подогрева), теплообменнике системы охлаждения дисков и лопаток 5 (вторая ступень подогрева) и теплообменнике уходящих (выхлопных) газов 6 (третья ступень подогрева) по трубопроводу 26 подают в теплообменник 7 для отопления и вентиляции потребителей 9 и по трубопроводам 21, и/или 22, и/или 23 на теплообменник горячего водоснабжения 20.

На II режиме (в теплый период года) в зависимости от требуемой температуры в системе горячего водоснабжения часть теплоносителя отводят после теплообменника системы смазки 4 (первой ступени подогрева) и/или теплообменника системы охлаждения дисков и лопаток 5 (второй ступени подогрева) и/или теплообменника уходящих (выхлопных) газов 6 (третьей ступени подогрева) по трубопроводам 21, и/или 22, и/или 23 на теплообменник горячего водоснабжения 20, а оставшийся теплоноситель по трубопроводу 27 подают в абсорбционную холодильную машину 8 для получения холода, используемого для холодоснабжения потребителей 10.

На III режиме (в осенне-весенний период) в зависимости от требуемых температур в системах горячего водоснабжения, отопления и вентиляции часть теплоносителя отводят после теплообменника системы смазки 4 (первой ступени подогрева), и/или теплообменника системы охлаждения дисков и лопаток 5 (второй ступени подогрева), и/или теплообменника уходящих (выхлопных) газов 6 (третьей ступени подогрева) по трубопроводам 21, и/или 22, и/или 23 на теплообменник горячего водоснабжения 20, часть теплоносителя после теплообменника системы смазки 4 (первой ступени подогрева), теплообменника системы охлаждения дисков и лопаток 5 (второй ступени подогрева) и/или теплообменника уходящих (выхлопных) газов 6 (третьей ступени подогрева) по трубопроводам 24, и/или 25, и/или 26 подают в теплообменник 7 для отопления и вентиляции потребителей 9, оставшуюся в контуре охлаждения теплового двигателя 28 часть теплоносителя по трубопроводу 27 подают в абсорбционную холодильную машину 8 для получения холода, используемого для холодоснабжения потребителей 10. Теплоноситель, охлажденный в теплообменниках 7, 8 и 20, насосом 18 передают для нагрева в теплообменники 4, 5, 6. При отсутствии потребности в тепловой энергии избыточное тепло отводится через сухие градирни 12 в атмосферу.

Например, при работе установки во II режиме, в случае отбора теплоносителя на цели горячего водоснабжения после теплообменника третьей ступени подогрева, в абсорбционную холодильную машину по трубопроводу 27 подают теплоноситель с температурой 103,14°С.

В случае отбора 30% теплоносителя на цели горячего водоснабжения после теплообменника второй ступени в абсорбционную холодильную машину подают теплоноситель с температурой 112,26°С, что дает увеличение холодопроизводительности (согласно фиг.2) на 22%.

В случае отбора 30% теплоносителя на цели горячего водоснабжения после теплообменника первой ступени в абсорбционную холодильную машину подают теплоноситель с температурой 115,41°С, что дает увеличение холодопроизводительности (согласно фиг.2) на 30%.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в повышении холодильного коэффициента и холодильной мощности абсорбционной холодильной машины за счет повышения температуры теплоносителя, отведенного из контура охлаждения двигателя. Использование теплоносителя с более высокими параметрами, полученного в результате уменьшения его среднего расхода в контуре охлаждения теплового двигателя за счет отвода части теплоносителя при достижении им требуемой температуры на нужды теплоснабжения, позволяет увеличить холодильную мощность абсорбционной холодильной машины.

Источники информации

1. Патент №2815486 (Франция), опубл. 19.04.2002, МПК F01N 5/02-F02B 63/04; F02G 5/02; F25B 27/00; F25B 30/04; F01N 5/00; F02B 63/00; F02G 5/00; F25B 27/00; F25B 30/00.

2. Патент №2005331147 (Япония), опубл. 02.12.2005, МПК F25B 27/00; F25B 25/02; F25B 27/02; F25B 27/00; F25B 25/00; F25B 27/02.

3. Патент №20040061773 (Корея), опубл. 07.07.2004, МКП F02G 5/00; F02G 5/00.

4. Патент №20020112850 (США), опубл. 22.08.2002, МПК F01K 23/06; F02G 5/04; F24F 5/00; F01K 23/06; F02G 5/00; F24F 5/00.

Способ комбинированного производства электроэнергии, тепла и холода, включающий преобразование теплоты продуктов сгорания в механическую энергию с помощью теплового двигателя, преобразование механической энергии в электрическую в электрогенераторе, передачу теплоносителя, нагретого в контуре охлаждения теплового двигателя, и выхлопных газов с помощью теплообменников по крайней мере двух ступеней подогрева, на отопление, горячее водоснабжение и вентиляцию и на получение холода в абсорбционной холодильной машине, отличающийся тем, что часть теплоносителя отводят на цели горячего водоснабжения, отопления и вентиляции перед теплообменниками второй и/или последующих ступеней подогрева в зависимости от требуемой температуры теплоносителя в системах горячего водоснабжения, отопления и вентиляции, оставшуюся часть теплоносителя подают после теплообменника последней ступени подогрева в абсорбционную холодильную машину.