КОГЕНЕРАЦИОННАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА НА ОСНОВЕ ВОДЯНОГО КОТЛА, СЖИГАЮЩЕГО БИО ТОПЛИВО Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»



n.

G Y O

F

a j omas

КОГЕНЕРАЦИОННАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА НА ОСНОВЕ ВОДЯНОГО КОТЛА, СЖИГАЮЩЕГО БИОТОПЛИВО

А. В. Сударев

ООО «Научно-инженерный центр "Керамические тепловые двигатели" им. А. М. Бойко» (ООО «НИЦ КТД») Полюстровский пр., 15/2, Санкт-Петербург, 195221, Россия Тел.: +7(812)2253453; факс: +7(812)2253453; e-mail: [email protected]

Cogeneration is a process of fuel combustion that allows:

— simultaneous production and supply of heat and electric power;

— simultaneous solution of challenges associated with power saving and environment protection;

— commercialization on the basis of the existing boilers including a bio power fuel firing.

The paper presents a survey of the existing heat schemes for cogeneration plants with the fossil types of the hydrocarbon fuel fired therein. An impracticability of using the naturally sustained bio fuels as a heat power source for the similar power plants is illustrated. Thus, an expediency of update of the operated power-and-heat boilers with bio fuel fired as wood chips to ensure generation of both the heat and electric power is underlined. It is noted that for the sake of the target above outlined it would be necessary to have a ceramic air heater built into the bio boiler design, this component being at the same time a part of the electric generator gas turbine engine drive.

Сударев Анатолий Владимирович

Введение

Разработка и создание устройств, уменьшающих выбросы в атмосферу токсичных газов, таких как N0^., СО, ВО^, стало основным направлением работы научно-технических организаций всего мира, связанных с уменьшением последствий воздействия на окружающую среду глобального использования углеводородного топлива. В особенности в эту работу мировое сообщество включилось с момента принятия Акта о Чистом Воздухе, принятого в 1990 г., и Киотс-кого соглашения, подписанного накануне третьего тысячелетия.

Целью настоящего проекта является снижение валового выброса токсичных газов, содержащихся в выхлопе котельных установок. Это достигается реконструкцией уже эксплуатируемых биоэнергетических котельных, при которой повышается их эффективность за счет выработки электроэнергии без снижения количества поставляемой тепловой энергии.

Биоэнергетика, как наиболее экологически чистое и природоохранное направление генерации энергии, основывается на сжигании древесных отходов. Это прежде всего относится к биоэнергетическим котельным установкам, которые в настоящее время спроектированы и изготов-

лены с целью производства и поставки только тепловой энергии. Следует подчеркнуть, что при такой технологии тепло продуктов сгорания топлива далеко не полностью передается нагреваемой воде, значительная его доля выбрасывается в атмосферу.

В то же время существующая биоэнергетическая технология позволяет реализовать коге-нерацию, если продукты сгорания биотоплива использовать сначала для нагрева воздуха, поступающего, например, в турбину ТЭГ (турбо-электрогенератор), а лишь затем — для нагрева воды. В этом случае тепловая эффективность установки существенно повышается, потребитель получает и электроэнергию и тепло, а владелец котельной — большую прибыль, поскольку стоимость электрической энергии существенно выше стоимости тепловой.

Существующие когенерационные установки

В настоящее время когенерация развивается и используется в виде двух наиболее распространенных тепловых схем.

1. Когенерационные установки на основе газотурбинных двигателей для привода электрогенераторов, выхлопные газы которых используются в качестве теплоносителя для нагрева воды, поступающей в сеть теплофикации (рис. 1).

Доклад на Первом Всемирном конгрессе «Альтернативная энергетика и экология» WCAEE-2006, 21—25 августа 2006 г., Волга, Россия.

Paper at the First World Congress "Alternative energy and ecology" WCAEE-2006, August 21-25, Volga, Russia.

St

W "VW

He

W 20 °C

r(H2Ob - 90 °C

AH

wwv wvw

TT - 600 °C 1;

—I——s Fuel

lccf

c

I I

Air

Рис. 1. Когенерационная газотурбинная установка с унифицированным теплообменным аппаратом «выхлопные газы —вода»: С — компрессор; Т — турбина; ЕО — электрогенератор; — дымовая труба; СС — камера сгорания; АН — воздухоподогреватель; НЕ — теплообменный аппарат для нагрева теплофикационной воды

Рис. 2. Когенерационная установка со сжиганием топлива в потоке выхлопных газов газотурбинного двигателя-привода электрогенератора: С — компрессор; Т — турбина; ЕО — электрогенератор; WB — водяной котел; СС — камера сгорания

2. Когенерационные установки на основе теплофикационных водяных котлов, в которых в качестве окислителя сжигаемого топлива используются выхлопные газы газотурбинных (рис. 2) или дизельных двигателей, приводящих электрогенераторы.

К достоинствам подобных систем относятся высокая эффективность и возможность регулирования соотношения между производством тепловой и электрической энергии.

Основным недостатком эксплуатируемых энергетических когенерационных установок является невозможность сжигать твердое биотопливо, поскольку и газовые турбины и дизельные двигатели работают, как правило, только на газообразном и жидком топливе. Имеющиеся попытки применения твердого топлива в виде угольной пыли приводят к чрезвычайному усложнению конструктивного выполнения и резкому увеличению стоимости двигателей, связаны с проблемами газификации, фильтрации, очистки, нагрева и других операций по подготовке топлива, эррозион-ного износа проточных частей двигателя и т. д. Кроме того, эмиссия токсичных компонентов выхлопа тепловых двигателей в таких установках сравнительно высока.

Когенерационные установки на биотопливе

Целью настоящей работы является повышение эффективности существующих биокотельных установок за счет использования тепла продуктов сгорания биотоплива для производства электроэнергии. На рис. 3 представлена тепловая схема обычных котельных установок, сжигающих твердое биотопливо и поставляющих горячую воду в системы теплофикации жилых домов, промышленных объектов, гостиниц, торговых центров, промышленных предприятий и т. д.

Достоинство такой котельной:

— работа на биоэнергетическом топливе (растительной массе органического происхождения, возникшей в процессе фотосинтеза), например, на древесных отходах.

H2O Gh,O

T - 200 °C

H2O

T - 500 °C

T - 1300°C

T - 20 °C

T - 500 °C

TF - 20 °C

Air

WB

Fuel

Рис. 3. Тепловая схема биокотла на твердом топливе: WB — водяной котел

Недостатки:

— большое количество тепла теряется с высокотемпературными выхлопными газами;

— сравнительно высокая эмиссия токсичных компонентов (N0^., СО, СпИт и др.);

— значительные затраты на покупку электроэнергии, необходимой для привода вспомогательного оборудования биокотла (вентиляторы для подачи первичного и вторичного воздуха, шнеки для подачи твердого топлива в топку, вибраторы топливных бункеров, дымососы, сигнальная и контрольная аппаратура, приборы системы регулирования и управления, освещения и т. д.), общая потребляемая мощность которых достигает 5-10 % от общей тепловой мощности биокотла.

При сжигании в водогрейных котлах газообразного или жидкого топлива переход на ко-генерационную технологию осуществляется сравнительно просто. В этом случае топливо в котел не подается1, процесс горения его в топке не происходит, а генерация горячей воды происходит за счет утилизации тепловой энергии высокотемпературных выхлопных газов из турбо- или дизель-электрогенератора, работающих только на жидком или газообразном топливе.

В случае биокотла, когда сжигаются отходы деревообработки, очистки лесов и т. д., наиболее целесообразно осуществить интеграцию биокотла и газотурбинного двигателя (ГТД), приводящего электрогенератор. В ГТД роль традиционной камеры сгорания играет воздухонагреватель, размещаемый за зоной горения биокотла, т.е. до входа продуктов сгорания в теп-лообменную поверхность нагрева воды (рис. 4).

В модернизированном биокотле между топкой и водяным теплообменником устанавливается воздушный теплообменник, внутрь трубок которого поступает воздух после сжатия в компрессоре.

Этот воздух в теплообменнике нагревается за счет отбора тепла от продуктов сгорания, выходящих из топки котла, и поступает в воздушную турбину, приводящую компрессор и электрогенератор переменного тока. После расшире-

Рис. 4. Тепловая схема когенерационной установки водяной котел + электрогенератор с приводом от ГТД: WB — водяной котел; Т — турбина; С — компрессор; ЕО — электрогенератор; АН — воздухонагреватель; В — байпас

ния в турбине воздух имеет температуру более 750 °С, а давление, близкое к атмосферному и с такими параметрами, поступает внутрь котельного пространства. Общее количество воздуха в модернизированной конструкции, конечно, в 2,5-3,0 раза больше, чем в существующей конструкции, поскольку воздух требуется не только для обеспечения сжигания топлива, но и для работы турбины, приводящей электрогенератор.

Перед поступлением внутрь котла весь воздух разделяется на 2 части:

— первая часть поступает через горелочное устройство в топку котла, при этом воздух подводится точно по тем же каналам и отверстиям и точно в том же количестве, что и в существующей конструкции, то есть с коэффициентом избытка воздуха 1,3-1,5, поэтому рабочий процесс выгорания никак не нарушается; он может быть только несколько лучше, поскольку более высокая температура поступающего воздуха (не 20 °С, а более 750 °С), приведет к более полному выгоранию древесных отходов;

— вторая часть поступает в количестве, необходимом для турбины, в пространство на входе в воздушный теплообменник, то есть практически за зоной выгорания древесного топлива. В этой зоне за топкой котла, в случае существующей конструкции (при коэффициенте избытка воздуха 1,3-1,5), температура составит около 900 °С, то есть продукты сгорания будут примерно на 900 °С иметь температуру больше, чем поступающий в зону горения воздух. Поскольку коэффициент избытка воздуха в модернизи-

1 При необходимости может быть предусмотрена и автономная работа котла в те периоды, когда Потребитель нуждается только в поставке тепла.

H2O

рованнои конструкции тот же, что и в существующей, то подогрев рабочей среды в зоне горения сохранится и составит те же самые 900 °С, а значит, температура за зоной сгорания составит более 1600 °С. Для того, чтобы обеспечить условия работы водяного теплообменника, такие же, как в существующей конструкции, необходимо снизить эту температуру. Это достигается за счет разбавления продуктов сгорания воздухом, поступающим из выхлопа турбины (давление примерно 0,11 МПа, температура более 750 °С). В этом случае определяющим параметром является температура на выходе из воздушного теплообменника, то есть перед водяным теплообменником.

Как следует из описания приведенного сравнения, в модернизированной конструкции, полностью сохраняются все необходимые условия для обеспечения:

— нормального протекания рабочих процессов в топке котла;

— заданных температур воды на выходе из водяного теплообменника;

— нормальной работы силовых элементов конструкции котла.

Следует отметить, что для осуществления когенерации с сжиганием твердого биотоплива в топке котла воздух для вращения турбины турбогенератора и обеспечения ее приемлемой экономичности должен иметь температуру не ниже 800-850 °С. Учитывая, что температура продуктов сгорания, нагревающих воздух, около 1100-

1300 °С, получим среднее значение температуры материала теплопередающих трубок воздухоподогревателя на уровне порядка 950-1050 °С.

Отсюда следует, что надежность работы ко-генерационной установки может быть обеспечена при применении для нагрева воздуха керамических теплообменников.

Такие поверхности нагрева разработаны на базе керамических труб с наружным оребрением разной геометрии (рис. 5), технология производства которых освоена применительно к ГТД для газовой промышленности, автомобильного транспорта и т. д. [1-3].

Для реконструкции биоэнергетических котельных и превращения их в когенерационные низкоэмиссионные и высокоэффективные установки для одновременного производства тепловой и электрической энергии необходимы также турбо-электрогенераторные установки мощностью не менее 5-10 % от тепловой мощности водяного котла при производстве электроэнергии только для обеспечения собственных вспомогательных систем и оборудования. При подаче электрической энергии внешним потребителям электрическая мощность когенерационной установки может достигать 30-50 % тепловой мощности котла.

Технико-экономическое сравнение

В качестве примера в таблице приведены результаты технико-экономических расчетов котельной биоустановки до и после проведения модернизации.

С её

Рис. 5. Трубы с поперечным (а) и продольным (Ь, с) наружным оребрением, с ребристым (Ь) и комбинированными турбулизаторами; матрица моделей теплообменной поверхности из семи (ф, девятнадцати (е) и двадцати пяти (£) оребренных труб; модуль теплообменной поверхности из девятнадцати оребренных труб (ё)

b

f

Таблица 1

Технико-экономические расчеты сравнения водяного биокотла (ВБК) в существующей конструкции и когенерационной установки (ВБК+ТЭГ)

Варианты Примечание

Обозна- 1 — водяной

№ п/п На имено вание Размерность биокотел (ВБК)

1 2 3 2, 3 — ВБК +

турбо-

генератор

1. Исходные данные

Топливо

1.1 - плотность Qf т/м3 0,65

- влажность - стоимость Wf Cf % Euro/т 8-10 53,3

1.2 Проектная тепловая мощность Nd кВт 120 —

1.3 Суммарная потребляемая мощность электрооборудования Na кВт 1,95 — —

1.4 Годовая наработка Ty час/год 5040 —

1.5 Поставленная тепловая энергия Etv МВт/год 317 —

1.6 Годовой расход топлива на получение тепловой энергии Bfy т/год 67,50

1.7 Стоимость тепловой энергии Ct Euro/МВт 30 —

1.8 Стоимость потребляемой электроэнергии Се Euro/МВт 70 —

1.9 Расход воздуха через ВБК Gc Кг/с 140 196 —

1.10 Степень повышения давления воздуха Ptc — 1,1 3,0 5,0

1.11 Температура за жаровой трубой Tto2 K/ч 1373/1100 1573/1300 —

1.12 КПД вентилятора (компрессора) EffC % 65 (65) —

1.13 КПД электродвигателя Effd % 65 —

1.14 КПД турбины Efft % — 70 —

1.15 Степень регенерации рекуперативного воздухоподогревателя (ВП) Er % 0 80 —

1.16 Суммарные потери давления AE % 12,68 16,99 —

1.17 Степень байпасирования ВП V % — 20 —

1.18 Тепловой КПД ВБК Effe % 65

1.19 КПД электротурбокомпрессора Eet2 % — 30 —

2. Экономические показатели

2.1 Среднегодовая тепловая мощность Nt кВт 62,90 62,84 61,67 Nt= Ety/ Ty

2.2 Поставляемая энергетическая мощность Ne кВт — 8,15 13,19 —

2.3 Удельный расход топлива при выработке тепловой энергии bft Кг/кВт-ч 0,213 bft=Bft/Ety

2.4 КПД ТЭГ Пе % — 30 —

2.5 Удельный расход топлива при выработке электроэнергии bfe Кг/кВт-ч — 0,462 bfe= bft nt/ Пе

Годовой расход топлива на получение:

2.6 - тепловой энергии Bft т/год 6,75 67,46 66,20 Bft = bft-Ty-Nt

- электроэнергии - суммарный Bfe Bfy т/год т/год 6,75 18,98 86,44 30,71 96,41 Bfe = bfe-Ty-Ne Bfy = Bft+ Bfe

2.7 Затраты на: - топливо Cfy Euro/год 3598 4607 5166 Cfy = CfBfy

- покупку электроэнергии - суммарные Cfe Cy Euro/год Euro/год 688 4286 4607 5166 Cfe = Се-Na Cy Cfv+ Cfe

2.8 Выручка за продажу: - тепловой энергии Ct Euro/год 9510 9501 9325 Ct= Ct-Ty-Nt

- электроэнергии - суммарная Ce CSy Euro/год Euro/год 9510 2875 12376 4653 13978 Ce=Ce-Ty-Ne

2.9 Прибыль: - абсолютная AC Euro/год 5224 7769 8812 AC= C^y — Cy

- относительная AC 1 1,487 1,687 AC = AC/AC1

Заключение

Как следует из результатов расчетов экономической эффективности при использовании БВК для одновременной выработки тепловой и электрической энергии, рентабельность установки в 1,51,7 раза выше, чем для исходного варианта. Конечно, это связано, прежде всего, с существующим соотношением цен на данные виды энергии.

Список литературы

1. Soudarev A. V., Souryaninov A. A., Souda-rev B.V. Compact tubular ceramic heat exchangers for micro gas turbine engines, Advanced Computational Methods in Heat Transfer VIII. 2004 WIT Press. P. 253-261.

2. Soudarev A. V., Tikhoplav V. Yu. Research-Engineering Center "Ceramic Heat Engines (NIZ KTD) at the Research-Technological Institute for Power Engineering (NITI EM)" / Edited by Mark van Roode, M. K. Ferber, D. W. Richerson. Gas Turbine Design and Test Experience, Progress in Ceramic Gas Turbine Development. ASME PRESS.

2002. Vol.1. Ch. 32. P. 683-707.

3. Soudarev A. V., Grishaev V. V. Structural Alumino-Boron-Nitride Ceramic Material for Gas Turbine Engine Application / Edited by Mark van Roode, M. K. Ferber, D. W. Richerson. Gas Turbine Design and Test Experience. Progress in Ceramic Gas Turbine Development. ASME PRESS.

2003. Vol.2. Ch. 13. P. 245-257.