CC BY
834
УДК 621.432
В. Р. ВЕДРУЧЕНКО В. В. КРАЙНОВ Н. В. ЖДАНОВ М. В. КОКШАРОВ Д. К. КУЗНЕЦОВА
Омский государственный университет путей сообщения
ВЫБОР СХЕМЫ УТИЛИЗАЦИИ ТЕПЛА ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ ПОРШНЕВЫХ ДВС И ОЦЕНКА ПОЛЕЗНОГО ТЕПЛОИСПОЛЬЗОВАНИЯ В СОСТАВЕ КОГЕНЕРАЦИОННОЙ УСТАНОВКИ
Показана актуальность использования в малой энергетике когенерационных установок. Сформулированы их преимущества как технологические, так и технико-экономические. Выполнен технологический анализ наиболее распространенных схем утилизации отработавших газов поршневых ДВС, позволяющий более обоснованно принять схемное решение на первичном этапе проектирования установки когенерации и принятия технического решения. Приведена методика оценки использования тепла отработавших газов газопоршневой установки при различных условиях.
Ключевые слова: когенерация, газопоршневая установка, теплота, теплоснабжение, утилизация, комбинированное производство энергии.
В октябре 2013 года в Омске, в научном центре Сибирского отделения РАН, прошел научный семинар на тему «Перевод котельных на процесс когенерации». На нем выступили ученые с докладами о модернизации омской муниципальной теплоэнергетики [1]. Когенерация — это комбинированный процесс одновременного производства тепла и электроэнергии одним устройством. Когенера-торы эффективно используют первичный источник энергии (обычно это дизельный двигатель внутреннего сгорания (ДВС), конвертированный для работы на газовом топливе) и электрогенератор, которые предназначены для получения двух форм энергии — электрической и тепловой. Такие установки обладают рядом особенностей: дешевой электрической и тепловой энергией, близостью к потребителю, отсутствием необходимости в дорогостоящих линиях электропередач и подстанции, экологической безопасностью и др.
Вложения в когенерационные установки экономически целесообразны, т. к. проект быстро окупится, а стоимость получаемой суммарной энергии ниже рыночной более чем в два раза. Сейчас в Омске и области на когенерацию переведены и переводятся, а также строятся котельные ряда промышленных предприятий [1].
В техническом отношении когенерация представляет собой процесс, при котором тепло и электричество вырабатываются одновременно в одной установке (чаще газопоршневой электростанции). Таким образом, когенерация представляет собой оптимальный способ обеспечения потребителей тепловой и электрической энергией. Принцип коге-
нерации лежит в основе различных современных технических и схемных решений.
Основой конструкции газопоршневой электростанции (ГПЭ) является газопоршневой двигатель внутреннего сгорания и электрический генератор. Двигатели (чаще всего дизели) могут применяться в установках, предназначенных как для постоянных, так и для переменных условий работы.
Конструкция поршневого двигателя внутреннего сгорания на базе дизеля, работающего на газовом топливе, менее подвержена износу за счет отсутствия в газообразном топливе абразивных частиц. Особенно это проявляется на малых нагрузках и холостом ходу.
Когенерационная газопоршневая станция (тепловая установка когенератора) способна обеспечить теплом и электроэнергией жилой дом или промышленное предприятие — в зависимости от их технических характеристик (потребности). При наличии газовой магистрали когенератор может осуществлять бесперебойную подачу электроэнергии. Себестоимость электроэнергии будет ниже тарифа в сети.
Преимуществами газопоршневых электростанций являются простота в использовании и, пока, невысокая стоимость газового топлива. В районах с магистральным газопроводом газопоршневая электростанция выступает в качестве самого экономичного постоянного или резервного источника энергии.
Когенерационные установки вырабатывают два типа энергии: электрической в виде переменного трехфазного тока с частотой 50 Гц, тепловой в виде
Раздельное производство тепло-и электроэнергии
Комбинированное производство тепло- и электроэнергии
Потери <;:;30;%
гч Количество энергии
в подаваемом ^^ топливе
№
Рис. 1. Распределение статей теплового баланса при раздельном и комбинированном производстве энергии
горячей воды или пара. Коэффициент полезного использования топлива (природного газа) в когенера-ционных установках может достигать в зависимости от конструкции основного и вспомогательного оборудования — 92 %. Тепловая энергия, которая выбрасывается поршневым ДВС в атмосферу с выхлопными газами, в когенерационных установках утилизируется (в котле-утилизаторе) и направляется на нужды потребителя.
Использование принципа когенерации позволяет потребителю стать независимым от перебоев в снабжении электроэнергией или ее недостатка при одновременном автономном теплообеспечении. С учетом постоянной тенденции ежегодного роста стоимости электрической энергии, применение ко-генератора дает значительный экономический эффект — снижение затрат на тепло и электроэнергию до 2,8 раза [1].
На рис. 1 приведена схема распределения статей теплового баланса при разных способах производства энергии. Откуда следует, что при комбинированном способе производства энергии потери уменьшаются.
Однако теплота, выделяющаяся при сгорании топлива в двигателе внутреннего сгорания, как привода в системе «ГП ДВС — электрический генератор», составляющей техническую основу газопоршневой когенерационной установки, только частично преобразуется в полезную работу, большая часть ее, примерно 55 — 65 %, теряется с выпускными газами и охлаждающей жидкостью [2 — 5].
Теряемая с выпускными газами теплота имеет высокий температурный уровень, поэтому ее легко можно утилизировать [2 — 5]. Потери теплоты зависят от температуры выпускных газов, суммарного коэффициента избытка воздуха и колеблются у разных поршневых двигателей на номинальном режиме в пределах 28 — 43 %.
Температура газов в выпускном коллекторе поршневых двигателей различных типов при номинальной нагрузке равна [2 — 5]: для четырехтактных дизелей:
без наддува...............................................360 — 410°С
с надувом..................................................380 — 450°С
для двухтактных:
с наддувом и контурной продувкой...270 — 380°С с прямоточно-клапанной продувкой....360 — 380°С Суммарный коэффициент избытка воздуха для четырехтактных дизелей лежит в пределах 2,0 — 2,7, а для двухтактных — 3,0 — 3,5.
Для определения количества теплоты выпускных газов двигателей, которую можно использовать в схемах утилизации при работе двигателей на долевых нагрузках, необходимо знать характер изменения потери теплоты, относительное значение которой выражается формулой [2]:
Чг =
((« • ¿шш + 1)- Ср • К !>:
• Св • £
шт р в
он
(1)
где а — коэффициент избытка воздуха;
Ьш.п — теоретически необходимое количество воздуха, м3/кг;
Сг и св — соответственно объемные тепло-р р
емкости газа и воздуха, кДж/(м3К);
I и I — соответственно температура выпускных газов и воздуха, К;
Qн — низшая теплота сгорания топлива, кДж/кг.
В поршневых двигателях с наддувом, несмотря на то что часть энергии выпускных газов используется в газовой турбине, потеря теплоты с газами несколько больше, чем в двигателях без наддува. Последнее объясняется тем, что в турбине преобразуется незначительная часть тепловой энергии выпускаемых газов и срабатываемая в ней теплота в основном зависит от разности давления газов на входе в турбину и на выходе из нее, в то же время уменьшается потеря ее с охлаждающей жидкостью.
Теплота, теряемая с выпускными газами на эксплуатационном режиме, будет:
а = яЪ ■ N
(2)
где Ме — эффективная мощность на эксплуатационном режиме, кВт;
д'м — удельное количество теплоты выпускных газов, кДж/кВт-ч, которое зависит, в том числе,
от низшей теплоты сгорания используемого топлива и его удельного расхода [2].
Эту теплоту нельзя использовать полностью, так как значительное снижение температуры выпускных газов за утилизационным устройством из-за развитых площадей поверхности теплообмена увеличивает аэродинамическое сопротивление выпускного тракта.
Как показали испытания четырехтактных дизелей [2], увеличение противодавления до 5000 Па не ухудшает их работы. Исходя из этих условий следует проектировать утилизационное устройство (котел), работающее на выпускных газах [2 — 7].
При проектировании утилизационных устройств нужно учитывать, что температура выпускных газов должна быть выше точки росы серной кислоты. Точку росы можно рассчитать по формуле [2, 6, 7]:
(р = ^ + 98,5 • ^ ,
(3)
где ts — температура конденсации водяных паров, соответствующая их парциальному давлению в выпускных газах, 0С;
— приведенное содержание серы в топливе, %.
При максимальном использовании теплоты выпускных газов их температуру за утилизационным устройством на номинальном режиме можно принимать равной выражению:
^ = ^ +Atн,
(4)
где Д^ — разность температур стенки и выпускных газов, обеспечивающая достаточно эффективный теплообмен, 0С. Значения Дtн принимаются не менее 25 0С [2, 3].
Дальнейшее повышение экономичности газопоршневых установок в составе схемы когенерации котельной установки может быть достигнуто более рациональным использованием тепла выпускных газов и тепла, отводимого водой, охлаждающей двигатель.
Заметим, что средние температуры охлаждающей воды составляют в обычной замкнутой системе охлаждения 65 —700С; в высокотемпературной системе охлаждения двигателя 100—1200С [2, 3, 5].
Тепло, отводимое отработавшими газами, может быть использовано в утилизационных котлах для получения горячей воды или пара, потребляемых для отопления, работы турбогенератора и др. [2, 3, 5].
Утилизационные установки различают по параметрам получаемого пара, по типу применяемых утилизационных котлов и их компоновке. Утилизационные котлы генерируют пар, насыщенный или перегретый, давлением 0,2—1,4 МПа. По типу утилизационные котлы делятся на газотрубные, водотрубные с естественной циркуляцией, водотрубные с многократно принудительной циркуляцией и комбинированные. По компоновке утилизационные котлы делятся на простые (имеющие только испарительную поверхность нагрева) и развитые (котлы, имеющие испарительную поверхность нагрева, экономайзер, перегреватель, водоподогреватель). Некоторые принципиальные схемы утилизационных установок приведены на рис. 2 [3].
На рис. 2а приведена схема простейшей утилизационной установки. Питательный насос 9 подает конденсат использованного пара в сепаратор 7, где он нагревается до температуры насыщения. Циркуляционный насос 8 подает воду в утилизационный котел 1, где она превращается в смесь воды и пара.
8 1 9
8 1 9
8
9
Рис. 2. Принципиальные схемы утилизационных установок для дизелей: 1 — утилизационный котел; 2, 7 — сепараторы; 3, 6 — подогреватели питательной воды; 4, 8 — циркуляционные насосы;
5 — испаритель низкого давления; 9 — питательный насос
Пароводяная смесь поступает в сепаратор, и отделившийся пар отводится к потребителям.
Использование насыщенного пара для работы в турбине вызывает эрозию лопаток последних ступеней турбины из-за недопустимой влажности пара в конце процесса расширения. В связи с этим желательно генерировать пар таких параметров, чтобы в конце процесса расширения пара в турбине влажность не превышала 12 %. Для этого в утилизационных котлах производят перегрев пара.
На рис. 2б приведена схема развитой достаточно современной утилизационной установки.
Из сборника конденсата питательный насос 9 подает воду через подогреватель 6 в экономайзер, где питательная вода нагревается до температуры на 12—150С ниже температуры насыщения. Циркуляционный насос 8 подает из сепаратора 7 воду в испарительную часть котла, а из нее пароводяная смесь поступает в сепаратор. Паропроизводитель-ность таких установок больше производительности установок без экономайзера. С целью получения части перегретого пара для питания турбогенератора в первом газоходе утилизационного котла установлен пароперегреватель.
В целях предотвращения низкотемпературной коррозии хвостовых поверхностей нагрева, т.е. чтобы температуры стенки труб экономайзера не была ниже точки росы и не происходила конденсация водных паров, содержащихся в газах, питательная вода перед поступлением в экономайзер нагревается в паровом подогревателе 6 до температуры 100— 1050С.
Необходимую температуру стенок труб экономайзера также можно обеспечить применением экономайзера с многократно принудительной циркуляцией. Схема такой установки изображена на рис. 2в.
Циркуляционный насос 8 подает из сепаратора 7 воду через подогреватель 6 в экономайзер 1. Циркуляционная вода служит греющей средой в подогревателе и она до поступления в экономайзер охлаждается, а питательная вода, подаваемая питательным насосом 9, нагревается до температуры ниже температуры насыщения на 10—150С и поступает в сепаратор 7.
В последнее время устанавливают утилизационные котлы с многократно принудительной циркуляцией. В качестве сепараторов используют пароводяные коллекторы.
Применение отдельных сепараторов увеличивает габариты и вес установки, однако при этом обеспечивается автономность работы утилизационного котла.
Комбинированные котлы с принудительной циркуляцией не применяют вследствие того, что трудно обеспечить надежную работу циркуляционного контура при дополнительном сжигании топлива на различных режимах.
Потребители тепла можно обеспечить, используя пар низкого давления, получаемого дросселированием пара повышенного давления, при этом происходит потеря эксергии, из-за чего снижается экономичность установки.
Пар низкого давления можно также получить в отдельном контуре, установленном в хвостовой части утилизационного котла. На рис. 2г изображена схема двухконтурной утилизационной установки. Пар повышенного давления, генерируемый в первом контуре, обеспечивает работу турбогенератора, а пар низкого давления, генерируемый
во втором контуре, используется для тепловых потребителей.
При питании турбогенератора паром давлением 1,2—1,4 МПа можно также обеспечить потребители паром давлением 0,15 — 0,25 МПа, отбираемым из турбины.
Пар низкого давления можно получить, используя испаритель, в котором греющей средой является вода, циркулирующая в контуре многократной циркуляции.
На рис. 2д изображена схема такой утилизационной установки. Питательный насос 9 подает воду через подогреватель 3, после которого питательная вода разветвляется на два потока. Один поток поступает в испаритель 5, где превращается в пар низкого давления, а второй направляется во вторую ступень подогрева — подогреватель 6, а из него в сепаратор 7. Циркуляционный насос 8 подает воду из водяного пространства сепаратора через подогреватель 6, испаритель 5, подогреватель 3 в экономайзер котла. Поскольку циркуляционная вода служит в теплообменниках 6, 5, 3 греющей средой, она до поступления в экономайзер охлаждается. Охлаждение циркуляционной воды дает возможность лучше использовать теплоту газов в хвостовой части котла.
Насыщенный пар повышенного давления из сепаратора 7 поступает в пароперегреватель, а из него в турбогенератор.
Таким образом, в этой установке генерируется пар двух давлений: перегретый пар повышенного давления для питания турбогенератора и насыщенный пар низкого давления для питания потребителей пара.
Применение утилизационных установок, генерирующих пар двух давлений, практически возможно, если имеются потребители пара давлением 0,64-1,6 МПа и пара давлением 0,15-0,25 МПа.
Паропроизводительность утилизационного котла определяют из уравнения теплового баланса котла [3]:
' (К - Ьух)
К - Кпв
(5)
где Б — паропроизводительность котла, кг/ч;
Е — коэффициент, учитывающий потерю тепла в окружающую среду (0,95-0,97);
Л , Л — соответственно энтальпия пара и пита-
п пв 1
тельной воды, кДж/кг;
Л, Лух — соответственно энтальпия газа, поступающего в котел и уходящего из котла, кДж/кг. Энтальпию газа можно определить по графику работы
[3];
С — количество газа, кг/ч
Gг = (1 • Ь0) - Ье - ,
(6)
где Ьд — теоретически необходимое количество воздуха для сжигания 1 кг топлива, кг/кг.
аа — суммарный коэффициент избытка воздуха; Ье — удельный эффективный расход топлива двигателем, кг/кВтч;
N — эффективная мощность двигателя, кВт. Количество газа можно также определить по формуле [4, 5]:
G = д ■ Ь ■ N
г с/ г е е
(7)
№
где дг — количество газов, образующееся при сжигании 1 кг топлива.
Зависимость дг от температуры выпускных газов tг и доли тепла, отводимого выпускными газами, аг в форме графиков также приведена в [3].
Из формулы (5) видно, что паропроизводитель-ность утилизационного котла зависит от температуры газа перед и за котлом, от параметров получаемого пара и температуры питательной воды. Температура газа перед котлом зависит от типа и нагрузки двигателя, а температура газа за котлом определяется из условия наличия минимально необходимой разности температуры газа после испарительной поверхности нагрева котла и температуры насыщенного пара при рабочем давлении в котле, которая составляет 30 — 400С, т.е.:
С>0, кДж/ч
tг = ^ + (30 + 40)°С,
(8)
Кэ = - (12 15).
(9)
Gт ■ (К - ^^ = D ■ (К - Кв.з).
Так как
D ■ (Кэ - кв) = Gг ■ (Лн - Иух) ■ $,
то отсюда получим:
К = -
^ • (Кэ - К) G г
(10)
(11)
(12)
О0 = 0,85 • Negгср (Твх - Т % , кДж/ч,
(13)
где tг — температура газа за испарительной поверхностью нагрева;
t — температура насыщенного пара при заданном давлении в котле.
В утилизационных котлах, не имеющих экономайзеров, tг = ^ .
Для предотвращения парообразования в экономайзере обычно принимают температуру воды на выходе из экономайзера на (12—15)0С ниже температуры насыщения, т.е. энтальпия воды на выходе из экономайзера:
370 736 1100 1471 1844 кВт
(500) (1000) (1500) (2000) (2500) (л.с.)
Рис. 3. Зависимость максимального количества тепла, которое может быть использовано из отходящих газов дизеля, от его мощности
Температура уходящих газов в котле с экономайзером определяется следующим образом: по температуре насыщения t определяют температуру газа и энтальпию газа за испарительной поверхностью нагрева котла, а затем определяют па-ропроизводительность котла из равенства:
По найденному значению энтальпии Л^ определяют температуру уходящих газов, например, по графику работы [3].
Максимальное количество тепла, которое можно получить из отработавших газов, зависит от типа двигателя и режима его работы, а также от рода используемого топлива [8].
Количество же тепла, потребного для потребителей, зависит от назначения теплоисточника (котельной).
На рис. 3 показана зависимость максимального количества тепла О0 , которое может быть использовано из отходящих газов поршневого ДВС, от мощности последнего [4].
Значение О0 также можно определить по формуле [4]:
Рис. 4. Схема котельной установки с максимальным использованием тепла отходящих газов дизелей: 1 — дизели; 2 — газопроводы отработавших газов дизелей; 3 — паровой утилизационный двухбарабанный водотрубный котел; 4 — пароперегреватель; 5 — насыщенный пар в пароперегреватель; 6 — паропроводы насыщенного пара для отопления и прочих нужд; 7 и 8 — насыщенный пар для отопления и других нужд; 9 — электрогенератор, обеспечивающий электроэнергией все потребители; 10 — конденсатор паровой турбины; 11 — присадочная вода; 12 —сбор конденсата; 13 — деаэратор; 14 — конденсатный насос; 15 — паровая вспомогательная конденсационная турбина; 16 — регулятор расхода пара; 17 — питательный котельный насос; 18 — питание котла
составляет около 6,2 — 6,8 кг/кВтч и у двухтактных около 11 — 12,3 кг/кВтч,
ср — весовая теплоемкость газов, принимаемая в среднем 1,05—1,13 кДж/кг град;
Т и Т
температура газов соответственно
где N — мощность двигателя, кВт;
дг — удельное количество газов, выходящих из двигателя, которое у четырехтактных дизелей
при входе в котел и при выходе из него;
^ — коэффициент потери тепла в окружающую среду.
Схема такой котельной установки с максимальным использованием тепла отходящих газов поршневых двигателей приведена на рис. 4 [4, 5].
Выводы.
1. Первичным источником энергии когенераци-онной установки может являться поршневой двигатель внутреннего сгорания, работающий как на газовом топливе, так и на жидком (нефтяном либо альтернативном).
2. Выбор тепловой схемы установки определяется для конкретного случая условиями размещения, видом топлива для первичного поршневого двигателя, потребной нагрузкой и режимами эксплуатации системы.
3. Системы когенерации с поршневыми ДВС целесообразно использовать при реконструкции выработавших ресурс муниципальных котельных, либо как самостоятельные тепло- и электроисточники небольшой мощности.
4. Существует теоретически обоснованное максимально возможное количество тепла утилизации отработавших газов поршневых ДВС в зависимости от их мощности.
Библиографический список
1. Кручинский, П. В курсе. Экономика. В Омской мэрии продолжают развивать идею когенерации [Текст] / П. Кручинский // Ваш Ореол. — 2013. — 28 октября.
2. Селиверстов, В. М. Экономия топлива на речном флоте [Текст] / В. М. Селиверстов, М. И. Браславский. — М. : Транспорт, 1983. - 231 с.
3. Перельман, Р. С. Судовые энергетические установки. Энергетика [Текст] / Р. С. Перельман. — Одесса : Феникс, 2006. — 92 с.
4. Иконников, С. А. Силовые установки речных судов [Текст] / С. А. Иконников, Ф. Д. Урланг. — М. : Транспорт, 1971. — 248 с.
5. Овсянников, М. К. Судовые дизельные установки : справ. [Текст] / М. К. Овсянников, В. А. Петухов. — Л. : Судостроение. — 424 с.
6. Двойнишников, В. А. Конструкция и расчет котлов [Текст] / В. А. Двойнишников, Л. В. Деев, М. А. Изюмов. — М. : Машиностроение, 1988. — 264 с.
7. Котлы-утилизаторы и энерготехнологические агрегаты [Текст] / А. П. Воинов [и др.] ; под ред. Л. Н. Сидельковского. — М. : Энергоатомиздат, 1989. — 272 с.
8. Ведрученко, В. Р. Альтернативные виды топлива для судовых дизелей : моногр. [Текст] / В. Р. Ведрученко, И. И. Малахов. — Омск : Омский ин-т водного транспорта, 2012. — 172 с.
>
ВЕДРУЧЕНКО Виктор Родионович, доктор технических наук, профессор (Россия), профессор кафедры теплоэнергетики.
Адрес для переписки: vedruchenkovr@mail.ru КРАЙНОВ Василий Васильевич, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры теплоэнергетики.
Адрес для переписки: KrainovVV@omgups.ru ЖДАНОВ Николай Владимирович, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры теплоэнергетики.
Адрес для переписки: zhdanov-n@mail.ru КОКШАРОВ Максим Валерьевич, старший преподаватель кафедры теплоэнергетики. КУЗНЕЦОВА Дарья Константиновна, студентка гр. 30ж теплоэнергетического факультета. Адрес для переписки: dashoshok@gmail.com
Статья поступила в редакцию 01.10.2014 г. © В. Р. Ведрученко, В. В. Крайнов, Н. В. Жданов, М. В. Кокшаров, Д. К. Кузнецова
Книжная полка
621.316/А22
Автоматизация систем управления электрохозяйством предприятия : учеб. текстовое электрон. изд. локального распространения : учеб. пособие / Е. Г. Андреева [и др.]. - Омск : ОмГТУ, 2014. - 1 о=эл. опт. диск (CD-ROM). - ISBN 978-5-8149-1855-0.
Представлены краткие теоретические сведения в области релейной защиты и автоматики: основные виды релейных защит (максимальная токовая, токовая направленная, дистанционная), функциональные части релейной защиты, принцип действия различных видов реле, устройства АПВ и АВР, защита и автоматика двигателей. Учебное пособие предназначено студентам, обучающимся по направлениям бакалавриата 140600.62 «Электротехника, электромеханика и электротехнологии», 140400.62 «Электроэнергетика и электротехника», а также специальности 140610 «Электрооборудование и электрохозяйство предприятий, организаций и учреждений», очной и заочной форм обучения.
621.318/Д46
Динамика электромагнита переменного тока : учеб. текстовое электрон. изд. локального распространения : учеб. пособие / А. С. Татевосян [и др.]. - Омск : ОмГТУ, 2014. - 1 о=эл. опт. диск (CD-ROM). -ISBN 978-5-8149-1867-3.
Содержит краткое изложение теории по динамике электромагнитов переменного тока и методов построения соответствующих математических моделей в комплексе пакетов программ е1с^ и Matlab/ Бш^тк. Дано описание экспериментального стенда и методики исследования динамических характеристик контактора переменного тока. Предназначено для студентов, обучающихся по направлению 13.03.02 (140400) «Электроэнергетика и электротехника» (профиль подготовки «Электрические и электронные аппараты»), изучающих дисциплины «Комплексы и системы электромеханических и электронных аппаратов», «Компьютерное моделирование электрических цепей, электромагнитного поля, тепловых полей» и др.
