Реферат Автономные источники теплоснабжения
Работа добавлена на сайт bukvasha.net: 2015-10-28Поможем написать учебную работу
Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
от 25%
Подписываем
договор
Автономные источники теплоснабжения
Альтернативные источники от мини-ТЭЦ
Сегодня актуальной является проблема тепло- и электроснабжения объектов от альтернативных источников, в частности от мини-ТЭЦ малой и средней мощности.
С этой целью принимаются меры по реконструкции котельных в мини-ТЭЦ, создаются источники на базе газотурбинных установок, используются турбины с противодавлением, двигатели внутреннего сгорания.
Анализ производства тепловой энергии в производственно-отопительных котельных показывает, что есть возможности повышения эффективности их работы за счет утилизации бросовой энергии, например, при дросселировании водяного пара.
С этой целью авторами предлагается заменить на действующих производственно-отопительных котельных, где давление генерируемого пара составляет 1,3—1,4 МПа (тогда как для технологии необходимо 0,3—0,7 МПа), редукционно-охладительные установки на мини-турбины с противодавлением. Это позволит полезно использовать бросовую энергию дросселирования для получения электроэнергии.
Если установка противодавленческих турбин возможна только в котельных установках с паровыми котлами, то установка теплофикационных газотурбинных установок возможна в котельных и с водогрейными котлами при условии наличия дополнительных рабочих площадей.
Проблемными являются вопросы размещения дожимающих газокомпрессорных станций (требуемое давление в камере сгорания 1,8—2,5 МПа).
Как показывают исследования, в децентрализованных системах теплоснабжения целесообразна реконструкция котельных с размещением в них газотурбинных установок небольшой мощности и утилизацией продуктов сгорания в топках существующих котлов (так называемая сбросная схема).
Находят применение энергетические газотурбинные установки мощностью от 2,5 до 12 МВт, выполненные на базе авиационных и судовых двигателей.
В последние годы признается эффективным создание мини-ТЭЦ на базе двигателей внутреннего сгорания для электрификации и отопления производственных объектов и жилых комплексов. Это объясняется тем, что КПД поршневых машин выше и составляет 36—45 %, а газовых турбин — 25—34 %.
Кроме того, установка газовых турбин требует высоких давлений газа (до 2,5 МПа), в то время как газопоршневые установки работают с низким давлением и им не требуется установка газодожимного компрессора.
Мини-ТЭЦ на базе двигателей внутреннего сгорания способны работать на различных видах топлива: природном газе, промышленном (коксовом, биогазе, шахтном), дизельном топливе, бензине. По данным исследований при единичных мощностях менее 3,5 МВт наиболее целесообразно применение поршневых машин. Удельный расход топлива на выработанный кВт/ч меньше у газопоршневых генераторных установок, причем при любом нагрузочном режиме.
Автономные источники малой энергетики на базе мини-ТЭЦ в настоящее время на российском рынке представлены бензиновыми и дизельными электростанциями мощностью от 10 до 30 МВт как отечественного, так и зарубежного производства.
Наблюдается потребительский спрос на мини-электростанции. Это вызвано тем, что автономизация производства электрической энергии обусловлена обеспечением энергетической безопасности объектов, особенно тех, где задействованы компьютерные технологии.
В качестве привода генераторная установка использует газопоршневые двигатели, работающие на обедненной газовой смеси, с номинальными мощностями до 2 МВт. При этом эксплуатационные расходы остаются такими же или даже меньшими, чем у конкурируемых ТЭЦ. Стандартные уровни содержания NОх в выхлопе равны 250 и 500 мг/м3, в то же время удельная мощность остается высокой.
Особенно перспективны газопоршневые двигатели, работающие на газообразном топливе. Разработка новой серии двигателей на природном газе отвечает прогнозам Министерства энергетики США, согласно которым в течение следующих 20 лет использование природного газа для децентрализованного производства электроэнергии возрастет в мире в два раза [5]. В США доля природного газа в производстве электроэнергии, как ожидается, увеличится с 15 % в 1999 году до 32 % к 2020 году. Аналогичная ситуация наблюдается и в России. Это связано с ростом использования газопоршневых генераторных установок для производства электрической энергии.
Кроме того, перевод двигателей мини-ТЭЦ на газообразное топливо позволит улучшить экологические параметры окружающей среды, что соответствует законодательным требованиям по обеспечению качества воздуха с учетом ужесточения допустимых уровней загрязнения окружающей среды оксидами азота и другими веществами, содержащимися в выхлопных газах двигателей.
Общий вид новой серии С3500 электрогенераторных установок, а ее номинальные характеристики — в табл. 1.
Таблица 1
Номинальные характеристики электрогенераторной установки G3520C
| Параметры | Когенерационная генераторная установка без насосов | Генераторная установка без утилизации тепла без насосов/ с насосами |
| Максимальная температура на выходе из рубашки охлаждения | 90,99 | 90,99/99 |
| Температура охлаждающей жидкости на входе в охладитель надувочного воздуха, °С | 32,54 | 32,54/70 |
| Полная мощность при использовании в качестве постоянного электроснабжения, кВт | 2 500 | 2 437 |
| Электрическая мощность, кВт | 2 000 | 1 950 |
| Скорость вращения, об/мин | 1 500 | 1 500 |
Из табл. 1 следует, что электрогенерирующей установкой производится около 80 % электроэнергии и 21 % — теплоты.
Перспективны электрогенераторные установки в комплексе с вихревыми теплогенераторами и тепловыми насосами.
Подбор оборудования мини-ТЭЦ должен базироваться на расчетах себестоимости вырабатываемой энергии в электрогенераторах.
Из анализа технических литературных источников следует, что сегодня отсутствуют нормативная и методическая база по проектированию мини-ТЭЦ, перспективные тепловые и электрические схемы по использованию их энергии, особенно комплексных схем на базе электрогенераторов совместно с теплогенераторами и тепловыми насосами.
Несмотря на обширный рынок как отечественных, так и импортных электрогенераторов, необходимо проводить работы по их совершенствованию, особенно отечественных поршневых установок малой мощности для коттеджей, сельхозпредприятий, фермерских хозяйств.
Ниже представлены результаты исследований и перспективы использования бензиновых и газовых поршневых двигателей для маломощных электрогенераторов мини-ТЭЦ, а также их перевода на газообразное топливо.
Для исследования мини-ТЭЦ малой мощности на базе двигателя внутреннего сгорания для разработки методики их проектирования была смонтирована экспериментальная установка на базе двигателя УД-25.
Двигатель и генератор соединены фланцем и образуют единый блок, установленный на раме, через четыре резиновых амортизатора. Двигатель приводит во вращение генератор через упругую муфту. На раме смонтирован блок управления 5, представляющий собой металлический корпус, в котором располагаются частотомер, вольтметр, омметр, счетчик моточасов работы двигателя, кнопка возбуждения генератора, кнопка проверки исправности прибора контроля изоляции, выключатель нагрузки, розетки для подключения нагрузки. Таким же способом закреплены бак-аккумулятор и утилизатор выхлопных газов, соединенные трубками циркуляции. Все горячие поверхности изолированы. На циркуляционном контуре установлен насос, электропривод которого потребляет электрическую мощность от генератора. В результате создана стендовая автономная, не нуждающаяся в подводе энергии извне генерирующая установка, способная генерировать и электричество, и теплоту.
Технические характеристики двигателя и генератора представлены в табл. 2.
Таблица 2
Технические характеристики мини-ТЭЦ
| Наименование параметров | Значения параметров |
| Параметры двигателя | |
| Тип | Карбюраторный четырехтактный |
| Модель | УД-25 |
| Число цилиндров | 2 |
| Мощность номинальная эксплуатационная (длительная) при работе на регуляторе, кВт | 5,88 |
| Номинальная частота вращения, об/мин | 3 000 |
| Удельный расход топлива при номинальной эксплуатационной мощности, г/кВт• ч | 435 |
| Топливо | Бензин А72, А76 |
| Удельный расход масла, г/кВт•ч | 13,6 |
| Габаритные размеры, мм | |
| Длина | 530 |
| Ширина | 455 |
| Высота | 565 |
| Масса, кг | 52 |
| | |
| Тип охлаждения | Воздушное принудительное |
| Параметры генератора | |
| Тип | Синхронный трехфазный |
| Частота вращения вала генератора, с–1 | 50 |
| Номинальная мощность, кВт | 4 |
| Номинальное напряжение, В | 230 |
| Род тока | Переменный трехфазный |
| Номинальная частота, Гц | 50 |
| Номинальный коэффициент мощности при индуктивной нагрузке | 0,8 |
| Удельный расход топлива мини-ТЭЦ, г/кВт• ч | 542 |
В ходе эксперимента измерялись основные параметры: температура уходящих газов в выходном патрубке цилиндра, на входе и выходе из теплообменника, масла в картере двигателя, воздуха после охлаждения цилиндров двигателя; давления газового потока в различных сечениях, параметры генератора, время нагрева воды в баке до 90 °С. Замеры проводились при различных оборотах вала двигателя, измеряемых тахометром.
Масла в картере двигателя, выхлопных газов в выходном патрубке цилиндра от оборотов двигателя. Обработка опытных данных показала, что экспериментальные точки удовлетворительно аппроксимируются аналитическими зависимостями:
где t — время прогрева воды в баке-аккумуляторе (масса воды —
tвзд, tух, tв — соответственно температура воздуха, подаваемого на охлаждение, уходящих газов на выходе из цилиндра, воды в тепловом аккумуляторе, справедливыми в диапазоне изменения 1 000 ≤ n ≤ 3 000 об/мин.
Эмпирические зависимости (1)—(3), дополненные уравнениями теплового и электрического балансов, составляют основу методики проектирования поршневых мини-ТЭЦ.
Важным параметром, характеризующим эффективность работы мини-ТЭЦ, является температура воды в теплообменнике от времени нагрева при фиксированных нагрузках двигателя, n, об/мин.
Опыты показали, что температура охлаждающего воздуха после его прогрева при номинальной нагрузке (3 000 об/мин) составляет 94 °С, а температура масла — 76 °С. Это позволяет использовать тепловой потенциал для дополнительного нагрева воды.
На Схеме 1 приведена одна из возможных схем мини-ТЭЦ на базе поршневых двигателей внутреннего сгорания
Принцип работы следующий: холодная вода, подаваемая насосом, разделяется на два потока, один попадает в электродный котел (или вихревой теплогенератор), работающий от генератора, а другой проходит три ступени подогрева. Сначала вода попадает в теплообменник системы охлаждения масла, затем в теплообменник системы охлаждения двигателя 6 и в последней ступени нагревается уходящими газами в утилизаторе. В результате получается два тепловых потока. Один используется для снабжения горячей водой (t = 60—65 °С), а второй идет на отопление (t = 90 °С). Конечная температура воды регулируется нагрузкой двигателя.
Как следует из зависимости полного давления потока уходящих газов (сумма статического и динамического давлений) при различной нагрузке, перепада давления достаточно, чтобы в тепловой схеме использовать микротурбины на базе двигателя внутреннего сгорания. Лопатки турбины приводятся во вращение выхлопными газами. При использовании такой схемы в некоторых случаях потребуется установка дожимающего компрессора, повышающего давление газов перед турбиной. Использование турбины представляется выгодным решением, т. к., во-первых, это позволит получать дополнительную электрическую мощность, во-вторых, упрощается регулирование соотношения тепловой и электрической нагрузки (коэффициент теплофикации), в-третьих, турбина позволяет использовать больший потенциал уходящих газов (при установке теплообменника, работающего при температуре газов около 500 °С, требуются специальные жаропрочные материалы).
Исследования показали, что мини-ТЭЦ с воздушным охлаждением перспективны при использовании их для воздушного отопления горячим воздухом (летом — для кондиционирования), горячего водоснабжения и электроснабжения коттеджа, фермерского дома при отсутствии вблизи объектов стационарного природного газа или сжиженного газа.
Важная проблема, которая возникает при внедрении мини-ТЭЦ, — воздействие шумов на окружающую среду от двигателя привода. Для их снижения используется в выхлопном патрубке нейтрализатор адсорбционного типа, совмещенный с глушителем. Кроме того, для ограждения установки используются шумопоглощающие материалы, т. е. двигатель мини-ТЭЦ находится в шумозащитном изолированном корпусе.
Литература
1. Мелькумов В. Н. и др. Энергосбережение в системах традиционного и альтернативного теплоснабжения // АВОК. 2004. № 2.
2. Мелькумов В. Н., Капошин И. С. Мини-ТЭЦ с противодавленческими турбинами // Межвузовский сборник научных трудов. Воронеж: ВГАСУ, 2000. № 1.
3. Смирнов И. А., Хрилев Л. С. Определение эффективности ввода газотурбинных агрегатов на площадках действующих ТЭЦ // Теплоэнергетика. 2000. № 12.
4. Замоторин Р. В. Малые теплоэлектроцентрали — поршневые или турбинные // Энергосбережение в Саратовской области. 2001. № 2.
5. Новые генераторные установки на природном газе серии G3500 компании «Caterpillar» / Строительные материалы, оборудование, технологии ХХI века. 2003. № 10(57)
