5418

Системи когенерації енергії

Реферат

Энергетика

Системи когенерації енергії Основні терміни і визначення Калорія - традиційна позасистемна одиниця вимірювання, що дорівнюєенергії, необхідній для нагрівання 1 г води на 1° С. 1 кал ...

Украинкский

2012-12-09

904 KB

26 чел.

Системи когенерації енергії

Основні терміни і визначення

Калорія – традиційна позасистемна одиниця вимірювання, що дорівнює енергії, необхідній для нагрівання 1 г води на 1° С. 1 кал ≈ 4,2 Дж, 1 ккал = 1.17 кВт ·год.

Теплова електростанція (ТЕС) – електростанція, що виробляє електричну енергію за рахунок перетворення хімічної енергії палива в механічну енергію обертання валу генератора.

 Теплоелектроцентраль (ТЕЦ) – різновид теплової електростанції, яка виробляє не тільки електроенергію, але і теплову енергію в централізованих системах теплозабезпечення (у вигляді пару і гарячої води).

Когенерація – (назву утворено від слів КОмбінована ГЕНЕРАЦІЯ) процес спільного виробництва двох видів енергії (найчастіше теплової і електричної).

Рекуперація – повернення частини енергії для повторного використання у тому ж технологічному процесі.

Паливний елемент – хімічне джерело струму, за принципом дії схоже на гальванічний елемент, але відрізняється від нього тим, що речовини для хімічної реакції подаються до нього зовні.

Структура енергоспоживання України

Більша половина енергії в Україні генерується на ТЕС і ТЕЦ, що працюють на викопних джерелах енергії: вугіллі, газі, мазуті. Сумарна кількість електро- і теплоенергії вироблена у 2011 р. різними видами станцій показана на рис. 1 і 2.

 

Рис. 1. Електроенергія, вироблена у 2011 р. в Україні

Рис. 2. Теплоенергія, вироблена у 2011 р. в Україні

З наведених даних видно, що майже половина електричної і вся теплова енергія (біля 245 000 млн. кВт·год) виробляється за допомогою спалювання викопних джерел енергії. Для генерування такої кількості енергії, не враховуючи втрати, необхідно витратити 21, 1 млн. т. нафти або 24,5 млн. м3 газу чи 28,5 млн. т. вугілля. При цьому для генерування електричної енергії переважно використовуються ТЕС, а для генерування теплової енергії – котельні, що в даному випадку є малоефективним. Це повязано з тим, ККД ТЕС не перевищує 40%, тобто менша половина теплової енергії палива перетворюється на електричну енергію, а інша не використовується. ТЕЦ дозволяє повніше використовувати енергію згорання палива: окрім електричної енергії, вона генерує і теплову енергію. Установки такого типу називаються когенераційними. На рис. 3 показана ефективність використання палива при окремому виробництві теплової і електричної енергії і в ТЕЦ. З наведених даних видно, що при необхідності генерування теплової і електричної енергії використання ТЕЦ зменшує втрати енергії більше ніж в 2 рази. За нинішнього енергоспоживання в Україні, використання ТЕЦ замість ТЕС дозволило б генерувати всю необхідну теплову енергію без використання котелень. Малий обсяг використання ТЕЦ пов’язаний з необхідністю підтримки у належному стані мережі теплопостачання, що при великій потужності ТЕЦ становить декілька сотень кілометрів (наприклад в Києві – 899 км.). Тому такі ТЕЦ доцільно будувати лише поблизу великих міст. Для інших територій доцільно використовувати міні-ТЕЦ, потужність яких не перевищує 20-30 МВт. 

Основою міні-ТЕЦ є газопоршневі або газотурбінні електростанції, що працюють на природному газі. Причиною використання газу є його більша повнота згорання і екологічність у порівнянні з іншими видами органічного палива.

Рис. 3. Ефективність використання ТЕЦ

 

В звязку з підвищенням ціни на природний газ в якості палива для ТЕЦ стало доцільним використання вугілля. Для зменшення шкідливих викидів використовують спеціальну суміш мілко подрібненого вугілля і води. Основні переваги водновугільної суміші:

  •  зниження витрат палива у порівнянні з мазутом і газом;
  •  зниження викиду шкідливих викидів у порівнянні з вугіллям;
  •  технологічність використання вугілля в рідкій формі.

Слід зазначити, що для використання водовугільної суміші необхідно повністю переобладнати ТЕЦ і створити нові потужності для подрібнення вугілля, що потребує значних капіталовкладень.

Останнім часом окрім викопних видів палива для генерації теплової і електричної енергії все більше використовується біопаливо. Виробництво енергії при спалюванні біомаси розділяються на процеси із замкненим і розімкненим тепловим циклом. Розімкнені цикли використовуються при спалюванні газоподібного або рідкого палива у двигунах внутрішнього згорання і газових турбінах. В цьому випадку паливо спалюється безпосередньо в двигуні або камері згорання газотурбінної установки.

В системах з замкненим тепловим циклом процеси спалювання палива і генерації енергії розділяються за допомогою передачі теплоти від гарячого газу до теплоносія, який використовується у вторинному циклі. В цьому випадку в двигун подається чистий теплоносій, що усуває пошкодження двигуна небажаними домішками.

В звязку з тим, що при спалюванні біопалива утворюються гази, що можуть пошкодити двигун, в основному використовуються установки із замкненим циклом, а саме:

  1.  Парові турбіни з використанням циклу Ренкіна. В цій установці в якості робочого тіла використовується вода, яка випаровується під тиском і перегрівається.
  2.  Парові двигуни, які застосовуються з циклом Ренкіна з перегрівом або без перегріву.
  3.   Парові турбіни з обмеженим циклом Ренкіна (ОЦР), в яких використовується органічне робоче тіло (масло).
  4.  Двигуни Стірлінга (газові двигуни з непрямим спалюванням палива), які працюють за допомогою періодичного теплообміну між димовими газами і газоподібним робочим тілом (повітря, гелій, водень).

Існуючі технології дозволяють проектувати установки в широкому діапазоні теплової потужності – від декількох кіловат (двигуни Стірлінга) до декількох сотень мегават (парові турбіни).

Разом з процесами із замкнутим циклом в установках на біопаливі використовуються деякі процеси із розімкненим циклом:

  1.  Газові турбіни, які працюють безпосередньо від газів при спалюванні біомаси під тиском, в яких газ розширяється і виводиться у атмосферу.
  2.   Газові турбіни, які працюють безпосередньо від газів при спалюванні біомаси при атмосферному тиску, в яких газ розширяється до вакууму з подальшим охолодженням і стисненням газу з подальшим його відводом у атмосферу.

Парові турбіни із розімкненим циклом

Потужність парових турбін складає 0.3-500 МВт.

Виробництво електроенергії за допомогою парових турбін є розвиненою технологією, яка використовується в ТЕС і ТЕЦ. Парова турбіна із розімкненим циклом – це тепловий двигун, в якому потенціальна енергія стисненої і нагрітої водяної пари перетворюється в кінетичну, яка в свою чергу виробляє механічну енергію на валу. Потік водяної пари надходить через направляючі на криволінійні лопатки, що закріплені на роторі, діючи на них, обертає ротор. В парових турбінах використовується цикл Ренкіна.

Загальний вид парової турбіни показаний на рис. 4, схема технологічного циклу на рис. 5.

Рис. 4. Загальний вигляд парової турбіни

Технологічний цикл складається з шести фаз:

1-2 – підвищення тиску води за допомогою насоса;

2-3 – нагрівання води до температури випаровування у нагрівачі;

3-4 – випаровування води в котлі;

4-5 – перегрівання пари у перегрівачі;

5-6 – розширення пари в паровій турбіні;

6-1 – конденсація пари, утилізація пари в конденсаторі

Рис. 5. Технологічний цикл парової турбіни

Парові поршневі двигуни

 Парові двигуни, рис. 6, мають потужність 50 кВт – 2 МВт. Тому використовуються у малопотужних установках, де парову турбіну встановлювати недоцільно. Парові поршневі двигуни мають модульну конструкцію: в різних схемах двигунів кількість поршнів може знаходитись в межах 1-6. В залежності від параметрів пари використовується одно- або багатоступеневе її розширення. Типові значення ККД генерування електроенергії одноступеневих двигунів знаходяться в межах 6-10 %, багатоступеневих – 12-20 %. При аналогічних параметрах пари ККД поршневих двигунів знаходиться на рівні парових турбін.

Рис. 6. Паровий поршневий двигун

В парових двигунах, що працюють на перегрітій парі в режимі когенерації, технологічний цикл аналогічний паровій турбіні рис. 4. Суттєвим недоліком парових поршневих двигунів є необхідність додавання мастила перед подаванням пари у двигун. В нових конструкціях двигунів цей недолік усунуто. В порівнянні з паровими турбінами парові двигуни мають переваги і недоліки, наведені в табл. 1.

Таблиця 1. Переваги і недоліки парових двигунів

Переваги

Недоліки

1. Придатні для використання в діапазоні низької потужності

1. Низька межа максимальної вихідної потужності (до 2 МВт)

2. Працюють з насиченою парою

2. Значні витрати на техобслуговування і ремонт

3. Мають високий ККД при неповному навантаженні

3. Високий рівень шуму і вібрації

4. Модульна конструкція дозволяє ефективно працювати при різному тиску пари

4. Необхідність додавати мастило перед подаванням пари у двигун (в нових моделях двигунів цей недолік усунуто)

 Установки з органічним циклом Ренкіна

Органічний цикл Ренкіна (ОЦР) подібний до стандартного циклу Ренкіна. Суттєвою відмінністю є використання органічного робочого тіла (силіконового масла), що дозволяє експлуатувати її при відносно низьких температурах (від 70 °С до 300 °С). Одна з можливих конструкцій когенератора на основі ОЦР показана на рис. 7.

1 – регенератор, 2 – конденсатор, 3 – турбіна, 4 – електрогенератор,

5 – циркуляційний насос, 6 – підігрівач, 7 – випаровувач,

8,9 – впуск і випуск гарячої води, 10,11 – впуск і випуск масла

Рис. 7. Когенератор на основі ОЦР

В установках з ОЦР застосовується процес з замкненим циклом. Органічне робоче тіло випаровується, піддається частковому перегріву термомаслом і потім розширюється в осьовій турбіні, яка безпосередньо з’єднана з асинхронним генератором. Потім масло пропускається через регенератор, де відбувається рекуперація тепла, і потрапляє в конденсатор. Конденсація робочого тіла відбувається при температурі, яка дозволяє нагрівати воду до температури 80-100 °С. Цикл ОЦР є замкненим, тому втрати теплоносія відсутні, що визначає низький рівень експлуатаційних витрат Технологічний цикл установок з ОЦР показаний на рис. 8.

Рис. 8. Технологічний цикл установок з ОЦР

У випаровувачі 3 органічне робоче тіло випаровується при додаванні термомасла (3-4). Пар робочого тіла розширюється (4-5) у турбіні і після охолодження в регенераторі (5-9) конденсується в конденсаторі (6). Теплота конденсації передається воді системи опалення. Процес ОЦР завершується після підвищення тиску (1-2), підігріву (2-8) і подачі робочого тіла у випаровувач (8-3). В табл. 2 наведені переваги і недоліки установок з ОЦР.

 

Таблиця 2. Переваги і недоліки установок з ОЦР

Переваги

Недоліки

1. Висока надійність технології

1. Великі початкові капіталовкладення

2. Високий рівень керованості і автоматизації

2. Органічне термомасло є токсичною і вогненебезпечною речовиною

3. Можливість утилізації низькотемпературного тепла (технологічні стоки)

4. Низькі витрати на обслуговування і ремонт

 Турбіни із замкненим циклом

Конструкція турбін із замкненим циклом аналогічна турбінам із розімкненим циклом. Однак у турбінах із замкненим циклом теплота передається стиснутому повітрю за допомогою високотемпературного теплообмінника. Перед наступним стисканням газ охолоджується в теплообміннику. На рис. 9 показаний технологічний цикл роботи турбіни з триступеневим розширенням і двоступеневим стисненням і процесом рекуперації.

Рис. 9. Технологічний цикл роботи турбіни із замкненим циклом

Технологічний цикл складається з наступних фаз:

1-2 – стиснення повітря у ланці 1 компресора;

2-3 – проміжне охолодження повітря в охолоджувачі;

3-4 – стиснення повітря у ланці 2 компресора;

4-4// – рекуперація тепла в рекуператорі;

4//-5 – підігрів повітря у топці;

5-6 – розширення повітря у турбіні 1;

6-7 – підігрів повітря у топці;

7-8 – розширення повітря у турбіні 2;

8-9 – підігрів повітря у топці;

9-10 – розширення повітря у турбіні 3;

10-10// – рекуперація тепла в рекуператорі;

10//-1 – подача тепла в теплообмінник.

Однією з проблем застосування турбін із замкненим циклом є експлуатація високотемпературного теплообмінника. Цей пристрій працює в режимі високих температур (до 1000 °С) в агресивному середовищі.

Двигуни Стірлінга

Двигуни Стірлінга використовуються на установках малої потужності до 100 кВт. Вони працюють за замкненим циклом, в якому газоподібне робоче тіло почергово стискається в холодній камері і розширюється в гарячій. Перевага двигуна Стірлінга над двигунами внутрішнього згорання полягає у тому, що подавання тепла у цикл здійснюється не шляхом спалювання палива всередині циліндра двигуна, а із зовнішнього джерела через теплообмінник, як у паровому котлі. На рис. 10 показана будова установки з двигуном Стірлінга.

Рис. 10 . Установка з двигуном Стірлінга

Через високу температуру теплообмінника і можливість засмічення каналів двигуна золою і аерозолями, що утворюються при спалюванні деревини, двигуни Стірлінга для біопалива відрізняються від їх аналогів, що працюють на газі.

В цілому когенераційні установки на біопаливі мають широкий діапазон вихідних потужностей від 50 кВт до десятків мегаватт. Експлуатація цих установок подібна до їх аналогів на природному газі. У зв’язку з більшою зольністю біопалива і наявністю аерозолів когенераційні установки на біопаливі мають певні конструктивні відмінності, що перешкоджають їх засміченню.

Особливістю описаних технологій виробництва електричної і теплової енергії є багаторазове перетворення енергії з одного виду в інший: енергія хімічного зв’язку палива → теплова енергія → механічна енергія → електрична енергія. Зрозуміло, що кожне перетворення енергії супроводжуються втратами. Тому ККД для генерації електричного виду енергії, який в багатьох випадках є цільовим, складає 12-30 %.

Існують більш ефективні методи перетворення енергії, наприклад електрохімічний, який дозволяє отримувати теплову і електричну енергію безпосередньо з хімічної реакції окислення водню Н2, метану СН4, метанолу СН3ОН, оксиду вуглецю СО. Пристрої, в яких здійснюється хімічна реакція, називається паливними елементами.

Паливні елементи

Паливні елементи (ПЕ) як і інші хімічні джерела струму (ХДС) складаються з двох електродів: аноду і катоду, між якими знаходиться електроліт. На відміну від інших типів ХДС ПЕ є джерелом не тільки електричної, а і теплової енергії. Тому ПЕ використовуються в когенераційних установках. ПЕ мають порівняно високий ККД для електричної енергії, який складає 40-60 %. Сумарний ККД ПЕ може досягати 90 %. Додатковою перевагою ПЕ у порівнянні з установками спалювання палива є відсутність рухомих механічних частин, що збільшує їх надійність і зменшує габарити.

Принцип дії ПЕ пояснено на елементі з протонообмінною мембраною, рис. 11.

Рис. 11. Паливний елемент з протонообмінною мембраною

Вказаний ПЕ працює наступним чином: водень, який потрапляє в ПЕ, розкладається під дією каталізатора на іони водню Н+ і електрони. Після цього в дію вступає спеціальна мембрана, яка пропускає іони водню Н+ і затримує електрони:

2H2 – 4e → 4H+. (1)

Таким чином на аноді накопичується надлишок електронів, які при підключенні навантаження створюють струм. Іони водню через мембрану потрапляють на катод, де реагують з киснем, який міститься у повітрі, утворюючи воду:

4Н+ +4е- + О2 → 2Н2О + тепло. (2)

В якості каталізатора в таких елементах використовуються мікрочастинки платини. Мембрана як правило виготовляється з сірковмісного полімеру нафіона. Товщина мембрани складає долі міліметра.

Водень є основним паливом для ПЕ. При використанні чистого водню продуктом реакції, окрім електроенергії і тепла, є вода. Тому такі ПЕ є екологічно чистими. Однак через складнощі з транспортуванням і зберіганням чистого водню, активно стали розвиватися ПЕ на основі водневмісних речовин: природного газу, метану, бензину, метанолу з яких, під час роботи ПЕ, виділяється водень. В ПЕ існує два методи виділення водню з речовин:

1. Використання реформера в якому при високій температурі (900 °С) відбувається реакція водневмісної речовини з водою. Для метану ця реакція має наступний вид:

 CH4 + 2H2O4H2 + CO2. (3)

Отриманий водень подається на вхід ПЕ.

2. Розкладання водневмісної речовини у камері ПЕ при підвищенні температури реакції з додаванням особливих каталізаторів.

Розробки в сфері паливних елементів можуть бути використанні для електроживлення мобільних і портативних пристроїв і автономного тепло- і електрозабезпечення будинків. При цьому їх вихідна потужність може змінюватись в широких межах зі збереженням високих значень ККД. Використання паливних елементів стримується їх високою вартістю, яка складає біля 4 000 $ на 1 кВт потужності. Паливні елементи, які доступні для комерційного використання наведені у табл. 3.

Багато в чому температура визначає сферу використання ПЕ. Наприклад висока температура критична для ноутбуків і інших мобільних пристроїв, тому для них використовують ПЕ з протонообмінною мембраною PEMFC і прямим окисненням метанолу DMFC. Для автономного енергозабезпечення будинків основною вимогою є достатньо висока потужність ПЕ, при цьому є можливість використання теплової енергії. Тому для цього сегменту підходять всі ПЕ. Для автомобільної промисловості доцільно використовувати ПЕ типу PEMFC, SOFC, DMFC.

Таблиця 3. Характеристики паливних елементів

Тип ПЕ

Робоча

темп., °С

ККД ел. енерргії

Сум.

ККД

Вхідна речовина

Реакція

з протонообмін. мембраною (PEMFC)

80

30-35

50-70

водень

анод: 2H2 – 4e → 4H+

катод:4Н+ +4е-+О2→2Н2О

каталізатор: платина

з прямим окисненням метанолу (DMFC)

120

30-35

50-70

метанол

анод:

СH3ОН+Н2О→СО2+6H++6е

катод:1.5О2+6Н++6е+→ 3Н2О

каталізатор: платина

з ортофосфорним електролітом Н3РО4 (PAFC)

150-200

35

70-80

водень

анод: 2H2 – 4e → 4H+

катод: 4Н++4е-+О2→2Н2О

каталізатор: платина

електроди з графіту

на основі розплавленого карбонату (MCFC)

600-700

45-50

70-80

водень,

природний газ, біогаз, метан, пропан

анод: CO32– + H2 H2O +

CO2 + 2e

катод: CO2+0.5O2+2e→ CO32–

електроліт: карбонат літію, карбонат натрію

анод – нікель, легований хромом

катод – оксид нікелю з додаванням літію

каталізатор: нікель

Твердотільні оксидні (SOFC)

700-1000

50-60

70-80

Природний газ, водень, метанол, етанол

анод: H2 + O2– → H2O + 2e–

CO + O2– → CO2 + 2e–

катод: O2 + 4e → 2O2–

електроліт: твердотільний керамічний з кисневою провідністю (оксиди цирконію, кальцію)

електроди – кераміка

Використання в якості палива водневмісних речовин замість водню зумовлює наявність викидів шкідливих речовин у атмосферу. Але зважаючи на високу ефективність ПЕ обсяг шкідливих викидів на 1 кВт виробленої енергії значно менший ніж у інших когенераційних установок. Дані з обсягу шкідливих викидів наведено у табл. 4.

 

Таблиця 4. Рівень шкідливих викидів

PAFC

MCFC

SOFC

Парова

турбіна

Дизель-генератор

Двигун

Стірлінга

Рівень викидів (прир. газ)

NOx, г/МВт·год

SOx, г/МВт·год

< 10

< 0.1

< 10

< 0.1

< 10

< 0.1

300

1

700

1

200

1

Коефіцієнт використання

палива

0.7-0.8

0.7-0.8

0.8-0.85

0.75

0.78

0.77

Зважаючи на дані табл. 4, можна зробити висновок про високу ефективність і екологічність ПЕ.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

3078. Понятие биоэтики 81.5 KB
  Биоэтика - наука о нравственной стороне жизнедеятельности. Биоэтика или этика жизни является разделом прикладной этики - философской дисциплины, которая изучает проблемы морали, прежде всего, относительно человека и всего живого...
3079. Особенности тоталитаризма в государственном и личностном понимании 64.94 KB
  Введение Государство — это особая форма организации общества, действующая на ограниченной территории. Государство обладает определёнными средствами и методами применения власти внутри общества, устанавливает определённый порядок взаимоотношений...
3080. Методика преподавания информатика на примере урока синтаксис языка запросов поисковой системы Yandex 51.58 KB
  Глава 1. Методика преподавания информатики 1.1  Методика преподавания информатики как педагогическая наука Вместе с введением в школу общеобразовательного предмета «Основы информатики и вычислительной техники» началось формирование новой област...
3081. Бизнес-идея, миссия, видение и цели 46.92 KB
  Бизнес-идея, миссия, видение и цели Фирма будет распространять косметику по уходу за волосами. Товары буду распространяться через медицинские базы в аптеки. Конкурентов в этой среде, распространяющих схожие товары, насчитывается четыре. Сегментом ры...
3082. Оценка стоимости имущества 50.61 KB
  Оценка стоимости имущества Введение Развитие рыночной экономики в России привело к многообразию форм собственности и возрождению собственника, к увеличению количества объектов собственности в хозяйственном обороте. У каждого, кто задумывается реализ...
3083. Оценка развития сферы услуг и выявление ее роли во внешней экономике 76.38 KB
  При исследовании спектра функций, осуществляемых городом, выявляются радикальные сдвиги, вызванные изменением типа хозяйства. Промышленная революция привела к постепенному замещению традиционных отраслей производства, и в первую очередь сел...
3084. Перевозка грузов на железнодорожном транспорте 77.56 KB
  В настоящее время грузовое хозяйство является одним из ведущих на железнодорожном транспорте страны. Грузовая и коммерческая работа как производственная сфера железнодорожного транспорта и как отрасль эксплуатационной науки имеет свою более...
3085. Экономическая безопасность функционирования предприятия 1.24 MB
  Защите экономических интересов предприятия до сих пор уделялось мало внимания, хотя эта проблема очень актуальна. В условиях развития рыночных механизмов в экономике, роста частного предпринимательства весьма важной задачей экономической науки и практики хозяйственной деятельности предприятий становится обеспечение экономической безопасности.
3086. Экологические проблемы литосферы 62.3 KB
  Введение Человек и природа неотделимы друг от друга и тесно взаимосвязаны. Для человека, как и для общества в целом, природа является средой жизни и единственным источником необходимых для существования ресурсов. Природа и природные ресурсы - база...