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

25 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

31133. Статические модели объектно-ориентированного представления программных систем 142.29 KB
  Диаграмма классов это набор классов и связей между ними. Диаграммы классов используются: в ходе анализа – для указания ролей и обязанностей сущностей которые обеспечивают поведение системы; в ходе проектирования – для фиксации структуры классов которые формируют системную архитектуру. Отношения в диаграммах класса. Ассоциации отображают структурные отношения между экземплярами классов.
31134. Динамические модели объектно-ориентированного представления программных систем: автоматы 336.98 KB
  Динамические модели обеспечивают представление поведения системы путем отображения изменения состояний в процессе работы системы в зависимости от времени. Автомат – описывает поведение в терминах последовательности состояний через которые проходит объект в течение своей жизни. Диаграмма схем состояний – отображает конечный автомат выделяя поток управления от состояния к состоянию. Конечный автомат – поведение определяющее последовательность состояний в ходе существования объекта.
31135. Динамические модели объектно-ориентированных программных систем: диаграммы взаимодействия Use Case 14.52 KB
  Диаграмма сотрудничества – это диаграмма взаимодействия выделяющая структурную организацию объектов посылающих и принимающих сообщения. Иначе диаграмму сотрудничества называют диаграмма кооперации. Диаграмма последовательности это диаграмма взаимодействия отображающая сценарий поведения в системе и обеспечивающая более наглядное представление порядка передачи сообщений. Графически диаграмма последовательности – это разновидность таблицы которая показывает объекты размешенные вдоль оси икс и сообщения упорядоченные во времени вдоль оси...
31136. Модели реализации объектно-ориентированных программных систем 34.82 KB
  Модели реализации обеспечивают представление системы в физическом мире рассматривая вопросы упаковки логических элементов в компоненты и размещения компонентов в аппаратных узлах. Рисунок 1 – обозначение компонента Сходные характеристики: наличие имени; реализация набора интерфейсов; участие в отношения зависимости; возможность быть вложенными; наличие экземпляров экземпляры у компонентов только у диаграмм размещения № Описание различий 1 Классы – логические абстракции компоненты – физические предметы. 2 Компоненты являются...
31137. Стандартные методы совместного доступа к базам и программам в сложных информационных системах 150.16 KB
  ODBC – это программный интерфейс PI доступа к базам данных разработанный фирмой X Open. ODBC – это широко распространенный комплекс драйверов фирмы Microsoft для связи с разнородными базами данных удовлетворяющий стандартом ISO. Технологии связи с разнородными базами данных в условиях архитектуры клиент – сервер с использованием ODBC. Клиентская часть состоит из: Управляющий модуль ODBC.
31138. Проектирование интегрированных ИС 68.03 KB
  Требование к корпоративным информационным системам: Функциональная часть: это функциональная интеграция и полнота; функциональная локализация; мониторинг функционирования. Организационное обеспечение: модульность; интеграция структуры; информационная безопасность. Применительно к промышленному предприятию состав систем составляющих корпоративную информационную систему во взаимосвязи с пользователями на различных уровнях управления может быть представлен в следующем виде: Интеграция функциональной части системы – предполагает решение...
31139. Архитектура ЭИС 33.93 KB
  ЭИС – совокупность организационных технических программных и информационных средств объединенных в единую систему с целью сбора обработки хранения и выдачи необходимой информации предназначенной для выполнения функций управления. ЭИС связывает объект и систему управления между собой и внешней средой через информационные потоки: ИП1 – нормативная информация создаваемая государственными учреждениями в части законодательства; поток информации о конъюнктуре рынка создаваемые конкурентами потребителями поставщиками; ИП2 – отчетная...
31140. Общая характеристика процесса проектирования ИС 32.86 KB
  Экономикоорганизационные принципы: Принцип эффективности ИС. Принцип стандартизации. Принцип системного подхода. Принцип интеграции.
31141. Технология проектирования ИС 82.83 KB
  Состав компонентов технологии проектирования Таким образом проектирование ИС задается регламентированной последовательностью технологических операций выполняемых в процессе создания проекта на основе того или иного метода в результате чего стало бы ясно не только что должно быть сделано для создания проекта но и как кому и в какой последовательности это должно быть сделано. Методология проектирования ИС предполагает наличие некоторых концепций принципов проектирования реализуемых набором методов проектирования которые в свою очередь...