Комбинированная генерация энергии - когенерация

В последнее десятилетие теоретически разработаны и ведется реальное проектирование и сооружение, так называемых когене-рационных установок. Специалистами было замечено, что, располагая на входе термодинамического цикла теплогенераторов температурами в топках порядка t] = 1200 — 1500 °С, на выходе из установок мы получаем теплоносители с параметрами /2 = 150 — 350 °С, т.е. температурный потенциал в А/ = /1 — /2 = 900 — 1200 °С попросту «дросселируется», теряется бесполезно, без совершения необходимой работы.

Комбинированая генерация (когенерация) — одновременное эффективное производство в едином технологическом процессе нескольких видов энергии и энергетических товарных продуктов — электрической и тепловой энергии, промышленного холода, сжатых газов и др., необходимых для нужд отдельных предприятий, поселений, городов, регионов.

Поэтому возникла идея каскадного использования температурного потенциала теплоносителей силовых и тепловых установок путем совмещения — надстройки энергоустановок последовательно друг за другом. На рис. 6.10 представлена принципиальная схема когенерационной установки, разработанная для небольших северных городов и поселков России. Здесь отходящие высокотемпературные газы (500—600 °С) газотурбинных или дизельных установок направляются в водогрейные и паровые котлы для получения горячей воды или пара для целей теплоснабжения. В ряде случаев применяются и тепловые насосы.

Несомненным достоинством когенерации является полное использование первичных топливных ресурсов при одновременном снижении отрицательного воздействия на природную среду. Однако ввиду сложности таких устройств они требуют относительно больших инвестиций, высококвалифицированного персонала и обслуживания и высокой надежности установок (во избежание лавинообразного, цепочного развития аварий).

Принципиальная тепловая схема когенерационной энергетической установки с газотурбинной надстройкой (ГТУ) к водогрейному котлу совместно с тепловым насосом

Рис. 6.10. Принципиальная тепловая схема когенерационной энергетической установки с газотурбинной надстройкой (ГТУ) к водогрейному котлу совместно с тепловым насосом

1 - компрессор; 2 - камера сгорания ГТУ; 3 - газотурбинная установка - ГТУ; 4 - электрический генератор; 5 - водогрейный котел; 6 - циркуляционный сетевой насос; 7 - тепловые потребители; 8 - тепловой насос - ТН; 9 - дроссель ТН; 10 - электродвигатель ТН; 11 - источник низкопотенциальной теплоты

Надстройки к котлам могут быть выполнены в виде дизель-генераторных электрических агрегатов, газотурбинных, парогазовых и паротурбинных установок. Во всех случаях комбинаций таких устройств может быть достигнут существенный экономический эффект. По принципу когенерации энергоснабжения проектируется современный комплекс «Москва-Сити» на Красной Пресне, ведется надстройка газотурбинными установками водогрейных котлов на РТС «Люблино», «Курьяново» в Москве и РТС в г. Зеленограде и других местах.

На рис. 6.11 показано изменение относительной стоимости электроэнергии для различных энергетических установок при раздельной работе и когенерации (на различных видах топлива — дорогих и дешевых).

Как следует из рис. 6.11 стоимость производства электроэнергии при когенерации (газотурбинных и дизельных надстройках к

Относительная стоимость топлива (цена топлива/стоимость 1 кВт уст. мощности)

Рис. 6.11. Относительная стоимость электроэнергии для различных энергоустановок при различной стоимости топлива

1 - стоимость электроэнергии при государственном регулировании тарифа от сегодняшнего уровня цен без включения инвестиционной составляющей (работа на износ существующего оборудования) и с включением ее - кривая 2; зона-полоса между ними (1-2) формирует нижний уровень стоимости электроэнергии; 3 - производство собственной электроэнергии на газотурбинных надстройках мощностью 16-20 МВт; 4 - производство собственной электроэнергии на дизель-генераторных надстройках; 5 - производство электроэнергии на крупных ТЭС с перспективными парогазовыми установками в системе РАО «ЕЭС России»; 6 - производство электроэнергии на вновь сооружаемых паротурбинных установках; кривые 5 и 6 формируют верхний предел стоимости электроэнергии на свободном рынке

водогрейным котлам отопительных систем) будет заметно ниже, чем на разделенных паро- и газотурбинных установках за счет более высокого КПД при ко генерации.

Особенно возрастет эффективность когенерации с использованием вместо традиционных рабочих тепловых машин — турбинных, поршневых, холодильных и других, роторно-лопастных преобразователей энергии потоков, получивших название турбоэспандеров. Это новая технология в двигателестроении, основные свойства и достоинства ее заключаются в следующем:

  • • преобразование энергии осуществляется способом объемного вытеснения потока с помощью подвижных лопастей в широком диапазоне мощностей от 1 Вт до 1 МВт (см. рис. 6.12);
  • • возможность работы с любыми видами потоков (газ, пар, жидкость, газожидкостные смеси), в том числе и агрессивных;
  • • эффективная работа преобразователя начинается с перепада давления на нем с 0,1 до 100 кгс/см2;
  • • автоматическая выборка зазоров между трущимися элементами преобразователя, обеспечивающая стабильно высокий КПД преобразования энергии в течение всего времени его эксплуатации;
  • • отсутствие в подшипниковых опорах преобразователя осевых и радиальных нагрузок и, как следствие этого, высокая надежность его работы, длительный срок эксплуатации в необслуживаемом режиме и возможность применения как подшипников качения, так и подшипников скольжения;
  • • простота реализации многоступенчатого преобразования энергии потока газа или пара в механическую энергию, повышающего КПД устройства;
  • • возможность обеспечения требуемых (оптимальных) режимов работы преобразователя по оборотам и моментам нагрузки;
  • • высокая технологичность и относительная простота промышленного производства преобразователей, что определяет сравнительно низкую их стоимость при серийном производстве в широком диапазоне мощностей.
Роторно-лопастной пневмомотор мощностью на 650 Вт при перепаде давления в 4,5 кгс/см; на 2 кВт при перепаде давления в 10 кгс/см. Размер его сопоставим с шариковой ручкой

Рис. 6.12. Роторно-лопастной пневмомотор мощностью на 650 Вт при перепаде давления в 4,5 кгс/см2; на 2 кВт при перепаде давления в 10 кгс/см2. Размер его сопоставим с шариковой ручкой