когенерационные установки что это такое простыми словами
Принцип когенерации. Схема когенерационной установки
Когенерационные установки представляют собой технологическое оборудование, используемое для совместного производства электро- и тепловой энергии. Процесс когенерации осуществляется посредством агрегата, включающего в себя электрогенераторную установку с поршневым двигателем (газопоршневая электростанция) и систему утилизации вырабатываемого тепла. Применение электростанций с технологией когенерации позволяет с используемого топлива получать две формы энергии — электрическую и тепловую. В качестве топлива для когенерационных установок на базе газопоршневых электростанций может использоваться газ — природный, коксовый, биогаз, попутный нефтяной газ (ПНГ) и т.д. Когенерационные установки являются альтернативой существующему энергоснабжению в промышленной и социально значимой сфере, что обуславливается очевидными преимуществами используемого агрегата.
Принцип действия когенерации позволяет использовать тепловую энергию, которая, как правило, уходит в атмосферу вместе с дымовым газом, либо через градирни.
В когенерационной установке имеются 4 основных узла:
Ниже представлена схема когенерационной установки на базе газопоршневой электростанции серии АГП производства ЗАО «ПФК «Рыбинсккомплекс», описан принцип действия когенерации:
Весь принцип работы системы утилизации тепла основан на использовании тепловой энергии выхлопных газов газопоршневой установки.
Жидкостный теплоноситель потребителя (вода) направляется в котёл-утилизатор выхлопных газов. Отходящие газы двигателя внутреннего сгорания проходят через кожухотрубный теплообменник, где производится перенос тепловой энергии жидкостному теплоносителю когенерационной установки, нагревая его до температуры в 90 °С. Далее теплоноситель (вода) отправляется в тепловую сеть потребителя.
Данный контур является основным тепловым контуром оборудования, так как именно здесь осуществляется передача тепловой мощности на теплообменник потребителя.
Тепловой баланс когенерационной установки, (если потребление тепловой энергии клиентом становится меньше, чем вырабатывается когенерационной установкой), обеспечивается байпасным клапаном, который отводит часть выхлопных газов, минуя котёл-утилизатор, в атмосферу через глушитель двигателя.
Отрасль применения когенерационных установок
Тепловая система когенерационной установки имеет значительный потенциал применения в следующих отраслях:
Газопоршневые электростанции серии АГП и когенерационные установки производства ЗАО «ПФК «Рыбинсккомплекс» используются в качестве основного или резервного источника электро- и теплоэнергии для промышленных предприятий и жилого сектора. Модельный ряд газопоршневых электростанций, на которые возможна установка системы утилизации тепла нашего производства: АГП-60, АГП-100, АГП-150, АГП-200, АГП-250, АГП-315, АГП-350.
Организации, использующие когенерационную установку, обеспечивают собственные потребности в электро- и теплоэнергии, что в значительной степени снижает себестоимость выпускаемой продукции и возрастает энергетическая безопасность.
Когенерационная установка (когенератор)
Когенерационная установка (когенератор).
Когенерационная установка (когенератор) – это установка, которая вырабатывает два вида энергии одновременно – обычно электрическую и тепловую энергию, при этом создаётся возможность с пользой утилизировать тепло.
Когенерационная установка (когенератор) и принцип ее действия:
Когенерационная установка (когенератор) – это установка, которая вырабатывает два вида энергии одновременно – обычно электрическую и тепловую энергию, при этом создаётся возможность с пользой утилизировать тепло.
Когенерация (комбинированная генерация) — это совместное производство двух видов энергии: электричества и тепла.
Когенерационная установка, в зависимости от ее устройства, преобразовывает поступающее топливо в электричество с помощью первичного двигателя и электрогенератора, и в процессе работы установки вырабатывается определенное количество тепловой энергии. Далее с помощью системы утилизации тепла тепловая мощность отводится и направляется на использование или обратно в систему для максимальной выработки электричества или в абсорбционно-холодильные машины (АБХМ) для производства холода с последующей реализацией в системах кондиционирования.
Основные части когенерационной установки:
Когенерационная установка состоит из следующих частей:
– первичного двигателя (поршневого двигателя, паровой или газовой турбины и их разновидностей);
– системы утилизации тепла (теплоутилизатора). Теплоутилизатор, как правило, проектируется с учетом параметров и характеристик отходящего потока газов для каждой модели поршневого двигателя или турбогенератора и типа применяемого топлива. Для повышения производительности тепловой части когенерационной системы утилизатор может дополняться экономайзером;
– системы контроля и управления.
Виды когенерационных установок:
1. на основе поршневого двигателя:
При этом используются следующие типы поршневых двигателей:
– воспламеняемые от сжатия, которые работают на природном газе или дизельном топливе ;
2. на основе паровой турбины:
При этом используются следующие типы паровых турбин:
– с противодавлением (давление пара на выходе турбины выше атмосферного);
– конденсационные (давление пара на выходе турбины ниже атмосферного).
При использовании конденсационных паровых турбин, может применяться дополнительный конденсор, позволяющий увеличить электрическую эффективность.
3. на основе газовой турбины:
При этом могут строиться системы в зависимости от задачи:
– с прямым использованием отходящих горячих газов;
– с производством пара низкого или среднего давления (8-18 кг/см 2 ) во внешнем котле;
– с производством горячей воды;
– с производством пара высокого давления.
Преимущества использования когенерационных установок и когенерации:
– значительное снижение себестоимости электроэнергии и тепла;
– уменьшение затрат на топливо и электроэнергию. КПД производства энергии из первичного топлива увеличивается в 2-3 раза, потребители сокращают затраты на топливо на две трети и получают возможность эффективного применения утилизируемого тепла (сушка, охлаждение, кондиционирование и т.д.);
– мобильность, малые габариты, относительная легкость монтажа и подготовленность к быстрому подключению к инженерным коммуникациям когенерационных установок;
– независимость от централизованного энергоснабжения;
– надежность энергоснабжения благодаря синхронизации электрогенераторов с сетью, параллельной работе в режиме “нулевого перетока”, оптимизации базовой нагрузки, снятию пиковых нагрузок, резервированию мощности;
– малые сроки строительства. Они значительно короче сроков по сравнению со строительством электростанций парогазового цикла и крупных котельных;
– возможность дальнейшей модернизации и наращивания суммарной мощности;
– при использовании газового топлива, преимуществом является его относительная дешевизна и доступность;
– позволяет воздержаться от бесполезных и экономически неэффективных затрат на средства передачи энергии;
– снижает потребности в новых линиях электропередач.
Применение когенерационных установок:
– в районных энергосистемах и локальных энергоцентрах с незначительным удалением от конечных потребителей;
– в качестве основного или резервного источника тепло- и электроснабжения предприятий и объектов;
– на очистных сооружениях, когда в качестве топлива используется биогаз сточных вод;
– на предприятиях агропромышленного комплекса, когда в качестве топлива используется биогаз отходов сельского хозяйства и иных органических и пищевых отходов;
– на мусоросжигательных и перерабатывающих заводах, когда в качестве вторичного или основного топлива используется свалочный газ;
– на предприятиях фармацевтической и пищевой промышленности, с использованием тригенерации для технологического охлаждения и промышленного кондиционирования;
– в тепличных хозяйствах и комплексах одновременно с использованием оборудования очистки содержащегося в выхлопных газах диоксида углерода СО2 для подкормки тепличных культур и увеличения урожайности ;
– в торгово-развлекательных комплексах, гипермаркетах, крупных гостиницах для комплексного энергоснабжения и кондиционирования в жаркое время года;
– при строительстве новых производств и введении дополнительных мощностей действующих предприятий, когда от внедрения автономной мини-ТЭЦ исключаются затраты на подключение к сетям, строительство ЛЭП и подстанций, которые вполне сопоставимы со стоимостью строительства мини-ТЭЦ;
– в аэропортах для увеличения надежности (бесперебойности) электроснабжения с улучшением качества электроэнергии;
– на предприятиях нефтегазовой промышленности, нефтяных месторождениях с использованием в качестве топлива попутного нефтяного газа ;
– для энергоснабжения горнодобывающих предприятий, когда подключение к внешней энергосистеме затруднено.
Когенерация. Что это такое?
Оглавление
Когенерация применяется в отрасли электроэнергетики, и представляет собой технологический процесс одновременного совместного производства электрической и тепловой энергии. Основным посылом при развитии когенерации является тот факт, что в процессе выработки электрической энергии имеется техническая возможность утилизировать (снимать) попутное тепло.
В настоящее время данный процесс является наиболее экономически целесообразным способом выработки энергоресурсов, повышая общий КПД когенерационных установок до 90%. Когенерация в России и мире активно используется в современных энергетических системах, на городских теплоэлектроцентралях (ТЭЦ), оказывающих централизованное электро- и теплоснабжение большому числу потребителей.
Когенерационная установка на объекте Группы компаний «МКС» ®
Когенерационная установка
Принцип работы когенерационных установок
В зависимости от принципа действия выделяют несколько типов когенерационных станций. Рассмотрим когенераторы на базе газопоршневых агрегатов. Горючий газ необходимых параметров поступает на газопоршневой двигатель. В процессе сжигания топлива образуется механическая энергия, передается через единый вал на генератор и преобразуется в электрическую энергию стандартных параметров качества.
При работе двигателя внутреннего сгорания выделяется большое количество теплоты, которое можно утилизировать с помощью специального оборудования и затем использовать. При этом для получения данной энергии не затрачивается дополнительное количество топлива – данный продукт является попутным при технологическом процессе выработки электрической энергии. Основные источники попутного тепла при работе газопоршневой электростанции:
Данные источники можно использовать для получения тепловой энергии (утилизации тепла), регулируя тем самым температуру и объем получения энергетического ресурса, а также объем устанавливаемого вспомогательного оборудования.
Система утилизации тепла с когенерационных установок позволяет получать попутную тепловую энергию необходимых параметров с помощью теплообменников и котлов-утилизаторов, с помощью которых отводится тепло от нагретых частей и сред. Вырабатываемая тепловая энергия подается в существующую систему теплоснабжения предприятия (когенерация). При неиспользовании попутного тепла тепловая энергия сбрасывается в атмосферу.
Принципиальная схема технологического процесса утилизации тепла с газопоршневых агрегатов приведена на рисунке ниже.
Принципиальная схема устройства установки когенерации
Термический (тепловой) КПД ГПУ находится примерно на одном уровне с электрическим, обеспечивая практически одинаковые выходные параметры по электрической и тепловой мощности вне зависимости от того, рассматривается когенерационная установка малой мощности, средней или большой.
Работа системы утилизации тепла газопоршневой установки организована несколькими тепловыми контурами. Укрупненная схема технологического процесса работы контуров ГПУ номинальной электрической мощностью 2000 кВт для обеспечения утилизации тепла с теплообменников и котлов-утилизаторов приведена на рисунке ниже.
Технологическая тепловая схема когенерационной станции MWM 2000 кВт
Приведенная схема технологического процесса отражает исключительно гидравлическое подключение газопоршневого агрегата MWM.
На рисунке обозначены следующие контуры:
Температура воды на выходе из системы утилизации тепла когенерационной установки 90°С, на входе вода поступает с температурой 70°С. 50% тепла получается за счет охлаждения двигателя с помощью теплообменников этиленгликоль/вода, при этом, теплоноситель нагревается на 10°С (с 70°С до 80°С). Остальные 50% тепла производится за счет охлаждения отводимых дымовых газов с 500°С до 120°С на котле-утилизаторе. Теплоноситель при этом нагревается еще на 10°С (с 80°С до 90°С).
При работе газопоршневой электростанции выработка электрической энергии является приоритетной задачей. Выработка тепловой энергии (когенерация тепла) пропорциональна степени загруженности машины (количеству вырабатываемой электроэнергии). Когенерационные установки российского производства реже встречаются на рынке малой распределенной энергетики, но имеют аналогичный принцип работы и условия.
Инженерные решения
При проектировании осуществляется полный расчет когенерационной установки, всех ее параметров, режимов работы, характеристик и условий. Контуры аварийного охлаждения двигателя и охлаждения топливной смеси систем утилизации тепла имеют в своем составе воздушные охладители, как правило, расположенные на крыше блок-контейнера ГПУ.
В целях предотвращения размораживания трубопроводов и воздушных охладителей, что неизбежно привело бы к их выходу из строя, в качестве теплоносителя (согласно рекомендациям завода-изготовителя MWM) необходимо использовать раствор этиленгликоля. Замена теплоносителя в контурах с раствором должна производиться один раз в год. Этиленгликоль доставляется автотранспортом в 200 литровых бочках.
Компенсация теплового расширения теплоносителя предусматривается за счет монтажа расширительных баков в каждом контуре когенератора. Предусмотрена установка запорной арматуры для отключения баков от системы и опорожнения их на время проведения технического обслуживания.
Для оборудования и трубопроводов с теплоносителем предусмотрена дренажно-сливная система с организованным сбором (из основного, теплообменного, вспомогательного оборудования, отсекаемых участков трубопроводов). Аварийный сброс теплоносителя производится в специальные емкости с последующим отводом в промежуточный колодец-охладитель с последующим сбросом в хоз. бытовую канализацию.
Для обеспечения нормативного уровня тепловых потерь трубопроводов и безопасной для человека температуры их наружных поверхностей предусмотрены теплоизоляционные конструкции.
3D-визуализация тепловых контуров когенерационной станции (проектные разработки Группы компаний «МКС»): контур нагрева, контур охлаждения двигателя, контур охлаждения топливной смеси, контур аварийного охлаждения двигателя, контур предварительного подогрева воздуха
Управление
В целях управления и контроля за работой газопоршневым когенерационным агрегатом устанавливаются шкафы управления. Монтаж данных шкафов производится в непосредственной близости от самого агрегата. Место расположения устройства управления (управляющего компьютера) может быть свободно выбрано в зависимости от пожелания заказчика: как на агрегате, так и на пульте управления.
Система управления выполняет определенный набор основных функций, необходимый для безопасной и эффективной эксплуатации когенерационной установки: мониторинг все параметров, управление основными системами, исполнительными механизмами, коммутационной и запорно-регулирующей аппаратурой.
Система управления когенерационной установкой на объекте Группы компаний «МКС» ®
Расширенные функции системы управления связаны, в том числе, с работой системы утилизации тепла, в частности, но не ограничиваясь следующие:
Режим работы
При работе газопоршневой установки в режиме когенерации выработка электрической энергии является приоритетной задачей работы установки Выработка (утилизация) тепловой энергии пропорциональна степени загруженности машины (количеству вырабатываемой электроэнергии). При превышении тепловой мощности, вырабатываемой электростанцией над мощностью потребления, неиспользованная или лишняя часть попутного тепла газопоршневых установок сбрасывается в атмосферу. При обратной ситуации, при дефиците тепла, утилизируемого с газопоршневой установки, когда требуемая электрическая нагрузка меньше тепловой, проблему нехватки тепла решают путем установки дополнительных водогрейных или паровых котлов параллельно с системой утилизации тепла установки когенерации.
Режим когенерации является наиболее экономически целесообразным способом выработки энергоресурсов, повышая общий КПД когенерационных установок свыше 90%.
Виды когенерации
Система утилизации тепла газопоршневых электростанций позволяет снимать попутное тепло от работающего двигателя с помощью теплообменников и котлов-утилизаторов. Система позволяет получить тепловую энергию необходимых параметров:
Наибольшее распространение получили водогрейные системы утилизации тепла когенерационных установок – это наиболее простые и оптимальные решения, основанные на использовании пластинчатых теплообменников и котлов-утилизаторов (КУ), нагревающих сетевую воду.
Структурная схема технологического процесса получения пара со сдвоенного КУ 
Внешний вид сдвоенного парового котла-утилизатора 
3D-визуализация тепловых компоновки газопоршневой установки и парового котла-утилизатора
Тригенерация
Помимо режима когенерации с одновременной выработкой двух энергоресурсов, на газопоршневой установке можно с помощью специально установленного оборудования организовать режим тригенерации – одновременной выработки трех энергоресурсов – электроэнергии, тепла и холода.
Тригенерационные установки являются очень выгодным оборудованием в сфере малой распределенной генерации, т.к. позволяют использовать утилизированное с газопоршневых установок тепло не только зимой в целях отопления, но и летом для кондиционирования помещений или охлаждения в технологических нуждах. Тем самым повышается общий КПД установки, которая в таких условиях может использоваться круглый год, сохраняя высокую эффективность.
Общая структурная схема режима тригенерации
Внешний вид АБХМ различной мощности 
Система тригенерации, внедренная на объекте Группы компаний «МКС» ®
Топливо
Когенерационные станции работают на различных видах горючего газообразного топлива. Наиболее распространенным и эффективным видом топлива является природный газ. Другие возможные виды газообразного топлива:
При использовании альтернативных видов газообразного топлива необходим предварительный анализ газа и проверка состава и параметров газа на соответствие требованиям завода-изготовителя.
Оборудование
«Сердце» газопоршневой когенерационной электростанции – газовый двигатель MWM, соединенный на одном валу и установленный на одной раме с генератором переменного тока. Установка оснащается сопутствующим оборудованием, необходимым для нормальной эксплуатации. Линейку газопоршневых агрегатов MWM с указанием основных технических характеристик можно посмотреть на нашем сайте в разделе «Оборудование».
На рынке также существуют иные производители когенерационных установок: caterpillar, viessmann, jenbacher, cat, man и т.д.
Оборудование системы утилизации тепла (тепловой модуль) для газопоршневой когенерационной установки поставляется комплектно с КГУ. Расположение вспомогательного оборудования предусматривается таким образом, чтобы обеспечить безопасное производство работ при техническом обслуживании, ремонте и замене.
Реализация проектов когенерации
При реализации объектов газопоршневых когенерационных электростанций основное внимание уделяется качеству и комплексу оказываемых услуг, поэтому, как правило, такие проекты реализуют инжиниринговые компании, выполняющие весь комплекс работ «под ключ» – от проектно-изыскательских работ до запуска объекта и его обслуживания.
На диаграмме представлена укрупненная блок-схема процесса выполнения работ по строительству ГПЭС «под ключ» силами одного из лидеров по запуску таких объектов в России на базе газопоршневых когенерационных установок Группа компаний «МКС». Каждый этап этой технологической цепочки очень важен, не возможен без других и требует высочайшей компетенции исполнителей. Очевидно, что если все работы выполняются одной компанией «под ключ», то итоговая стоимость такого объекта будет ниже, чем если бы каждый этап выполняли разные подрядчики. Также единый исполнитель проконтролирует качество работ на каждом этапе, чего нельзя сказать о нескольких подрядчиках, где каждый отвечает только за свой конкретный объем, а не за проект в целом.
Укрупненная блок-схема работ «под ключ» 
Преимущества когенерации
Проекты когенерации (тригенерации) обладают целым рядом преимуществ. Основные из них следующие:
Экономика и эффективность когенерации
Когенерационные установки повышают эффективность для предприятия потребителя в части его системы энергоснабжения. Основной экономический эффект при использовании rогенерационной установки заключается в получении попутных условно бесплатных энергетических ресурсов (тепло, холод) без дополнительных затрат на топливо. Этот эффект приводит к заметному снижению себестоимости выработки электроэнергии по отношению к режиму моногенерации (только выработка электричества), когда все затраты распределяются только на один ресурс. В результате когенерации потребитель получает все вырабатываемые ресурсы значительно дешевле, чем от централизованных сетей.
Также значительным критерием в сторону когенерации является размещение генерирующего объекта в непосредственной близости от потребителя – это снижает потери при передаче и исключает наличие транспортной составляющей в стоимости энергетических ресурсов.
В связи с этим, проекты реализации газопоршневых когенерационных электростанций сейчас имеют довольно привлекательный срок окупаемости для предприятия-потребителя – до 5 лет. При этом, сроки реализации таких проектов укладываются, как правило, в один календарный год, что делает проекты установок когенерации (тригенерации) не только доступным, но и очевидно выгодным и логичным шагом.
Мини-ТЭС производства Группы компаний «МКС» ® в составе предприятия по добыче и переработке природного камня
Стоимость реализации проектов когенерации
Вопрос стоимости реализации проектов когенерации и тригенерации всегда остается одним из основных. По средним оценкам инжиниринговых компаний, организующих реализацию проектов мини-ТЭС, ориентировочная удельная стоимость строительства такого объекта «под ключ» в режиме когенерации составляет около 650 евро за 1 кВт установленной электрической мощности. При усложнении проекта до режима тригенерации предварительная удельная стоимость может составить до 750-800 евро за 1 кВт установленной электрической мощности и выше, в зависимости от сложности и объема оборудования.