Публикации
Възможности за изграждане на паро-газови централи в Р.България
В последно време все по-често специалисти алармират,че с прогнозирания икономически растеж на страната през следващото десетилетие ще се получи остър недостиг на електроенергия за промишлеността. В плана за развитие на електроенергийния сектор в България(2000-2020г.) изготвен от експерти на НЕК и актуализиран към 2004г. се прави обстоен анализ на настоящото състояние и извода е, че към 2007г. ще се появи дефицит от 200-250МW,а в периода 2012-2018г. ще се нуждаем от още 1000-2000МW.Тези прогнози са правени при отчитане на факта,че голяма част от инсталираните мощности са, или след няколко години ще бъдат морално и физически остарели (ТЕЦ “Варна”,ТЕЦ “Русе-изток”).Друг много тревожен аспект за нашата енергетика са екологичните норми,които трябва да се гонят в ангажиментите към Протокола от Киото.Тези екологични норми са много трудно достижими, като се има превид, че голямо количество електроенергия се получава на база нискокачествени лигнитни въглища с голямо пепелно съдържание (комплекса “Марица-изток).В последните години от гледна точка на поевтиняване на горивото и подобряване на екологията около ТЕЦ някои наши централи (основно топлофикационни) се надстроиха с модули произвеждащи топло и електроенергия за сметка изгаряне на природен газ (ТЕЦ “София-изток”,ТЕЦ “Марица 3”). За съжаление много по-малко внимание се обръща на възможноста за изграждане в България на електроцентрали от т.н. паро-газов тип.Това са централи, които работят по паро-газов или още наречен бинарен цикъл, при съвместна работа на парна и газова турбина.При използване на такъв вид съоръжения е възможен максимален КПД (до 80-85%), вследствие на големия температурен диапазон, в който се развива термодинамичния цикъл (много висока температура пред газовата турбина и много ниска температура след парната).Изградените в света централи от този тип използват основно две схеми на работа. При първата схема се използва високонапорен парогенератор,работещ с газообразно гориво.Това е един херметически затворен парен котел допускащ работа на пещта под налягане 0,5-0,8 МРа.Изходящите газове от пещта задвижват газова турбина високо налягане, която от своя страна задвижва компресор подаващ сгъстен въздух необходим за горивния процес.Отработените до някакво налягане димни газове постъпват в газова турбина ниско налягане,разположена на един вал с парна турбина.Останалата част от схемата е като при обикновена паротурбинна централа.КПД на такава централа е по-високо от това на обикновена паросилова инсталация, тъй като газовата турбина ниско налягане дава допълнителна електрическа мощност.При втория тип схема се използва котел-утилизатор.При такава компановка отработените след газовата турбина димни газове постъпват в котел-утилизатора, в който се генерира пара с достатъчно високи параметри.С тази пара се захранва традиционна паротурбинна инсталация.
Освен висок КПД паро-газовите инсталации имат ниски инвестиционни разходи и много по кратък срок за изграждане спрямо например въглищни централи.В резултат на това 70% от ново-изгражданите електроцентрали в света са с паро-газов цикъл.Характерно за такъв вид съоръжения е,че лесно могат да бъдат адаптирани към площадките на вече съществуващи производствени мощности и дори към такива изведени от експоатация.Като база за бъдещо изграждане могат да се вземат предвид вече неизползваемите ТЕЦ на територията на химическите комбинати в Стара Загора,Враца и Плевен, което още повече би намалило инвестиционните разходи.Такова намаляване на разходите ще се получи от факта, че на тези площадки има вече изградени комуникации (пътища,електроснабдяване,водоснабдяване,канализации,телефонизация), изградено техническо водоснабдяване, връзка с енергийната система на страната, фундаменти и сгради, които могат да поемат голяма част от новото оборудване, изградени газопроводи и електропроводи.Потвърждение на казанато е изпълнението на за съжаление единствения в България проект от такъв род.Става въпрос за изграждането на паро-газова инсталация на територията на ТЕЦ “Девен”.Тази инсталация е проектирана по втората от горе посочените схеми (газова турбина-котел утилизатор-противоналегателна парна турбина) и е с мощност 280МW.Инвестиционните разходи са около 400 млн.лв.,което е значително по-малко от капиталовложенията за същата мощност работеща на друг принцип.
Досега се изтъкнаха факти,които посочваха единствено положителните страни на тази технология.Както и всяка друга тя си има своите недостатъци.Основен минус на паро-газовите ТЕЦ е използването на природен газ,който е вносно гориво и едва ли не ни прави зависими от страната вносител(в нашия случай Русия).До известна степен този недостатък може да се предотврати при настъпването на един либерализиран пазар на газта.Такъв пазар може да има след построяване на газопровод по проекта “Набуко”, свързващ Каспийския регион и Близкия Изток с Централна и Източна Европа.
Любомир Стайков
12.06.2006 г.
За възможностите за външен монтаж на когенерационни инсталации
За всички нас енергопроизводството и енергетиката, като цяло, е процес свързан с големи капиталовложения. Всички свързваме енергопроизводството с големи (в някои случаи огромни) производствени предприятия, състоящи се от големи по брой и размери производствени помещения и спомагателни площадки.
С цел намаляване капиталовложенията и себестойността на електроенергията, световните производители на когенерационно оборудване изкараха на пазара инсталации, които освен че изискват много ограничено място за монтаж, могат да се монтират на.....открито. Да, няма грешка, наистина за много от нас е трудно да си представим ТЕЦ разположен на открито, но такова нещо същесвува, и което е по важното инсталация от такъв тип трябва да заработи и у нас до една година. Подобна инсталация, с външен монтаж е много вероятно да бъде изградена в ТЕЦ “Плевен- градска”.
При подобен тип инсталации, цялото оборудване е произведено по всички изисквания за открит монтаж, като единствено пултовете за управление трябва да бъдат монтирани на закрито. Едно такова решение неминуемо води до намаляване на капиталовложенията. При внимателно проектиране и избор на оборудване, може да се достигне инвестиция от порядъка на 400- 600$ за инсталиран киловат, което е значително по- малко от инвестициите за големи въглищни централи, а дори и от инвестициите за миниВЕЦ.
От гледна точка максимална икономическа ефективност мощноста на такива инсталации се движи в диапазона 10- 100 MW.
Любомир Стайков
29.06.2006 г.
Сравнение между когенерационните инсталации. Предимства и недостатъци на различните видове двигатели
При по- голяма част от промишлените производства, енергийната компонента е определяща при формиране крайната стойност на произвеждания продукт. Обикновено разходите за топло- и електроенергия представляват 30 до 70% от общите производствени разходи. В условията на пазар, с прогнозирано нарастване на цените на енергоносителите в дългосрочен план е необходимо намиране на решение за намаляване стойноста на топло- и електроенергията, при спазване на всички екологични норми. Едно съвременно решение се явява когенерацията. Основните предимства на тази технология за комбинирано топло- и електропроизводство са високата ефективност, екологосъобразност, и голямата гама от единични мощности предлагана от производителите. Появата в последно време на когенератори с малка единична мощност, позволява внедряването им, не само в промишленоста, но и като източник на електричество, отопление или охлаждане на жилищни сгради.
Когенерационните инсталации се състоят от следните основни компоненти: двигател, електрически генератор, утилизатор на топлина и система за контрол и наблюдение. Когенерационните инсталации, като правило се класифицират взависимост от типа на основният двигател и вида на използваното гориво. По- надолу е показано сравнение между следните типове основни двигатели: парни турбини, газови турбини, бутални двигатели, турбини с комбиниран цикъл и микротурбини.
Парни турбини
Парните турбини се използват в качеството си на основни двигатели в промишлени когенерационни инсталации в течение на много години. Парата, получавана в парни котли се разширява при преминаване през лопатките на турбината. При това топлинната енергия се превръща в механична, използвана от генератора за производство на електроенергия. Електрическата мощност зависи от разликата между наляганията и температурите на входа и изхода на турбината, както и от количеството пара. КПД-то на паротурбинни цикли използвани само за производство на електроенергия е много малко (25- 35%), но при реализиране на когенерационен цикъл сумарната ефективност нараства и може да достигне 80%. От това следва, че когенерационните инсталации с парни турбини могат да намерят приложение на места, с голям и относително постоянен топлинен товар.
За ефективна работа, парата трябва да се подава към турбината с висока температура и налягане (4,2 МРа при 4000С или 6,3 МРа при 4800С). Такива параметри предявяват завишени изисквания към котелното оборудване, което е причина за по- големи първоначални капиталовложения. Преимущество на технологията е възможноста за използване на широк спектър от горива, включително твърди. От друга страна използването на твърди горива или тежки нефтени фракции рефлектира върху екологичните показатели на инсталацията.
Парните турбини използвани в когенерационни инсталации биват два вида: противоналегателни (при които налягането на парата след турбината е по- високо от атмосферното) и кондензационни с пароотнемания (при които налягането на парата след турбината е по- ниско от атмосферното). Вторият тип турбини позволяват увеличаване на електрическата ефективност, но практически свеждат до нула последващо използване на отходната топлина.
Газови турбини
Благодарение на повишеното използване в последно време на природен газ, в качеството му на основно гориво за енергетиката, газовите турбини намериха широко приложение. Независимо, че максимална ефективност на оборудването се постига при мощности над 5 МW (и до около 250- 300 МW), някои производители предлагат модели с мощност в диапазона 1- 5 МW.
Принципът на работа на газовите турбини се състои в следното: газът се нагнетява в горивна камера, където се смесва с въздух, подаван от турбокомпресор (най- често задвижван от самата турбина) и така получената горивна смес се запалва. Образуваните продукти на горенето с висока температура (900- 12000С), преминават през няколко реда лопатки (взависимост от мощноста), фиксирани към вала на турбината, при което той се завърта. Механичната енергия на вала се придава на електрически генератор. Освен за производство на електричество, механичната енергия може да се използва за привеждане в работа на помпи, компресори, вентилатори и др.
Традиционно гориво за газовите турбини се явява природният газ, но това не изключва възможноста за използване на други газообразни горива. В повечето случаи се предявяват завишени изисквания към качеството на газа от гледна точка на механични примеси, влажност и др.
Температурата на изходящите от турбината газове е 450- 5500С. Количественото съотношение на топлинната към електрическата енергия при газовите турбини е 1,5:1 до 2,5:1, което позволява да се строят когенерационни инсталации с различен тип топлоносител, като:
- непосредствено (пряко) използване на изходящите горещи газове;
- производство на пара с ниско или средно налягане (0,8- 1,8 МРа);
- производство на гореща вода;
- производство на пара с високо налягане (турбини с комбиниран цикъл, описанието на които е дадено по- надолу);
КПД-то на газовите турбини е от порядъка на 25- 35%, взависимост от работните параметри и характеристиките на горивото. В състава на когенерационна инсталация ефективноста може да достигне до 90%. Освен всичко друго газовите турбини имат и добри екологични параметри (ниски емисии NOx).
Работата на турбините се съпровожда от високо ниво на шума, поради което е необходимо тези съоръжения да се разполагат на промишлени площадки.
Бутални двигатели
Буталните двигатели имат ефективност, съизмерима с тази на турбините в част електропроизводство. От друга страна ефективната експлоатация на такива инсталации е усложнена, поради пулсиращата характеристика на потока изходящи газове (с температура около 4000С). Освен това е на лице разсейване на част от топлината, която се отвежда от системата за охлаждане на двигателите. Количественото съотношение на топлинната и електрическата енергия при буталните двигатели е в порядъка на 0,5:1 до 1,5:1.
В практиката намират приложение два типа бутални двигатели:
- със самовъзпламеняване, които могат да работят с дизелово гориво и с природен газ (с добавено 5% дизелово гориво за самовъзпламеняване на сместа). Най- масовите модели са с изходяща електрическа мощност 15 МW. Най- често, като гориво се използва природен газ, поради по- добрите екологични характеристики и само в редки случай (например поради липса на газопровод), дизелово гориво.
- с искрово запалване, при които изходната електрическа мощност, като правило е 15- 20% по- ниска от на предходните. Топлинната мощност също е по- ниска. Двигателите с искрово запалване могат да работят с чист природен газ. В качеството си на гориво може да се използва и биогаз.
При използване на бутални двигатели, топлинната енергия най- често се оползотворява, чрез:
- производство на пара с налягане до 1,5 МРа;
- производство на гореща вода с температура до 1000С;
- непосредствено използване на изходящите димни газове в сушилни или други инсталации;
Освен топлината на изходящите газове, може да се използва и топлината от системата за охлаждане, но тя се характеризира с нисък енергиен потенциал.
При подготовка на местата за монтиране на бутални двигатели трябва да се обърне особенно внимание на вибрациите. Шумът е относително силен, но е по- слаб всравнение с газовите турбини.
Съществува ограничение за работа с непълна мощност. Като правило, не се допуска работа с натоварване под 50% за дълъг период от време.
За намаляване високоите емисии на вредни вещества от буталните двигатели, се работи в две направления. Първото включва използване на външни каталитични филтри, а второто е свързано с подобряване конструктивните характеристики на самите двигатели, като основно се цели увеличаване времето на горене и степента на изгаряне на горивната смес. Всичко това е свързано с нарастване размера на капиталовложенията.
Системи с комбиниран цикъл
Кобинираните системи се изграждат на основа на индустриална газова турбина, потока от изходящи газове на която, се използва за производство на пара с високо налягане и температура. Така произведената пара се подава към парна турбина. Като правило, такива инсталации се използват в случаи, когато е необходимо да се максимализира производството на електроенергия. Когенерацията в този случай се реализира за сметка отвеждане на част от топлината от парната турбина. Изграждането на такива инсталации изисква повече място, по- голям размер на капиталовложенията и по- квалифициран експлоатационен персонал. Като гориво се използва основно природен газ, което подобрява екологичните параметри. Работата на такъв тип инсталации се характеризира с високо ниво на шума, поради което за изграждането им се предпочитат промишлени зони.
Микротурбини
Микротурбините се използват в качеството си на двигатели, към компактни модулни електрогенератори, работещи в диапазона 25- 200 kW. Всички движещи се части: въздушният компресор, генератора и самата турбина са разположени на един вал. За охлаждане на двигателя и управляващата електроника се използва въздух, което позволява значително намаляване себестойноста на системата (отпада нуждата от затворена маслена охладителна система). Като гориво за микротурбините основно се използва природен газ, но те могат да работят и с други въглеводородни горива (биогаз, пропан- бутан, дизелово гориво, керосин и др.). Микротурбините имат най- добри екологични показатели, всравнение с всички досега разгледани технологии. При тях няма вибрации, а акустичните емисии не надвишават 65 dB и се гасят лесно с допълнителен кожух. Корпусите се изпълняват влагозащитени, което позволява монтаж и на открити площадки.
Поради факта, че микротурбинната технология е в процес на разработка, получаваната по този начин електроенергия е с по- висока себестойност, в сравнение с другите методи. Повишаване на ефективноста може да се постигне, чрез използването на микротурбините в когенерационни инсталации. Това се определя от температурата на изходящите газове (270- 3000С) и количественото съотношение на топлинната и електрическата енергия ( от 2:1 до 2,5:1). Когенерацията може да се реализира, чрез:
- пряко използване на газовете за сушилни или други промишлени процеси;
- подгряване на вода или гликол във външен или интегриран топлообменник за нуждите на отопление и/или горещо водоснабдяване;
- интегриране с климатични системи за охлаждане на помещения (например с абсорбционен чилър);
Освен това, когенерация на база микротурбини може да се реализира, като допълнение на индустриални системи за производство на топлинна енергия. Малката единична мощност и възможноста за ефективна работа в диапазона 0- 100%, позволява производство на енергия при увеличен срок на експлоатация и икономия на гориво. Реализиране на когенерация с микротурбина е изключитено сполучливо решение при използване, като гориво на сернист газ или друг газ с ниска топлотворна способност.
Обобщаване предимствата и недостатъците на различните типове двигатели, намиращи приложение в когенерационните инсталации
Двигател | Предимства | Недостатъци |
---|---|---|
Парни турбини | Висока призводителност. Възможност за използване на широк спектър от горива. Продължителен срок на експлоатация. | Висока инертност (дълъг период на пуск). Високи начални капиталовложения за единица мощност. Продължителен и сложен капитален ремонт. Висока квалификация на персонала. |
Индустриални газови турбини | Висока надежност. Отсъства водна система за охлаждане. Ниски емисии вредни вещества. Позволява произвоство на топлина с високи параметри. | Високи нива на шума. Необходима е подготвка на горивото преди изгаряне (очистка, осушаване, компресия). Сравнително дълъг период на пуск (1- 2 часа). Продължителен и сложен капитален ремонт. |
Бутални двигатели | Висока производителност. Относително ниска стойност на първоначалните капиталовложения. Възможност за автономна работа. Възможност за използване на голяма гама от горива. Бърз и лесен пуск. | Високи емисии на вредни вещества. Високи нива на нискочестотен шум. Ниска топлинна ефективност. Високо съотношение тегло/ изходяща мощност. По- малък експлоатационен ресурс, в сравнение с турбините |
Комбиниран цикъл (газова и парна турбина) | Висока производителност. Продължителен срок на експлоатация. Максимално електропроизводство. Ниски емисии на вредни вещества. | Продължителен и сложен пуск. Високи първоначални капиталовложения. Високи нива на шума. Продължителен и сложен капитален ремонт. Висока квалификация на експлоатационния персонал. |
Микротурбини | Висока надежност и дълъг срок на експлоатация. Ниски разходи за обслужване и ремонт. Възможност за горива. Най- ниски емисии на вредни вещества от всички разгледани технологии. | Относително високи начални капиталовложения. Относително ниска изходяща мощност от един модул. |
Любомир Стайков
28.03.2007 г.
Възможности за изграждане на локални топлоснабдителни системи на база микротурбинни когенерационни модули
Живеейки в един свят, който от една страна постоянно увеличава енергийните си потребности, а от друга е разбрал, че евтината, качествена и безопасна енергия е мираж сме длъжни да търсим начини и пътища за по- рационално използване на наличните първични енергийни ресурси.
Големият бум на строителство в последните години и особено по отношение на модерни жилищни комплекси, бизнес паркове, хотелски и търговски комплекси задължава инвеститорите, проектантите и фирмите производители на оборудване да търсят нови и модерни начини за задоволяване нуждите от топлинна (хладилна) енергия. Споменатите по- горе категории обекти се характеризират с това, че се нуждаят от големи количества топлинна енергия, в това число и за нуждите на охлаждането през летните месеци. Тенденцията да се изграждат и използват инсталации, които служат, както за отопление, така и за охлаждане допринася за относително постоянния годишен товар. В последно време за задоволяване нуждите с топлинна енергия се наблюдават основно три тенденции. Това са: централна (градска) топлоснабдителна мрежа, термопомпени модули и локални водогрейни котли. Централното топлоснабдяване от своя страна е реализирано в малко български градове, но и там където го има то е базирано на една или няколко големи топлоцентрали, което е свързано с пренасяне на топлина на големи разстояния (десетки километри). Освен това наличието на сложна система от тръбопроводи и помпени станции, съчетано с тежко технологично състояние води до голям процент загуби, а от там и до относително висока себестойност. Термопомпеното отопление (охлаждане) е сравнително нова за България тенденция. Предимството му се състои в това, че с един модул може да се реализира отопление и охлаждане. Ефективноста му е голяма, когато се реализира централно термопомпено отопление (охлаждане), което от своя страна е затруднение при жилищни сгради, поради трудности в отчитане на индивидуалните консумации.
Централизирано термопомпено отопление се прилага най- вече в хотелски и търговски комплекси, като за всяка отделна сграда трябва да се предвиди отделен топлоизточник. Локалните водогрейни котли са компактни, изискват малки инвестиции, но произвеждат относително скъпа топлоенергия. Както се вижда всички изброени методи имат своите предимства и недостатъци. От това следва, че начинът за получаване на по- евтина качествена енергия трябва да обхваща предимствата на всички горепосочени методи, като изключва по- големите им недостатъци. Една такава възможност е изграждането на локални топлоснабдителни системи на база микротурбинни когенерационни модули. Микротурбините са предназначени за комбинирано производство на топло и електроенергия. Характерно за тях е, че са изключително ефективни в случаите, когато е възможно реализиране на тригенерация, т.е. производство на електроенергия, топлоенергия и студ. Тригенерацията дава възможност за ефективно използване през летния период на утилизираната топлина. Това качество е много важно в случаите, когато потребноста от топлина през лятото (основно за БГВ) е незначителна. Включването в схемата на абсорбционни машини позволява преобразуване на топлоенергията в студ, което повишава техническата и икономическата ефективност на когенерационните мощности.
Основно предимство на микротурбините се явява възможноста за задоволяване нуждите на обекти с голяма цикличност през денонощието. Затова те са предназначени за задоволяване нуждите на жилищни комплекси, развлекателни и търговски центрове, бизнес паркове, басейни, болници и др., при които денонощното натоварване се изменя в голям диапазон.
Тук е мястото да се спомене, че ефективноста на локалните топлоснабдителни системи на база микротурбинни модули е възможна, когато проектирането и изграждането им съпровожда проектирането и изграждането на самите комплекси (консуматори). Обикновено локалните топлоцентрали се разполагат в самостоятелни помещения по възможност в средните части на комплекса. От там, чрез подземно положени тръбопроводи се достига до всяка сграда, където се разполагат абонатните станции и абсорбционните модули (за производство на студ). Изборът на това, каква част от общата инсталирана топлинна (хладилна) мощност да се поема от микротурбината (микротурбините) се прави от проектантския екип и е строго специфичен за всеки отделен случай. Най- общо може да се каже, че микротурбинния модул (модули) трябва да покрива 60- 80% от общия изчислителен товар. Поради това е необходимо дооборудването на локалните топлоцентрали с допълнителен върхов водогреен котел (най- често също на природен газ).
Съществено преимущество на микротурбинните когенерационни модули са добрите им екологични характеристики и ниските нива на шум и вибрации, което ги прави единствения когенератор, който може да се експлоатира в плътно застроени зони, в това число и жилищни комплекси.
Основните преимущества на микротурбинните модули са следните:
- мощноста може да се изменя в целия диапазон 0- 100%;
- автоматична синхронизация с енергоснабдителната мрежа;
- вградена защита на генератора;
- отсъствие дрейф на честотата;
- възможност за продължителна работа на ниско натоварване;
- възможност за работа с нискокалорични горива;
- голям експлоатационен ресурс до капитален ремонт (60 000- 70 000 часа);
- висока надеждност и маневреност;
- ниска стойност на техническото обслужване и експлоатация;
- голям интервал между техническите обслужвания (над 8 000часа);
- голям интервал между замените на маслото (над 24 000часа);
- ниски нива на емисиите (25ppm);
- просто конструктивно изпълнение на системата за утилизация на топлина;
- висока степен на автоматизация;
Броят на микротурбините в състава на една локална топлоцентрала зависи основно от изискваната мощност, но в повечето случаи се предпочита да са повече от една, от гледна точка резервираност, като за максималния брой няма ограничение. По- големият брой модули в състава на една топлоцентрала намалява капиталните разходи за единица инсталиран киловат. От технологична гледна точка има много варианти за проектиране на инсталацията, но най- често се предпочита триконтурния. В първият контур водата циркулира между микротурбината (микротурбините) и мрежови топлобменник. Във втория контур мрежовата вода циркулира между мрежовия топлообменник и абонатните станции. Третия контур е циркулацията на водата в отоплителните инсталации. Обикновено при зимен режим мрежовата вода е с температура 90/700С.
Любомир Стайков
27.06.2007 г.