Утилизация тепла в энергетических установках на базе газопоршневых двигателей внутреннего сгорания

Электроэнергетика Статья
выбрано
energybase

Использование утилизации тепла от энергетических установок на базе двигателей внутреннего сгорания имеет широкий спектр применения, а при комплексном подходе к выбору технологий является экономически эффективным средством энергоснабжения.

Для обеспечения энергоснабжения в основном применяют энергоустановки с двумя типами поршневых двигателей внутреннего сгорания (ДВС): двигатель с искровым зажиганием — газопоршневая установка (ГПУ) и двигатель с воспламенением от сжатия — дизель-генераторная установка (ДГУ).

Какой тип генерации выбрать для своего энергоцентра? Самое главное преимущество дизельной силовой установки — простота топливоснабжения. Не смотря на то, что Россия — газовая держава, и по сей день дизельное топливо для большинства районов строительства более доступно, чем магистральный газ. Основными же преимуществами газопоршневых двигателей перед дизельными является более дешёвое топливо и экологическая безопасность (уровень выбросов NOx в 3 раза меньше).

И в том и в другом случае возможно использование ДВС для когенерационной выработки тепловой энергии. Когенерация — это процесс совместной выработки электрической и тепловой энергии. В процессе работы двигателей производится большое количество высокопотенциальной тепловой энергии в различных зонах: масляной радиатор, теплообменник системы охлаждения воздуха, радиатор системы охлаждения. Все вышеперечисленные системы объединяются высокотемпературным контуром и могут использоваться на нужды теплоснабжения. Утилизация тепла позволяет существенно увеличить эффективность и снизить срок окупаемости затрат на строительство энергоцентра. Применение в системах когенерации ГПУ является оправданным, так как при равной электрической мощности суммарная тепловая мощность у газовой теплоэлектростанции выше, чем у дизельной, к тому же ГПЭС экологичнее.

Общий коэффициент полезного действия ГПУ составляет 88%, из которых 43% приходится на вырабатываемую электрическую энергию, 45% - на тепловую энергию и 12% - на потери. Эти величины могут варьироваться +/-2% в зависимости от производительности установки, см. рис 1.

Рисунок 1

Теплообмен в ГПУ происходит в самом двигателе, в системе охлаждения и дополнительных теплообменных аппаратах. ГПУ оснащают котлами-утилизаторами для отвода теплоты от выхлопных газов. Система утилизации тепла дымовых газов может использоваться как для горячего водоснабжения, так и для производства пара на различные технологические нужды.

При отсутствии необходимости съема тепловой энергии от двигателя предусматривается устройство аппарата воздушного охлаждения (АВО) для сброса излишков тепла в атмосферу. Для дымовых газов используется система байпасирования котла утилизатора. На рисунке 2 приведен один из возможных вариантов организации утилизации тепла от газопоршневой установки и показан процесс теплообмена между отдельными элементами.

Рисунок 2

При необходимости в электростанции на базе двигателей внутреннего сгорания имеется возможность осуществить выработку холода на нужды вентиляции, холодоснабжения складов, промышленного и технологического холодоснабжения, путем установки абсорбционной холодильной машины (АБХМ). Данный процесс называется тригенерацией.

В настоящее время компания «ПитерЭнергоМаш» запускает в производство серию ГПЭС блок-модульного исполнения с системами утилизации тепла на базе ГПУ 1000 кВт и 1500 кВт.

В качестве примера рационального и комплексного подхода к выбору термодинамической системы использования газопоршневой установки можно привести реализацию энерго-комплекса, спроектированного и построенного ООО «ПитерЭнергоМаш» для автономного учебного центра МО РФ. В проекте комплекса применены технологии пакетирования силовых установок в стандартные морские контейнеры. За счет использования блок-модульного принципа, данный комплекс является хорошим примером не только эффективного расходования средств, но и создания простой в обслуживании энергетической инфраструктуры, которая характеризуется компактностью и быстротой развертывания, по сравнению с любым капитально построенным зданием энергоцентра.