Мини-ТЭЦ (BHKW), как правило, работает в двух основных производственных режимах:

получение электричества и тепла (когенерация)
получение электричества, тепла и холода (тригенерация).

Холод вырабатывается абсорбционной холодильной машиной, потребляющей не электрическую, а тепловую энергию.

Абсорбционные чиллеры (с кпд 0,64-0,66) выпускаются множеством ведущих производителей и работают на натуральных хладагентах, а в качестве топлива используются – нефть, газ или их производные, био-топливо, пар, горячая вода, солнечная энергия или избыток тепловой энергии газовых турбин – поршневых электростанций.

При всей привлекательности, использование их в РФ является пока довольно редким явлением.

Ведь до совсем недавнего времени, в РФ центральные климатические системы не считались обязательными в промышленном и гражданском строительстве

Тригенерация является выгодной, поскольку дает возможность эффективно использовать утилизированное тепло не только зимой для отопления, но и летом для поддержания комфортного микроклимата в помещениях или для технологических нужд (пивоварни, охлаждение молока, etc.).

Такой подход позволяет использовать генерирующую установку круглый год.

Силовыми установками - агрегатами этих электростанций являются газо-поршневые или газотурбинные силовые агрегаты.

Газы, используемые для работы газовых теплоэлектростанций:

Схема инверторного преобразования позволяет получить идеальные, качественные выходные параметры по току, напряжению и частоте.

Концепция: BHKW - Блочные мини – теплоэлектростанции, работающие на газе

BHKW, Мини-ТЭЦ состоит из следующих основных компонентов:

двигатели внутреннего сгорания – поршневые или газотурбинные
генераторы постоянного или переменного тока
котлы-утилизаторы отработавших газов
катализаторы
системы управления
Средства автоматики мини-тэцобеспечивают функционирование установок в рекомендованном диапазоне рабочих режимов и достижение эффективных характеристик. Мониторинг и телеметрия мини-тэц осуществляются дистанционно.

Современная универсальная модульная концепция

Совместная выработка тепловой и электрической энергии.
Компактная конструкция с расположенным на раме оборудованием: двигателем, генератором, теплообменником и электрощитом
Предпочтительное применение на объектах с высоким потреблением электрической и тепловой энергии
Поставляется с различной электрической и тепловой мощностью. Электрическая мощность одного модуля, например, составляет, 70, 140 или 238 кВт, тепловая мощность 81, 115, 207 или 353 кВт
Применяется на выбор для параллельной работы с электросетью или в качестве резервного питания
Использование тепла, содержащегося в смазочном масле, охлаждающей жидкости и выхлопных газах двигателя
Несколько генераторов могут быть объединены в единый энергетический комплекс

Работа с пониженным уровнем шума и низкими выбросами вредных веществ

Спокойный ход газового двигателя внутреннего сгорания, имеющего от четырех до двенадцати цилиндров, и регулируемый катализатор. Уровень шума в зависимости от мощности модуля составляет 55 - 75 дБ(A)
Низкие показатели выбросов окиси азота и углекислого газа

Простое и удобное управление

Модуль управляется простым нажатием кнопок. Система пуска с зарядным устройством и вибропрочными необслуживаемыми аккумуляторными батареями
Встроенная распределительная установка под облицовкой рамы с наглядным пультом управления
Дистанционный контроль основных функций с согласованными комплектующими

Быстрый монтаж, пуск в эксплуатацию и техническое обслуживание

Полностью укомплектованный, готовый к подключению узел, имеющий синхронный генератор с воздушным охлаждением, для производства трехфазного тока напряжением 400 В, частотой 50 Гц и горячей воды с температурным графиком 90/70 °C при стандартной разнице температур между подающей и обратной линиями 20 K.
Любой модуль блок-ТЭС может работать в зависимости от тепловой или электрической нагрузок в диапазоне электрической мощности 50%–100% (что соответствует 60–100% тепловой мощности).
Пробный пуск на заводе с составлением протокола и занесением рабочих характеристик
Беспроблемная установка виброгасящей конструкции блок-ТЭС без дополнительного анкерного крепления
Автономная система маслоснабжения с резервуаром для хранения масла 60 л.

В наши дни ни одну техническую задачу невозможно решить без хорошей системы управления. Таким образом, совершенно естественно, что блоки управления входят в каждый узел.

Контроль осуществляют датчики давления масла, температуры охлаждающей жидкости, температуры выхлопных газов в катализаторе, температуры воды в отопительной системе и скорости вращения, а также датчики минимального давления охлаждающей жидкости, минимального уровня масла и предохранительный ограничитель температуры, с проводкой до шкафа управления

Автономное энергоснабжение: микротурбины

Для микротурбинных электростанций приемлемо топливо:

природный газ, высокого, среднего и низкого давления
попутный нефтяной газ (ПНГ)
биогаз
газ, получаемый при очистке сточных вод
газ, получаемый при утилизации мусора
пропан
бутан
дизельное топливо
керосин
шахтный газ
пиролизный газ

Производятся микротурбины следующей единичной электрической мощности:

30 кВт (выход тепловой энергии 85 кВт), шум 58 dB, расход газа при номинальной нагрузке 12 м 3
65 кВт (выход тепловой энергии 160 кВт кВт)
200 кВт
600 кВт
800 кВт
1000 кВт

ТЭО BHKW

Надо рассматривать в каждом конкретном случае, стоимость потреблённого установками топлива в сравнении со стоимостью покупки тепла и электроэнергии у монопольной государственной компании. Кроме того, стоимость подключения в сравнении со стоимостью самих установок.

быстрый возврат инвестиций (срок окупаемости не превышает чётырёх лет)
потребляя 0,3 куб. м газа возможность получать 1 кВт электроэнергии и ~ 2 кВт тепла в час
отсутствие платы за подключение к центральным сетям энергоснабжения, в прошлом году стоимость присоединения к электросети достигала в Московской области 48 907 рублей за один киловатт установленной электрической мощности (от 1 кВт до 35 кВт).Эта цифра вполне сопоставима со стоимостью строительства одного киловатта собственной, домашней высококачественной микротурбинной электростанции.
возможности приобретения в лизинг BHKW
минимум топливных потерь на локальной электростанции
возможность установки BHKW в старых котельных и на ЦТП
отсутствие необходимости строительства дорогостоящей ЛЭП, ТП, протяженной электросети
возможности быстрого увеличения электрической мощности, путем дополнительной установки энергетических модулей

Стоимость киловатт-часа

Цена киловатт-часа отличается, прежде всего, от типа производящей электростанции. Различные финансовые институты используют дифференцированные методики при оценке производимой электроэнергии.

Стоимость одного киловатта ядерной энергии вывести непросто. Применяются отличающиеся методы оценки и подсчета.

Всемирная Ядерная Ассоциация сравнила стоимость киловатт-часа, который может быть произведен на новых электростанциях различных типов.

Если условная ставка по кредитам, выданным под строительство электростанции, составляет 10%, то киловатт-час электроэнергии стоит, произведенной на:

АЭС - 4.1 цента
на современной угольной электростанции - 4.8 цента
на газовой электростанции - 5.2 цента

Если кредитная ставка по финансированию строительства электростанций снизится до 5%, то получатся еще меньшие величины:

2.7 цента для АЭС
3.8 - для электростанции, работающей на угле
4.4 цента - для газовой электростанции.

Европейская Комиссия пользуется другими данными:

1 киловатт-час ядерной и гидроэнергии обходится в €0.05
угольной ТЭС - в €0.04 - 0.07
газовой электростанции - €0.11 - 0.22

По методике Европейской Комиссии оппонентами АЭС являются лишь ветряные энергоустановки, стоимость киловатт-часа которых составляет €0.015-€0.02.

Массачусетский Технологический Институт подсчитал, стоимость ядерной энергии составляет 6.6 цента за киловатт-час, а электричество, произведенное из природного газа, обходится в 3.7-5.5 центов.

По информации Университета Чикаго:

киловатт-час АЭС стоит 6.4 цента
киловатт-час, произведенный на газовой станции - 3.3-4.4 цента.

По методикам Института Ядерной Энергетики, в 2004 году в США стоимость киловатт-часа, произведенного:

на АЭС, составляла 1.67 центов
Киловатт-час угольной электростанции обходился в 1.91 цента
электростанции на HFO - в 5.40 центов
газовой электростанции - в 5.85 центов

Стоимость строительства киловатт-часа

Вопрос вопросов - стоимость и продолжительность строительства АЭС.

Организация Экономического Сотрудничества и Развития подсчитала, что стоимость строительства составляет:

атомной электростанции от $2.1 тыс. до $2.5 тыс. за киловатт мощности
угольной электростанции - $1.5 тыс.-1.7 тыс.
газовой электростанции - $1 тыс.-$1.4 тыс.
ветровой энергетической установки (ВЭУ) - $1 тыс.-$1.5 тыс.

Исследовательские центры, выступающие против строительства АЭС, считают, что эти данные не показывают реальной стоимости строительства АЭС.

Типичная АЭС мощностью 1GW обойдется, как минимум, в $2.2 млрд. Аналогичный вывод сделала Исследовательская Служба Конгресса США. По подсчетам службы, стоимость строительства атомной электростанции, после 1986 года, составляет от $2.5 до $6.7 млрд. Бюджетная часть систем безопасности АЭС составляет 1/3 стоимости проекта.

Срок строительства электростанций составляет:

АЭС - 5-6 лет
угольной электростанции - 3-4 года
газовой электростанции - 2 года

Институт Исследований Ядерной Политики подчеркивает, что тщательные анализы и расчеты долгосрочной стоимости ядерной энергетики никогда не проводились .

При обычных расчетах не учитываются:

стоимость обогащения урана
затраты на борьбу с последствиями возможных аварий
стоимость закрытия АЭС
расходы на транспортировку
хранение ядерных отходов

В США нет опыта закрытия ядерных установок. Стоимость затратного процесса возможно лишь предполагать. В 1996 году Министерство Энергетики предположило, что затраты могут разниться от $180 млн. до $650 млн.

На портале newtariffs.ru публикуются новые, сводные тарифы на электроэнергию, цены на природный газ, стоимость – уровень оплаты за тепловую энергию и водоснабжение, а так же прейскуранты на услуги ЖКХ.

Электричество в России - это такая штука, которую могут внезапно отключить, которая может подорожать или стать хуже по качеству. Если у вас дата-центр, госпиталь, торговый центр или другой важный объект, логично озаботиться своим источником питания: начиная с какого-то объёма потребляемой энергии выгодно не запитываться от города, а строить собственный энергоцентр.

Фотографии энергоцентра в Набережных Челнах

Учитывая, что для всех этих объектов (в особенности – для дата-центра) понадобится не только электричество, но и тепло-холод, крупные заказчики делают ставку на свои энергоцентры - а мы занимаемся их проектированием, строительством и внедрением, и используем очень интересную схему тригенерации, позволяющую получать сразу тепло, холод и электричество без лишних преобразований.

Под катом - фотографии энергоцентра, короткий рассказ об его устройстве и тригенерации в целом.

Зачем вообще нужны энергоцентры?

Электричество стоит денег. Во многих случаях дешевле построить энергоцентр, чем провести инфраструктуру и регулярно платить городу за питание. Вопрос «сколько будет стоить электричество, тепло, вода и холод после ввода объекта в эксплуатацию» сегодня уже не является второстепенным.

Часто даже выбор площадки происходит не только исходя из удобного расположения для будущих клиентов, но и с точки зрения возможности и стоимости обеспечения нужными энергоресурсами. Сложно планировать что-то, когда запланированные тарифы на электроэнергию после ввода объекта в эксплуатацию возрастают в 1,5-2 раза с формулировкой «вновь введенный объект не вошел в баланс генерирующего поставщика».

Решение

Одним из выходов в данной ситуации может быть строительство собственных генерирующих мощностей (собственного энергоцентра) на базе газопоршневых или газотурбинных установок с утилизацией тепла с помощью абсорбционных холодильных машин (АБХМ). Весь фокус как раз в том, что все «излишки» тепла или холода не «сбрасываются» куда-то в процессе выработки электричества, и используются для соответствующих потребителей объекта.

Принцип такой: при работе газопоршневой или газотурбинной установки, с 1 кВт вырабатываемой электроэнергии мы можем получить от 1 до 2 кВт тепловой энергии в качестве горячей воды. В заполненных и работающих дата-центрах электрическая нагрузка достаточно равномерная в течение года, а потребность в холоде сопоставима с активной электрической IT-мощностью. Из горячей воды с помощью АБХМ получаем холод с средним коэффициентом 0,75. Таким образом, в зависимости от типа энергоустановок, с их тепла можно получить от 50% до 100% необходимого холода. В итоге получается чрезвычайно энергоэффективная система. Недостаток тепла, а так же резерв обеспечивается обычными водогрейными котлами, КПД которых близок к 99%.

Извне потребляется только природный газ низкого давления, на выходе получается электроэнергия, тепло на отопление и холод на кондиционирование. При этом надёжность превосходит стандартных поставщиков, а стоимость ресурсов заметно ниже. Себестоимость потребляемой электроэнергии составляет до 2 руб/кВт*ч и ниже, что соответствует внешним тарифам по напряжениям 110 кВ и выше.

Комбинированная выработка электроэнергии, тепла и холода позволяют добиться не только снижения затрат на энергоресурсы в 2 и более раз, но и снизить объемы потребления электроэнергии на вентиляцию и кондиционирование. Достигается это за счет полного или частичного замещения компрессоров системы охлаждения на АБХМ, которая электричество практически не потребляет. Опыт реализованных нами проектов показывает, что окупаемость собственного энергоцентра при правильном техническом решении всего 2-3 года, после чего решение начинает приносить владельцу дополнительную прибыль.

Энергоцентр представляет собой самостоятельное, полностью автоматизированное инженерное сооружение, работающее в автономном режиме, в состав которого входят силовые установки на базе газового двигателя и присоединенного электрогенератора.

Какие преимущества?

При строительстве ЦОДа высокой доступности основным источником электроэнергии должен быть независимый от энергосистемы ввод, традиционно реализуемый на базе дизельных генераторных установок («город» на уровнях выше не может быть основным).

Средняя себестоимость 1 кВт*ч на дизельном топливе варьируется от 7-10 рублей. По этим причинам «основной» ввод остается таковым только на бумаге, а электроэнергию в штатном режиме получают по классическим схемам от электросетей, то есть от дополнительного источника по стандарту. Небольшой ЦОД суммарной с мощностью от 1 до 2 МВт будет подключен к электросетям на напряжении 6 или 10 кВ, и будет покупать электроэнергию по соответствующей тарифной группе (от 3 до 4 руб/кВт*ч). При таком подходе холод в системе охлаждения ЦОД вырабатывают парокомпрессионные холодильные машины (ПКХМ), потребляющие сетевую электроэнергию.

Холодопроизводительность цикла ПКХМ связана с электропотреблением через ε – холодильный коэффициент.

Для средней полосы России ε приблительно 3,0. Это значит, для выработки 1,0 кВт холода, потребуется электрическая мощность 0,33 кВт.

При этом более чем реально установить свой газовый энергоцентр (где есть тригенерационная система). В итоге необходимый объем холода можно получать с помощью АБХМ без использования традиционных (и дорогостоящих) компрессоров. Опыт проектирования и резервирования систем накоплен достаточно большой, поэтому даже для TIER III и TIER IV никакой принципиальной проблемы в строительстве и сертификации такого объекта нет.

Конкретный пример

Один из примеров – энергоцентр торгового центра «ЭССЕН» в Набережных Челнах, построенный КРОК аж в 2007-м году. Проект окупил себя за 2 с небольшим года, даже при неполной загрузке. В настоящее время у нас в работе еще несколько подобных проектов.

Вот его карточка:

Тип строительства – новое строительство
Место расположения строительной площадки – г. Набережные Челны, Республика Татарстан
Стадийность строительства - 1 очередь
Предназначение – электро, тепло и холодоснабжение собственного торгово-развлекательного центра.
Причина – отсутствие технической возможности присоединения к электрическим сетям.
Номинальные мощности – электроэнергия 2 МВт – фактическое потребление 70%, тепловая энергия 4 Гкал – фактическая потребляемая мощность 3,7 Гкал, холодопотребление – 1,2 МВт, фактическое потребление 1 МВт
Исполнение ТЭЦ – контейнерное
Оборудование – КГУ – Caterpillar (США), котлы – Buderus (Германия), АБХМ – Carrier (Китай)

А вот его фотографии:

Вид когенерационной газопоршневой установки (КГУ) внутри, расширительные баки:

Контейнер с резервным дизель-генератором

Газораспределительный пункт (ГРП) энергоцентра:

Газопоршневой двигатель (ГПУ) CATERPILLAR:

Абсорбционая холодильная машина (АБХМ) внутри:

Теплообменники теплового пункта котельной:

ГПУ внутри - наладка:

Утилизатор выхлопных газов:

Подключение к шинам силового щита ГПУ:

Когенерационные газопоршневые установки (КГУ):

Сухой охладитель (драйкулер) КГУ:

Он же:

КГУ - дымовые трубы, драйкулер, утилизатор выхлопных газов:

Резюме

Строительство собственного энергоцентра с применением технологии тригенерации «под ключ» обойдется примерно в 2000 евро/кВтэ. Это вполне сопоставимо с ценой на подключение к внешним сетям.
Свой энегоцентр для ЦОДа не приводит к увеличению инвестиций, но существенно снижает энергопотребление ЦОД и его OPEX в целом.
Надёжность и эффективность ЦОДа увеличиваются.
К выбору площадки можно подходить свободнее: достигается энергонезависимость объекта от местной инфраструктуры, что может оказаться важным преимуществом.
Строительство энергоцентра ведется параллельно с возведением основного объекта и по срокам составляет 1,5-2 года.
КРОК имеет опыт строительства таких объектов, поэтому если интересно – обращайтесь на [email protected], обсудим конкретные вопросы. На общие вопросы готов ответить в комментариях.

UPD. Много вопросов по окупаемости и экономической части. В целом всё зависит от конкретного проекта. Общие подходы такие (числа в расчётах примерные, могут отличаться в разных ситуациях и регионах):

Важно предусмотреть как можно более полный и стабильный сбыт всех производимых ресурсов. Если потребление неравномерное (день\ночь, сезонность) – можно «вырезать» энергоцентром только стабильную часть, а всплески добирать из сети. В смысле, что не надо брать энергоцентр под пик, он экономически оправдан при стабильной загрузке выше, например, 60%.
В себестоимости больше половины затрат – цена топлива. 270 кубов на 1МВт*ч пусть например по 4 рубля за куб и 8200 часов в году (с учетом регламента и простоя) - это около 9 миллионов рублей. Пусть обслуживание, персонал, налоги, масло и прочее еще столько же, хотя по опыту меньше. Получаем OPEX 18 миллионов рублей или 2,19 руб\кВт*ч. Вилка с внешнем тарифом пусть 4 руб\кВт*ч составит около 15 миллионов рублей по электричеству и не менее 2 миллионов рублей за тепло. На больших станциях эффект ещё больше.
Стоимость энергоцентра зависит от многих параметров. Когенерация 1МВт (электричество и тепло), в контейнере одной машиной даже с подключением к сетям стоит меньше от 1 млн евро «под ключ». Более сложное решение, в том числе тригенерация дороже. Например, 1,5 млн евро / годовую экономию 17 млн руб = 3,5 года. Использование холода улучшает ситуацию вдвое. А если учесть стоимость подключения к электрическим сетям – проект может окупиться на старте.

Детальный расчет по конкретной ситуации готов предоставить по запросу на электронную почту [email protected].

Область деятельности(техники), к которой относится описываемое изобретение

Изобретение относится к теплоэнергетике, может быть использовано при комбинированном производстве тепла, холода и электроэнергии с помощью тепловых энергетических установок.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Известен способ работы передвижной установки комбинированного производства электричества, тепла и холода, в которой генератор преобразует механическую энергию вращающегося вала двигателя в электроэнергию, отходящие газы, проходящие через теплообменник, отдают тепло жидкостному теплоносителю для теплоснабжения в отопительный период или хладагенту абсорбционной холодильной машины для холодоснабжения в летний период .

К недостаткам данного способа работы установки можно отнести невысокий КПД, связанный с выбросом в атмосферу существенной части неиспользованной тепловой энергии через аппараты воздушного охлаждения двигателя внутреннего сгорания и холодильной машины, низкую степень использования холодильной мощности абсорбционной холодильной машины летом в периоды понижения температуры окружающего воздуха.

Известен также способ работы когенерационной системы: первый двигатель внутреннего сгорания производит полезную энергию, преобразуемую в электрическую энергию с помощью электрогенератора, второй двигатель внутреннего сгорания используется для привода компрессора холодильной машины, вырабатывающей холод в летний период, тепло, утилизированное от рубашки двигателя и выхлопных газов, используется для теплоснабжения потребителей в зимний период .

Недостатком способа работы данной установки является невысокий КПД использования сбросной теплоты двигателей внутреннего сгорания, значительные затраты электроэнергии на работу компрессора холодильной машины.

Известен способ работы тригенерационной системы, одновременно осуществляющей тепло/холодо- и электроснабжение, в котором теплоснабжение в холодный период осуществляется за счет утилизации теплоты выхлопных газов и охлаждающей жидкости двигателя внутреннего сгорания, механическая энергия вращающегося вала двигателя преобразуется в электроэнергию, холод вырабатывается в летний период в компрессионной холодильной машине .

Rnrnrn rnrnrn rnrnrn

К недостаткам способа работы данной установки можно отнести невысокий КПД из-за недостаточного использования сбросной теплоты двигателя внутреннего сгорания и значительные затраты электроэнергии на работу компрессора холодильной машины.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) является способ впуска охлажденного воздуха в газовую турбину, в котором один используют для преобразования теплоты продуктов сгорания в механическую энергию с последующим преобразованием ее в электрическую в электрогенераторе. Второй тепловой двигатель используют как источник тепловой энергии, преобразуемой в энергию холода в абсорбционной холодильной машине. Произведенный в абсорбционной холодильной машине холод используют для охлаждения атмосферного воздуха перед сжатием. При понижении нагрузки на систему холодоснабжения понижают давление газа, подаваемого в тепловой двигатель .

Недостатком способа работы данной установки является то, что в период неполной загрузки абсорбционной холодильной машины в результате понижения давления газа, используемого тепловым двигателем, повышается температура воды, подаваемая от абсорбционной холодильной машины к воздухо-водяному теплообменнику, что приводит к снижению степени охлаждения атмосферного воздуха, подаваемого в компрессор, и соответственно к понижению электрической мощности установки.

Задача изобретения - повышение КПД и электрической мощности установки за счет повышения степени использования абсорбционной холодильной машины.

Поставленная задача достигается следующим образом.

Сжатый атмосферный воздух и/или топливо сжигают в камере сгорания и теплоту продуктов сгорания преобразуют в механическую энергию с помощью теплового двигателя. Механическую энергию преобразуют в электрическую в электрогенераторе. Тепловую энергию, отведенную от теплового двигателя, используют для теплоснабжения потребителей и для преобразования в абсорбционной холодильной машине в энергию холода для холодоснабжения потребителей. В период неполной загрузки холодильной машины избыточную холодильную мощность используют для охлаждения атмосферного воздуха перед сжатием.

На чертеже изображена схема одной из возможных установок, с помощью которых может быть осуществлен описываемый способ.

Содержит следующие элементы: 1 - воздушный компрессор, 2 - камеру сгорания, 3 - газовую турбину, 4 - теплообменник охлаждения дисков и лопаток турбины, 5 - теплообменник системы смазки турбины, 6 - теплообменник уходящих газов, 7 - теплообменник системы теплоснабжения потребителей, 8 - воздухо-водяной теплообменник, 9 - насос контура охлаждения, 10 - насос, 11 - абсорбционную холодильную машину, 12 - потребитель тепла, 13 - электрогенератор, 14 - потребитель холода, 15 - трубопровод горячей воды, 16 - трубопровод охлажденной воды, 17 - градирню холодильной машины, 18 - насос обратного водоснабжения (охлаждения) холодильника, 19 - помещение, 20 - сухую градирню тригенерационной установки.

Способ работы комбинированного производства электроэнергии, тепла и холода осуществляется следующим образом

В компрессоре 1 происходит процесс сжатия атмосферного воздуха. Из компрессора 1 воздух поступает в камеру сгорания 2, куда через форсунки непрерывно под давлением поступает распыляемое топливо. Из камеры сгорания 2 продукты сгорания направляются в турбину 3, в которой энергия продуктов сгорания преобразуется в механическую энергию вращения вала. В электрическом генераторе 13 эта механическая энергия преобразуется в электрическую. Тепловую энергию, отведенную от газовой турбины через теплообменники системы смазки 5, системы охлаждения дисков и лопаток 4 и с уходящих газов 6, по трубопроводу 15 передают теплообменнику 7 для снабжения потребителей 12 теплом в холодный период года. В теплый период часть тепловой энергии используют для теплоснабжения потребителей, а другую часть энергии передают абсорбционному холодильнику 11, который преобразует тепловую энергию в энергию холода, используемую для снабжения холодом потребителей 14. Воду, охлажденную в теплообменнике 7, насосом 9 передают для нагрева в теплообменники 4, 5, 6. При отсутствии потребности в тепловой энергии избыточное тепло отводится через сухие охладители 20 в атмосферу. При работе холодильной машины 11 тепловая энергия подводится к генератору и к испарителю, в то время как в абсорбере и в конденсаторе теплота отводится. Для отведения теплоты в атмосферу служит контур оборотного водоснабжения, включающий в себя градирню 17 и насос 18. В период неполной загрузки абсорбционного холодильника 11 охлажденную воду передают по трубопроводу 16 в воздухо-водяной теплообменник 8, находящийся вне помещения 19, для предварительного охлаждения атмосферного воздуха, подаваемого в компрессор 1 для сжатия атмосферного воздуха и подачи в камеру сгорания 2, а нагретую в теплообменнике 8 воду насосом 10 передают в 11 для охлаждения.

Rnrnrn rnrnrn rnrnrn

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в повышении степени использования абсорбционной холодильной машины за счет охлаждения в период неполной ее загрузки атмосферного воздуха перед его сжатием. Предварительное охлаждение атмосферного воздуха за счет уменьшения работы сжатия позволяет уменьшить расход топлива в тепловом двигателе, повысить КПД и электрическую мощность установки.

Список используемых источников

1. Патент 2815486 (Франция), опубл. 19.04.2002, МПК F01N 5/02-F02B 63/04; F02G 5/02; F25B 27/00; F25B 30/04; F01N 5/00; F02B 63/00; F02G 5/00; F25B 27/00; F25B 30/00; (IPC 1-7): H02K 7/18; F01N 5/02; F02B 63/04; F02G 5/02; F25B 27/02.

2. Патент 2005331147 (Япония), опубл. 02.12.2005, МПК F25B 27/00; F25B 25/02; F25B 27/02; F25B 27/00; F25B 25/00; F25B 27/02; (ГРС1-7): F25B 27/00; F25B 25/02; F25B 27/02.

3. Патент 20040061773 (Корея), опубл. 07.07.2004, МКП F02G 5/00; F02G 5/00; (IPC 1-7): F02G 5/00.

4. Патент 8246899 (Япония), опубл. 24.09.1996, МПК F02C 3/22; F01K 23/10; F02C 6/00; F02C 7/143; F25B 15/00; F02C 3/20; F01K 23/10; F02C 6/00; F02C 7/12; F25B 15/00; (IPC1-7): F02C 7/143; F02C 3/22; F02C 6/00; F25B 15/00.

Формула изобретения

Способ комбинированного производства электроэнергии, тепла и холода, включающий сжатие атмосферного воздуха и/или топлива с последующим сжиганием их в камере сгорания и преобразованием теплоты продуктов сгорания в механическую энергию с помощью теплового двигателя, преобразование механической энергии в электрическую в электрогенераторе, передачу части тепловой энергии, отведенной от теплового двигателя, на преобразование в абсорбционной холодильной машине в энергию холода, используемую, по крайней мере, для охлаждения атмосферного воздуха перед его сжатием, отличающийся тем, что часть тепловой энергии, отведенной от теплового двигателя, используют для теплоснабжения потребителей, а преобразованную в абсорбционной холодильной машине тепловую энергию в энергию холода используют для холодоснабжения потребителей, при этом при возникновении в периоды неполной загрузки абсорбционной холодильной машины избыточной энергии холода ее используют для охлаждения атмосферного воздуха перед сжатием.

Имя изобретателя: Баженов Александр Иванович (RU), Михеева Елена Владимировна (RU), Хлебалин Юрий Максимович (RU)
Имя патентообладателя: Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Саратовский государственный технический университет (ГОУ ВПО СГТУ)
Почтовый адрес для переписки: 410054, г.Саратов, ул. Политехническая, 77, СГТУ (патентно-лицензионный отдел)
Дата начала отсчета действия патента: 14.05.2009

Система тригенерации представляет собой систему комбинированного производства тепла и электроэнергии, соединенную с одним или несколькими холодильными агрегатами. Тепловая часть тригенерационной установки в своей основе имеет парогенератор с рекуперацией тепла, питание которого осуществляется за счет использования выхлопных газов первичного двигателя. Первичный двигатель, соединенный с генератором переменного тока, обеспечивает производство электрической энергии. Для охлаждения используется периодически возникающий избыток тепла.

Применение тригенерации

Тригенерация активно применяется в экономике, в частности в пищевой промышленности, где существует потребность в холодной воде для использования ее в технологических процессах. Например, в летний период пивоварни используют холодную воду для охлаждения и хранения готового продукта. На животноводческих фермах вода используется для охлаждения молока. Производители замороженной продукции круглогодично работают с низкими температурами.

Технология тригенерации дает возможность преобразовывать в холод до 80% тепловой мощности когенерационной установки, что значительно увеличивает суммарный КПД когенерационной установки и повышает коэффициент ее мощностных ресурсов.

Тригенерационная установка может быть использована круглогодично, вне зависимости от сезона. Утилизированное тепло при тригенерации эффективно используется зимой для отопления, летом для кондиционирования помещений и для технологических нужд.

Особенно эффективно применение тригенерации в летний период, при образовании избытка тепла, вырабатываемого мини-ТЭЦ. Избыточное тепло направляется в адсорбционную машину для выработки охлажденной воды, используемой в системе кондиционирования. Данная технология позволяет экономить энергию, которая обычно потребляется системой принудительного охлаждения. В зимний период адсорбционная машина может быть отключена, если отсутствует необходимость в большом количестве охлажденной воды.

Таким образом, тригенерационная система позволяет на 100% использовать тепло, вырабатываемое мини-ТЭЦ.

Энергетическая эффективность и высокая экономичность

Оптимизация потребления энергии - важная задача, не только с точки зрения экономии энергоресурсов, но и с точки зрения экологии. На сегодняшний день энергосбережение является одной из наиболее актуальных проблем во всем мире. При этом большинство современных технологий производства тепла приводят к высокой степени загрязнения атмосферы.

Тригенерация, при которой происходит комбинированное производство электрической, тепловой и холодильной энергии, является сегодня одной из наиболее эффективных технологий повышения энергетической эффективности и экологической безопасности мини-ТЭЦ.

Экономия энергоресурсов при использовании тригенерационных технологий достигает 60%.

Плюсы и минусы

По сравнению с традиционными технологиями охлаждения тригенерационная система имеет следующие преимущества:

Тепло является источником энергии, что позволяет использовать избыточную тепловую энергию, которая обладает очень низкой себестоимостью;
Произведенная электрическая энергия может быть подана в общую электросеть или использоваться для обеспечения собственных нужд;
Тепло может быть использовано для обеспечения потребностей в тепловой энергии во время отопительного сезона;
Требуют минимальных расходов на техобслуживание в связи с отсутствием в адсорбционных холодильных установках подвижных деталей, которые могли бы подвергаться износу;
Бесшумная работа адсорбционной системы;
Низкие эксплуатационные расходы и низкие затраты в течение всего срока службы;
В качестве хладагента используется вода вместо веществ, разрушающих озоновый слой.

Адсорбционная система проста и надежна в использовании. Энергопотребление адсорбционной машины невелико, поскольку нет жидкостного насоса.

Однако у такой системы имеется и ряд недостатков: большие габариты и вес, а также относительно высокая стоимость, связанная с тем, что на сегодняшний день выпуском адсорбционных машин занимается ограниченное число производителей.

Описание:

При полном использовании вырабатываемой электрической и тепловой энергии достигаются высокие экономические показатели системы, а высокая энергетическая эффективность обеспечивает, в свою очередь, сокращение сроков окупаемости средств, инвестированных в оборудование.

Совместное производство теплоты и электроэнергии

Системы совместного производства теплоты и электроэнергии: балансировка соотношения производимой теплоты и мощности

A. Abedin , член Американского общества инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха (ASHRAE)

В описываемых когенерационных системах первичное топливо расходуется на одновременное производство электрической или механической энергии (мощность) и полезную тепловую энергию. В этом процессе существенным является то, что одно и то же топливо работает «дважды», чем достигается высокая энергетическая эффективность систем.

Конфигурация системы совместного производства (когенерации) теплоты и электроэнергии определяется тем, насколько фактические тепловые и электрические нагрузки соответствуют выработке тепловой и электрической мощности. Если имеется рынок, готовый потребить излишек тепла или электроэнергии, балансировка соотношения тепловой и электрической мощности не является критической для системы.

Например, если электроэнергия может быть потреблена (на приемлемых условиях), тогда основой работы системы совместного производства становится потребность на месте в тепловой энергии (система предназначается для обеспечения тепловой нагрузки). Излишняя электроэнергия может быть продана, а ее недостаток может быть компенсирован закупками из других источников. В результате обеспечивается высокая энергетическая эффективность, и фактическое соотношение выработки тепла и электроэнергии для энергетической установки соответствует потребностям на месте эксплуатации установки.

В качестве примера эффективного соотношения тепловой и электрической мощности рассмотрим паровой котел, вырабатывающий в час 4 540 кг пара, подаваемого под давлением около 8 бар, и потребляющий для этого 4 400 кВт энергии топочного газа (при среднем КПД котла 75 %). При таком же количестве потребленной энергии топливного газа в стандартной газовой турбине мощностью 1,2 МВт может быть выработано необходимое количество пара при помощи утилизации отходящей теплоты. В результате около 1 100 кВт электроэнергии может быть выработано «без затрат» топлива. Это является примером очень хорошего соотношения тепла и мощности, благодаря которому система обладает привлекательными экономическими показателями.

Представим теперь абсорбционный чиллер, обслуживающий систему кондиционирования воздуха с такими же потребностями в паре. Во время работы в режиме неполной нагрузки та же самая газовая турбина вырабатывает электроэнергию неэффективным образом (обычно). В такой системе отходящая теплота используется не полностью, если только на месте нет какого-либо другого потребителя этой теплоты. Таким образом, если система работает в режиме неполной нагрузки длительное время, ее экономические показатели невысоки.

Проектировщик системы совместного производства теплоты и электроэнергии должен решать непростые задачи обеспечения оптимального соотношения тепловой и электрической мощностей, учитывая также дневные и сезонные изменения этого соотношения. Далее рассматриваются типичные методы балансировки соотношения выработки теплоты и электроэнергии.

Метод I: использование газовых турбин и генераторов с газовыми двигателями

Сравним конфигурации газотурбинной энергетической установки с высоким соотношением тепловой и электрической мощностей и установки газовыми двигателями внутреннего сгорания (газомоторные) с низким отношением тепловой и электрической мощностей. Как будет показано ниже, в зависимости от энергетических нагрузок объекта, целесообразными могут быть как газотурбинные, так и газомоторные установки.

Пример А. Обычно в здании с центральной системой кондиционирования воздуха при пиковых расчетных условиях существует высокая потребность в холоде, для чего необходимо большое количество тепловой энергии, если абсорбционные чиллеры работают на совместно вырабатываемой отходящей теплоте.

Допустим, при пиковом потреблении необходимость в охлаждении в здании составляет 1 760 кВт и около 1 100 кВт электрической мощности.

Газотурбинная установка может работать с высокой эффективностью когенерации следующим образом:

1. Параметры производительности газовой турбины при 35 °С: 1 200 кВт электрической мощности при 5 340 кВт потребляемой энергии топочного газа (выработка электроэнергии 22,5 %), выход пара 7 кг/с при температуре 540 °С.

2. В условиях примера А котел-утилизатор отходящей теплоты обеспечивает одноступенчатый абсорбционный чиллер теплотой в количестве приблизительно 2 990 кВт. При потерях тепловой энергии, составляющих 7 % (на излучение и потери в трубах с горячей водой), для обеспечения необходимой холодильной производительности абсорбционного чиллера котел подает на него горячую воду с температурой 121 °С.

3. Соотношение тепловой и электрической мощностей (количество тепловой энергии в британских единицах MBtu/h на 1 кВт/ч ) в примере А равно 8,5 (10 200 / 1 200).

Пример Б. Для такого же здания, что и в примере А, при потреблении только 750 кВт электроэнергии и 616 кВт «холода» для кондиционирования воздуха при работе в режиме неполной нагрузки соотношение тепловой и электрической мощностей определяется следующими факторами:

1. Параметры производительности газомоторной энергоустановки при 25 °С: 750 кВт электрической мощности при 2 000 кВт потребляемой энергии топочного газа (выработка электроэнергии 37,5 %), утилизация отходящей теплоты охлаждающей воды в количестве 100 кВт из контура последовательного охладителя и утилизация теплоты выхлопных газов двигателя в количестве 500 кВт.

2. Утилизированная теплота общим количеством 959 кВт позволяет производить около 616 кВт холода с помощью одноступенчатого абсорбционного чиллера при подаче на него горячей воды с температурой 90 °С.

3. Соотношение тепловой и электрической мощностей (количество тепловой энергии в единицах MBtu/ч на 1 кВт/ч) в примере Б равно 4,4 (3 300 / 750).

Соотношение тепловой и электрической мощностей изменяется с 8,5 (для газотурбинной установки) при пиковых нагрузках до показателя 4,4, для газомоторной установки в режиме неполной нагрузки. Рациональный выбор конфигурации когенерационной системы позволяет достичь оптимального соотношения нагрузок и обеспечить наивысшую эффективность совместного производства теплоты и электроэнергии.

Метод 2: использование гибридных чиллеров

Для балансировки выработки теплоты и электроэнергии в когенерационных энергетических установках, обеспечивающих утилизируемой теплотой центральные системы кондиционирования воздуха, необходим гибридный чиллер.

В периоды сравнительно низкой нагрузки электроэнергии (когда для абсорбционного чиллера имеется немного утилизируемого теплоты) сбалансировать указанное соотношение помогает электрический чиллер, повышающий электрическую нагрузку, увеличивая при этом количество отходящей теплоты для повышения эффективности когенерации.

Метод 3: использование накопителя тепловой энергии

Накопители (аккумуляторы) тепловой энергии используются как в системах охлаждения, так и в системах теплоснабжения. Применение накопительных баков-аккумуляторов с использованием горячей воды (температурой от 85 до 90 °С) может «сберечь» имеющееся «сбросное» тепло. Система может быть спроектирована и для использования горячей воды с температурой выше 100 °С (при повышенном давлении).

Поскольку экономически невыгодно «хранить» электроэнергию (особенно для небольших энергетических установок совместного производства теплоты и электроэнергии) для обеспечения высокой эффективности выработки тепла, в таких установках излишняя тепловая энергия должна накапливаться для удовлетворения потребности в электроэнергии.

При полном использовании теплоты отходящих газов для совместного производства теплоты и электроэнергии, предназначенных для центральных систем кондиционирования воздуха, необходимо, чтобы использующие теплоту чиллеры работали в режиме максимальной производительности, и вся излишняя холодильная производительность сохранялась в виде охлажденной воды, хранимой в накопительных баках.

Для этого могут использоваться существующие баки для воды (например предназначенные для системы пожаротушения) или специально изготовленные баки.

Накопители тепловой энергии могут использоваться для хранения горячей воды с температурой в диапазоне от 85 до 90 °С (вода с такой температурой интенсивно используется, например, на текстильных фабриках). Поскольку энергетическая установка совместного производства теплоты и электроэнергии вырабатывает горячую воду непрерывно, горячая вода может храниться в баках для использования в производственных целях.

На рисунке показана упрощенная схема трубной системы установки производства и хранения горячей воды, являющейся частью энергетической установки совместного производства теплоты и электроэнергии, в которой используется генератор, приводимый в действие газовым двигателем с турбонаддувом мощностью 900 кВт, со скоростью вращения 1 000 об/мин. На схеме не показаны все необходимые регулирующие клапаны и приборы, предназначенные для безопасной и экономичной работы.

Метод 4: кондиционирование входного воздуха при помощи газовой турбины

Пример А. Кондиционирование входного воздуха при помощи газовой турбины является технологией, которая может использоваться в установках с генераторами с газовыми турбинами для балансировки соотношения тепловой и электрической мощностей. В этой технологии применяется охлаждение входного воздуха для увеличения производительности при пиковых нагрузках летом (при помощи или аккумуляторов тепловой энергии или находящихся на линии чиллеров, использующих отходящую теплоту) или нагрев входного воздуха для увеличения эффективности когенерации при неполной нагрузке, особенно зимой (вырабатывается дополнительное количество тепловой энергии на 1 кВт электроэнергии).

Охлаждение входного воздуха увеличивает производительность и эффективность генератора с газовой турбиной. Оно широко используется в системах совместного производства теплоты и электроэнергии, в которых отходящая теплота применяется для централизованной подачи охлажденной воды.

В таких системах имеется или отсутствует хранилище тепловой энергии. Такая конструкция обеспечивает работу генераторов с газовыми турбинами в соответствии с необходимыми нагрузками, т. к. увеличение выработки электроэнергии, благодаря охлаждению входного воздуха, также приводит к увеличению отходящей теплоты, подаваемой на абсорбционные чиллеры.

В условиях неполной нагрузки применение газовой турбины с охлаждающими змеевиками на входе невыгодно, т. к. дополнительное падение давления на охлаждающем змеевике (теперь уже лишнем) вызывает повышение тепловой мощности (повышенное потребление топлива). В установках совместного производства теплоты и электроэнергии эффективность работы при неполной нагрузке может быть повышена, как показано в таблице, при помощи обычной газовой турбины с номинальной мощностью 1 200 кВт, используемой в установке совместного производства теплоты и электроэнергии, вырабатывающей применяемый для промышленных целей пар с давлением 3 бара.

При работе с нагрузкой 40 % от максимальной для балансировки соотношения выработки теплоты и электроэнергии может использоваться подогрев входного воздуха для газовой турбины (ограниченный конструкцией установки), т. к. пониженная эффективность газовой турбины приводит к повышению имеющейся отходящей теплоты и в результате к повышению общей эффективности когенерации. Указывается, что эффективность совместного производства теплоты и электроэнергии возрастает более чем на 15 %, если в условиях неполной нагрузки воздух на входе нагревается с 15 до 60 °С. Большинство производителей газовых турбин могут предоставить данные производительности при температуре воздуха вплоть до 60 °С. Перед проектированием системы с такой возможностью должны быть проверены совместно с производителем газовой турбины ограничения на нагрев входного воздуха.

Пример Б. Для увеличения генерации «отходящей» теплоты в имеющих высокую температуру, обогащенных кислородом выхлопных газах газовой турбины применяется дополнительное дожигание в потоке отходящей теплоты. Большее количество тепла означает более высокое соотношение теплоты и мощности, улучшающее экономические показатели процесса совместного производства теплоты и мощности.

Эффективность установки совместного производства теплоты и мощности мощностью 1 200 кВт в условиях неполной нагрузки

Рабочие параметры газовой турбины
Температура окружающей среды	15 °C	30 °C	45 °C	60 °С (экстрапо- лированное значение)
40 %	40 %	40 %	40 %
Выходная мощность	436 кВт	385 кВт	334 кВт	283 кВт
Эффективность	16,04 %	14,92 %	13,51 %	11,81 %
Расход выхлопных газов	6,35 кг/с	6,02 кг/с	5,61 кг/с	5,21 кг/с
Температура выхлопных газов	336 °C	355 °C	378 °C	405 °C
Тепловая мощность выхлопных газов	2 140 кВт	2 061 кВт	1 975 кВт	1 882 кВт
Рабочие параметры установки совместного производства теплоты и мощности
Температура окружающей среды	15 °C	30 °C	45 °C	60 °С
Давление насыщенного пара	3 бара	3 бара	3 бара	3 бара
Выработка пара	4 123 кг/ч	4 321 кг/ч	4 494 кг/ч	4 642 кг/ч
Эффективность работы установки совместного производства теплоты и мощности	65,29 %	69,1 %	72,49 %	75,46 %

Заключение

Системы совместного производства теплоты и электроэнергии работают эффективно, если используется вся или большая часть электрической и тепловой энергии.

В реальных условиях нагрузка меняется, поэтому для большинства систем необходима балансировка соотношения производимой тепловой и электрической мощностей, обеспечивающая эффективную и экономичную работу установки совместного производства энергии.

Системы балансировки соотношения теплоты и мощности должны быть приняты на установках совместного производства с самого начала для обеспечения оптимального использования выходной электрической и тепловой мощности и сокращения, тем самым, затрат на топливо, а также для улучшения экономических показателей системы.

Переведено с сокращениями из журнала «ASHRAE».

Перевод с английского Л. И. Баранова.